CN115790923A - 基于悬心结构增敏的法布里-珀罗干涉型全光纤压力传感器 - Google Patents
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Abstract
基于悬心结构增敏的法布里‑珀罗干涉型全光纤压力传感器，壳体内封装有光纤传感结构，光纤传感结构为单模光纤的一端与毛细管的一端熔接，细径光纤4的一端从毛细管的另一端插入到毛细管内与单模光纤的一端端面间隔一定距离，细径光纤4外径＜毛细管内径，毛细管的另一端与细径光纤4通过熔接固定，使毛细管内腔形成密封腔，细径光纤4在毛细管内呈悬浮状态，毛细管内细径光纤4与单模光纤的端面形成悬浮的法布里‑珀罗干涉腔结构，单模光纤的另一端从壳体的一端伸出到壳体外。本发明通过改变毛细管长度与毛细管内细径光纤端面与单模光纤端面之间距离的比值即可改变传感器的灵敏度和量程，可以适用不同场合的监测要求。
Description
技术领域
本发明属于光纤压力传感技术领域，具体涉及到一种法布里-珀罗干涉型全光纤压力传感器。
背景技术
压力监测是许多工程应用领域的关键参数，包括石油和天然气开采、航空航天、内燃机等。一般油气井下的压力传感器件工作在强腐蚀、强辐射、高温高压等恶劣环境中，对传感器的耐腐蚀性、密封性、强度具有较高的要求。目前市场上主要使用电类压力传感器检测，但是电类传感器通常耐温难以高于205℃，易受极端环境影响，稳定性差，数据传输慢等固有缺陷限制了其在部分极端环境下的使用。在压力测量中，温度扰动也会限制传感器的检测精度，因此研制一种对温度不敏感的压力传感器件可以消除温度的交叉敏感问题。
光纤传感器具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、耐腐蚀等优点，已经广泛的应用于压力、温度、振动加速度、磁场、气体等多种物理量的测量。目前已经提出并通过实验证明了许多高灵敏度光纤压力传感器方案，其中大多数基于光纤布拉格光栅和法布里-珀罗干涉仪结构。对于无涂覆层的裸光纤光栅，其压力灵敏度极低，约为-3.04pm/MPa。为了克服这一固有限制，可以利用机械结构将压力对光纤的挤压作用转化为轴向应变，以提高光纤光栅的压力敏感性。可以将光纤光栅的压力灵敏度提高到100pm/kPa以上，但是受光纤光栅最大伸长率的限制，相应的测量范围减小，通常小于1MPa。
法布里-珀罗干涉仪比光纤光栅具有更高的灵敏度和测量范围，更适用于单个传感点的高精度压力。法布里-珀罗干涉仪通常采用膜片式结构，腔体端面的膜片感受压力变化。其增敏方法主要包括使用低杨氏模量材料做为膜片、使用更薄的膜片、利用游标效应等。但是低杨氏模量的聚合物材料不能用于恶劣的环境；薄膜片材的制备工艺复杂，易受环境折射率变化的影响；游标效应的使用使传感结构和系统更加复杂。因此此类传感器的压力测量范围通常小于10Mpa。
而利用毛细管封装的全光纤结构的空腔式法布里-珀罗干涉型结构，通常传感器侧面感受压力，相比于端面加压，传感器测量的压力范围可以大幅度增加，压力测量范围大于50Mpa。但是此类结构灵敏度较低，因此需要一种用于高温高压环境下具有高灵敏度的传感器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有压力光纤传感器的缺点，提供一种设计合理、结构简单、灵敏度高、操作方便的基于悬心结构增敏的法布里-珀罗干涉型全光纤压力传感器。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：基于悬心结构增敏的法布里-珀罗干涉型全光纤压力传感器，壳体内封装有光纤传感结构，用于环境温度为20℃～300℃、环境压力为0～80MPa下的压力检测，所述光纤传感结构为单模光纤的一端与毛细管的一端熔接，细径光纤的一端从毛细管的另一端插入到毛细管内与单模光纤的一端端面间隔一定距离，细径光纤外径＜毛细管内径，毛细管的另一端与细径光纤通过熔接固定，使毛细管内腔形成密封腔，细径光纤在毛细管内呈悬浮状态，毛细管内细径光纤与单模光纤的端面形成悬浮的法布里-珀罗干涉腔结构，细径光纤的另一端为斜面位于壳体腔体内，单模光纤的另一端从壳体的一端伸出到壳体外，壳体的另一端设置有与壳体内腔相连通的接头。
作为一种优选的技术方案，所述毛细管的长度L2与毛细管内细径光纤端面与单模光纤端面之间的距离L1之比为1～1000，所述毛细管的长度L2为300～10000μm。
作为一种优选的技术方案，所述单模光纤和所述毛细管的外径相同均为50～500μm，所述毛细管壁厚为1～50μm。
作为一种优选的技术方案，所述单模光纤和所述细径光纤为均石英光纤或蓝宝石光纤；所述毛细管为石英管或蓝宝石管。
作为一种优选的技术方案，所述壳体材料为316不锈钢。
作为一种优选的技术方案，所述单模光纤位于壳体端部处设置有保护套，保护套与壳体之间设置有密封圈。
本发明的有益效果如下：
本发明的光纤传感结构为单模光纤的一端与毛细管的一端熔接，细径光纤的一端从毛细管的另一端插入到毛细管内与单模光纤的一端端面间隔一定距离，细径光纤在毛细管内呈悬浮状态，毛细管内细径光纤与单模光纤的端面形成悬浮的法布里-珀罗干涉结构，通过改变毛细管长度与毛细管内细径光纤端面与单模光纤端面之间距离的比值即可改变传感器的灵敏度和量程，可以适用不同场合的监测要求，压力灵敏度随毛细管长度与细径光纤与单模光纤端面之间距离的比值增大而增加，传感器灵敏度可以增加上百倍；本发明悬浮的法布里-珀罗干涉腔结构对温度不敏感，减小温度串扰，测量精度高；本发明具有结构简单、灵敏度高、操作方便的优点，在工业自控环境中可以广泛推广使用。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2本发明实施1的压力传感器在0-80Mpa压力测试结果。
图3本发明毛细管长度L2与毛细管内细径光纤端面与单模光纤端面之间距离L1的不同比值下的压力灵敏度测试结果。
图4是本发明实施1的压力传感器在20℃-300℃的温度测试结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于下述的实施方式。
实施例1
在图1中，本实施例的基于悬心结构增敏的法布里-珀罗干涉型全光纤压力传感器由壳体1、毛细管3、细径光纤4、单模光纤2、保护套5、密封圈6连接构成。
壳体1的材料为316不锈钢，壳体1内封装有光纤传感结构，光纤传感结构为单模光纤2的一端与毛细管3的一端通过放电熔接，放电功率设置为-30bit，持续500ms，用于防止毛细管3因放电功率过高而塌陷，细径光纤4的一端从毛细管3的另一端插入到毛细管3内与单模光纤2端面之间间隔的距离为L1，细径光纤4外径＜毛细管3内径，毛细管3的另一端与细径光纤4通过放电熔接固定，使毛细管3内腔形成密封腔，细径光纤4在毛细管3内呈悬浮状态，从而使毛细管3内悬浮的细径光纤4不会受到外部环境压力的影响，毛细管3内细径光纤4端面与单模光纤2端面形成悬浮的法布里-珀罗干涉腔结构，单模光纤2的另一端从壳体1的一端伸出到壳体1外并在壳体1端口处通过高温胶固定密封，单模光纤位于壳体端部处套装有保护套5，用于防止单模光纤被折断，保护套与壳体之间安装有密封圈6，用于防止壳体内腔内的被测流体从该端流出，从而影响测量灵敏度和精准度，细径光纤4的另一端为斜面位于壳体内腔中，斜面用于消除端面反射，壳体的另一端设置有与壳体内腔相连通的接头，方便壳体与被测器件相连。
本实施例的，单模光纤2为石英光纤，外径为125μm，细径光纤4为石英光纤，外径为80μm，毛细管3为石英管，外径为125μm，壁厚为25μm，长度为1681.82μm，毛细管3的长度L2与毛细管3内细径光纤4端面与单模光纤2端面之间的距离L1之比为40:1。
检测过程中，气体或液体进入壳体内腔，将光纤传感结构完全浸没在气体或液体中从而感知气体或液体的压力，由于毛细管3内腔形成密封腔且细径光纤4在毛细管3内呈悬浮状态，整个毛细管3的应变效应即毛细管3长度L2的变化则转化为法布里-珀罗干涉腔结构的变化即细径光纤4端面与单模光纤2端面之间的距离L1的变化；因此，可以通过增加L2/L1比率来提高灵敏度，由于应变集中效应，悬浮的法布里-珀罗干涉腔结构表现出显著改善的应变响应。这种将法布里-珀罗干涉腔悬浮的方式可以广泛用于提高所有光纤法布里-珀罗干涉腔的应变敏感性。
实施例2
在本实施例中，光纤传感结构为单模光纤2的一端与毛细管3的一端通过放电熔接，细径光纤4的一端从毛细管3的另一端插入到毛细管3内与单模光纤2端面之间间隔的距离为L1，细径光纤4外径＜毛细管3内径，毛细管3的另一端与细径光纤4通过放电熔接固定，使毛细管3内腔形成密封腔，细径光纤4在毛细管3内呈悬浮状态，毛细管3内细径光纤4端面与单模光纤2端面形成悬浮的法布里-珀罗干涉腔结构。单模光纤2为石英光纤，外径为50μm，细径光纤4为石英光纤，外径为30μm，毛细管3为石英管，外径为50μm，壁厚为5μm，长度为300μm，毛细管3的长度L2与毛细管3内细径光纤4端面与单模光纤2端面之间的距离L1之比为10:1。其他零部件及零部件的连接关系与实施例1相同。
实施例3
在本实施例中，光纤传感结构为单模光纤2的一端与毛细管3的一端通过放电熔接，细径光纤4的一端从毛细管3的另一端插入到毛细管3内与单模光纤2端面之间间隔的距离为L1，细径光纤4外径＜毛细管3内径，毛细管3的另一端与细径光纤4通过放电熔接固定，使毛细管3内腔形成密封腔，细径光纤4在毛细管3内呈悬浮状态，毛细管3内细径光纤4端面与单模光纤2端面形成悬浮的法布里-珀罗干涉腔结构。单模光纤2为蓝宝石光纤，外径为500μm，细径光纤4为蓝宝石光纤，外径为200μm，毛细管3为蓝宝石管，外径为500μm，壁厚为50μm，长度为10000μm，毛细管3的长度L2与毛细管3内细径光纤4端面与单模光纤2端面之间的距离L1之比为1000:1。其他零部件及零部件的连接关系与实施例1相同。
为了验证本发明的有益效果，发明人进行了如下测试试验，试验情况如下：
试验1
为了验证在高压下，本发明的压力传感器具有高灵敏度。
一、测试仪器
压力校验装置：压力泵(ConST137A，0-260MPa，液压，北京康斯特)，标准压力校验器(ConST211，0–160MPa，精度：0.02％，液压，北京康斯特)。
光纤光栅解调仪：Micron Optics公司的Si255(Micron Optics，SI255，1460nm–1620nm，以1kHz运行，重复性为1pm)。
二、实验设计与结果分析
采用校准精度为0.02％、压力范围为0Mpa至100Mpa的压力校验器进行压力泵油压压力初步测量，本发明实施例1的压力传感器与压力泵连接，压力计中的光纤尾端直接连接到Si255光纤解调仪上，通过压力泵增压降压，观察并记录反射光谱。
本次压力测量范围为0-80Mpa，每10Mpa记录一次传感器波长变化量，重复进行三次升压和降压的往返测试，测试结果如图2所示，横轴为压力值，纵轴为波长绝对变化值，当液压从0逐渐增加到80MPa时，压力灵敏度为1339.48pm/MPa，压差线性为99.99％。
试验2
为了验证本发明压力传感器中通过改变毛细管3长度L2与毛细管3内细径光纤4端面与单模光纤2端面之间距离L1的比值即可改变压力传感器的灵敏度，发明人进行了灵敏度测试实验，发明人将毛细管3长度L2与毛细管3内细径光纤4端面与单模光纤2端面之间距离L1的比值从13.4增加到114.6分别进行灵敏度检测，灵敏度从361.41pm/MPa增加到2975.21pm/MPa，如图3。即验证了在制备传感器时，可以通过调整L2/L1的值来控制传感器灵敏度，L2/L1的值越大灵敏度越高。
试验3
为了验证本发明压力传感器的悬浮的法布里-珀罗干涉腔结构对温度不敏感，发明人在实施例1的传感器上串联光纤光栅作为温度校准，将温度从20℃逐渐升高到300℃进行测试，结果如图4，悬浮的法布里-珀罗干涉腔结构的温度灵敏度仅为1.77pm/℃，温度-压力串扰为0.0011MPa/℃，光纤光栅的温度灵敏度为10.5pm/℃。因此，本发明压力传感器对温度不敏感，温度串扰小，测量精度高。
Claims (6)
1.基于悬心结构增敏的法布里-珀罗干涉型全光纤压力传感器，壳体内封装有光纤传感结构，用于环境温度为20℃～300℃、环境压力为0～80MPa下的压力检测，其特征在于：所述光纤传感结构为单模光纤的一端与毛细管的一端熔接，细径光纤的一端从毛细管的另一端插入到毛细管内与单模光纤的一端端面间隔一定距离，细径光纤外径＜毛细管内径，毛细管的另一端与细径光纤通过熔接固定，使毛细管内腔形成密封腔，细径光纤在毛细管内呈悬浮状态，毛细管内细径光纤与单模光纤的端面形成悬浮的法布里-珀罗干涉腔结构，细径光纤的另一端为斜面位于壳体腔体内，单模光纤的另一端从壳体的一端伸出到壳体外，壳体的另一端设置有与壳体内腔相连通的接头。
2.根据权利要求1所述基于悬心结构增敏的法布里-珀罗干涉型全光纤压力传感器，其特征在于：所述毛细管的长度L2与毛细管内细径光纤端面与单模光纤端面之间的距离L1之比为1～1000，所述毛细管的长度L2为300～10000μm。
3.根据权利要求1或2所述基于悬心结构增敏的法布里-珀罗干涉型全光纤压力传感器，其特征在于：所述单模光纤和所述毛细管的外径相同均为50～500μm，所述毛细管壁厚为1～50μm。
4.根据权利要求1所述基于悬心结构增敏的法布里-珀罗干涉型全光纤压力传感器，其特征在于：所述单模光纤和所述细径光纤为均石英光纤或蓝宝石光纤；所述毛细管为石英管或蓝宝石管。
5.根据权利要求1所述基于悬心结构增敏的法布里-珀罗干涉型全光纤压力传感器，其特征在于：所述壳体材料为316不锈钢。
6.根据权利要求1所述基于悬心结构增敏的法布里-珀罗干涉型全光纤压力传感器，其特征在于：所述单模光纤位于壳体端部处设置有保护套，保护套与壳体之间设置有密封圈。
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