CN1632487A - 一种微型压力传感器及其制备方法 - Google Patents

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姜德生
何伟
王昌
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Wuhan University of Technology WUT
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    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02295—Microstructured optical fibre
    • G02B6/02314—Plurality of longitudinal structures extending along optical fibre axis, e.g. holes
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    • G02B6/02323—Core having lower refractive index than cladding, e.g. photonic band gap guiding
    • G02B6/02328—Hollow or gas filled core

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Abstract

一种微型压力传感器，包括光纤布喇格光栅和压力形变体，光纤布喇格光栅和压力形变体柔性地连接在一起，其制备方法如下：根据待测情况，进行形变体的尺寸设计；计算柔性铰链和弹片设计参数；加工形变体；将光栅固定在形变体侧面。当本发明的弹片受到的横向压力时产生形变，弹片的活动端点顶到FBG的中心点，由于FBG的两端固定在刚性薄片上，从而使FBG沿纵向产生张力，这样就将作用于光纤横向的压力转化为垂直于压力方向的作用力，这个作用力施加于FBG造成其产生纵向的应变，引起FBG反射波长变化，使得受到的横向压力和光栅的反射波长之间发生关系，最终达到测量的目的。本发明具有分辩率高、重复性好、响应时间短、测量范围大、器件小型化等特点，适用于各种需要压力测量尤其是对传感器尺寸和结构有苛刻要求的应用环境。

Description

一种微型压力传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于传感技术领域，具体是一种可置于小尺寸空间里对作用于光纤布喇格光栅横向的压力进行测量的微型压力传感器及其制备方法。
背景技术
压力是一个表征物体状态的重要的物理参数，它的测量涉及到工农业生产，经济建设的各个方面。压力传感器是一种应用范围很广，需求非常量大的传感器，具有十分广泛和重要的应用前景。随着科学技术的发展，人们对压力的测量也提出了精度高、响应快、寿命长等要求。
光纤光栅传感器是近十多年发展起来的一种新型传感器，由于其独特的优点而受到广泛地关注，并得到快速地发展。光纤光栅可分为光纤布喇格光栅(Fiber Bragg Grating，简称FBG)和长周期光纤光栅(Long Period Fiber Grating，简称LPFG)。FBG是一种光纤纤芯折射率沿光纤轴向受到周期性调制的光纤内器件，它能够选择性地将入射的宽带光中某一窄带波长光耦合成反向，形成反射，窄带反射光的中心波长称之为布喇格波长。布喇格波长由光栅常数(光栅的有效折射率和光栅条纹周期)决定，而光栅常数对光栅处光纤的应变变化和温度变化敏感，通过检测光栅反射的布喇格波长就可以知道光栅处光纤的应变和温度情况，所以可以将FBG用于应变传感和温度传感。由于FBG传感器是利用波长信号进行测量，因此除了具有传统光纤传感器的本质安全、抗电磁干扰、抗腐蚀、传输距离长、体积小、重量轻等优点外，还具有以下独特的优点：
(1)测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响，而光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响是传统的“光强型”光纤传感器难以克服的；
(2)避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固有参考点的需要，而相位测量的不清晰和对固有参考点的需要是传统的“干涉型”光纤传感器固有的弱点；
(3)可方便地使用波分复用技术在一根光纤中串接多个布喇格光栅进行分布式测量，这是传统的光纤传感器不能实现的。
所以光纤光栅传感器测量精度更高、长期稳定性更好、适用范围更广。
用FBG制作压力传感器一般是将FBG和压力形变体刚性地固定在一起(将FBG贴在压力形变体表面或埋进压力形变体内)，使压力形变体的形变能有效地转变成FBG的应变，当压力作用于压力形变体之上时，压力形变体发生变形，从而引起FBG的应变变化，这样光栅反射光的布喇格波长发生变化，通过检测光栅反射的布喇格波长就可以知道压力情况。例如，有一种方法是采用将FBG封装于聚合物基底中，聚合物做成10*15*50mm的长方体形装，FBG位于聚合物基底中央，利用聚合物放大外界对光栅的作用力，从而改善了光栅的压力灵敏系数，可以制作出对高灵敏度的压力传感器。但是由于这种压力传感器是利用FBG的纵向应变特性来测量压力的，因此这种传感器在厚度尺寸(压力方向)上不可能做得很小，从而限制了这种传感器在特殊场合的应用。
在许多应用场合都需要测量作用于光纤横向的压力，因为只有这样才能将传感器厚度尺寸(压力方向)做得很小(百微米量级)，从而可以将其置于很小的空间对压力进行测量。但是直接用FBG测量作用于光纤横向的压力很困难，这主要是因为FBG对横向应变不敏感，裸FBG在70MPa的压强下，波长移动仅为0.22nm，这样就很难获得很高的测量分辨率。
针对这种现象，有人提出利用FBG的双折射效应来研制压力传感器。这种测量的原理是：当FBG受到横向压力时，会产生双折射效应，双折射效应导致光谱中的模式分离，并且分离模式之间的波长间隔和光纤所受到的横向压力有关。用这种方法可以测量直接施加在光纤横向的压力。但是由于FBG的双折射偏振分离间距比较小，这就给解调带来了很大的难度。有一些研究者提出用LPFG研制压力传感器，用于光纤横向压力的测量。因为LPFG的双折射特性对横向压力比较敏感，它的双折射偏振分离波长间距为FBG的数百倍。但是目前LPFG的信号不稳定，而且LPFG透射谱线带宽比较宽，因此测量精度很难提高。另外采用双折射效应制作传感器，整个传感系统的复杂性提高，器件成本也大幅提高。目前这方面的研究还处于实验室研究阶段，并没有相应的产品开发和应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于：提供一种可以测量FBG的横向压力，重量轻，尺寸小的微型压力传感器及其制备方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：一种微型压力传感器，包括光纤布喇格光栅(FBG)和压力形变体，光纤布喇格光栅(FBG)和压力形变体柔性地连接在一起。
压力形变体由一个刚性薄片、凸起的弹片和柔性铰链组成，凸起的弹片一端通过柔性铰链与刚性薄片中间连接，其另一活动端点则与光纤布喇格光栅(FBG)中心点连接，光纤布喇格光栅(FBG)的两端固定在刚性薄片上。
一种微型压力传感器的制备方法，以下是简要步骤：
1、根据待测情况，进行形变体的尺寸设计
2、计算柔性铰链和弹片设计参数
3、加工形变体
4、将光栅固定在形变体侧面
5、进行加压实验，优化调试器件
6、标定工作曲线
当弹片受到的横向压力时，弹片产生形变，弹片的活动端点顶到FBG的中心点，由于FBG的两端固定在刚性薄片上，从而使FBG沿纵向产生张力，这样就将作用于光纤横向的压力转化为垂直于压力方向的作用力，这个作用力施加于FBG造成其产生纵向的应变，引起FBG反射波长变化，使得受到的横向压力和光栅的反射波长之间发生关系，最终达到测量的目的。在弹片结构中我们引入柔性铰链结构，柔性铰链是一种简单、可靠而灵巧的机械结构，具有类似于普通铰链功能，既可以提供位移又可按杠杆式放大或缩小位移，能较好地解决普通弹片回复性差，位移分辨率低的问题。由于可以对FBG的横向压力进行测量，所以整个传感器的可以制作成厚度只有数百微米，宽度只有几十毫米的微型器件。
本发明具有分辩率高、重复性好、响应时间短、测量范围大、器件小型化等特点，适用于各种需要压力测量尤其是对传感器尺寸和结构有苛刻要求的应用环境。
附图说明
图1为本发明应用于压力传感器测量系统示意图
图2为本发明结构示意图
图3为本发明截面示意图
图中，
1-光源；2-解调装置；3-3dB耦合器；4-压力传感探头；
5-连接光纤；  6-布喇格光栅
6-布喇格光栅；7-弹片；  8-柔性铰链结构；9-刚性薄片
具体实施方式
如图2、3所示，弹片7、柔性铰链8和刚性薄片9组成形变体，光纤布喇格光栅(FBG)6两端紧密粘贴在刚性薄片9侧面，中间部分则和弹片7固定在一起；刚性薄片9的中间部分弹片7弯成一个弧形，当弹片7突起部分受到横向压力时，弹片7便会变形伸直，弹片7的活动端侧向顶到FBG6中心，从而使其沿纵向产生张力，这样就将光纤横向压力有效转化为垂直于压力方向的作用力，这个作用力施加于FBG6造成其产生纵向的应变，使得FBG6的反射波长移动，通过检测波长变化便可以知道所受到的压力状况。传感探头4中可布置FBG6，光源1整个传感系统提供光波。光源1通过Y型分路器3将光耦合入布喇格光栅，Y型分路器3的另一个分路端口连接解调装置2，5为连接光纤。
下面对本发明中的传感和结构原理做简单介绍。
FBG的传感原理：由耦合模理论可知，光纤FBG可将其中传输的一个导模耦合到另一个沿相反方向传输的导模而形成窄带反射，峰值反射波长(Bragg波长)为：
λB＝2neffΛ    (1)
式(1)中neff为导模的有效折射率，Λ为光栅周期。
由式(1)可知，Bragg波长是随neff和Λ而改变的。当光栅所处的外界环境发生变化时，可能导致光纤光栅本身的温度、应力应变、压力等发生变化，当光纤光栅只受应变ε作用时，其中心反射波长的相对变化为
ΔλB/λB＝(1-Pe)ε    (2)
式中Pe＝n[P11-ν(P11+P12)/2为有效弹光系数，P11、P12为弹光系数，ν为纤芯材料的泊松比，ε为外力产生的轴向应变量。
由(2)式可知，当FBG发生轴向应变时，将引起光栅的布喇格波长变化，我们利用此关系对待测量进行测量。
作为一种新型的FBG微型压力传感器，它的主要特征是采用一种特殊设计的压力转化装置，使得我们可以实现对作用于光纤横向的压力进行测量。由于是测量光纤横向的压力，所以进行压力转化的形变体的厚度(压力方向)非常小，在这么小的尺度上，如何加工出有效的进行压力转化的形变体，并保证其工作的重复、稳定，这些是整个传感器研制过程的主要问题。因此，首先我们先要了解待测情况，然后根据实际测量情况和测量范围设计形变体的形状尺寸和弹片的参数。接着为了保证测量过程中形变体的工作性能，我们将弹片的一端和刚性薄片用柔性铰链连接起来，这样可以提高弹片的回复性，保证弹片工作稳定、重复。在加工好形变体之后，将FBG固定在形变体的侧面，这个过程必须保证两者之间在一个平面内，平行、紧密地连接。这样就完成了压力传感器的初步设计和制作，在此基础上我们就对压力传感器进行反复的加压实验，在不断的实验过程中，对传感器的一些参数进行调试优化；最后完成FBG微型压力传感器的标定，应用。
以下是生产的简要步骤：1、根据待测情况，进行形变体的尺寸设计；2、计算柔性铰链和弹片设计参数；3、加工形变体；4、将光栅固定在形变体侧面；5、进行加压实验，优化调试器件；标定工作曲线。

Claims (3)

1、一种微型压力传感器，包括光纤布喇格光栅和压力形变体，其特征在于将光纤布喇格光栅和压力形变体柔性地连接在一起。
2、如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于所述的压力形变体由一个刚性薄片、凸起的弹片和柔性铰链组成，凸起的弹片一端通过柔性铰链与刚性薄片中间连接，其另一活动端点则与光纤布喇格光栅中心点连接，光纤布喇格光栅的两端固定在刚性薄片上。
3、一种生产如权利要求1所述微型压力感器的生产方法，其特征在于：其步骤如下：
A：据待测情况，进行形变体的尺寸设计
B：算柔性铰链和弹片设计参数
C：形变体
D：光栅固定在形变体侧面
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