CN206876317U - 一种全光纤高灵敏压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种全光纤高灵敏压力传感器，包括多模光纤和第一单模光纤，所述多模光纤的一个端面带有凹槽，多模光纤带有凹槽的端面与第一单模光纤的一个端面对接形成F‑P腔，所述多模光纤和第一单模光纤的包层外径相同，所述包层外径为300um‑420um；第一单模光纤的另一端面与第二单模光纤连接，且第一单模光纤与第二单模光纤的模场相匹配。本实用新型的压力传感器灵敏度较高，体积较小、结构简单且坚固，易封装等优势。
Description
技术领域
本实用新型属于光纤传感器技术领域，尤其涉及一种全光纤高灵敏的压力传感器。
背景技术
近年来航空航天领域的气压检测精准度要求与耐高温要求越发提高，智能化油井的建设也越来越受到重视。光纤传感器具有灵敏度高，体积小，电绝缘性好，耐高温，抗电磁干扰，频带宽，可实现不带电的全光性探头等优点。在航空航天领域，气密性要求极高，且温度很高，油井的测量中也是需要承受高温、高压、腐蚀等恶劣环境。传统的电子应变片无法长时间于上述条件工作，光纤传感器逐渐成为恶劣环境下高灵敏度测量的选择。
自20世纪70年代，人们就对光纤传感器做了许多研究。逐渐形成了光纤陀螺，光时域反射计，光纤光栅，光纤水听器，全光纤分布式系统等相关技术。在应变以及压力等领域，光纤F-P腔表现出巨大的应用前景。
目前，基于F-P应变计的压力传感器的制作工艺，有基于MAMS制作的方法以及于普通单模光纤直接刻蚀微型槽焊接膜片等方法。上述工艺中，MAMS无法保证良好的气密性且结构复杂；普通单模光纤刻蚀微型槽焊接膜片方式腔体较小，结构坚固性与灵敏度有待提高。
实用新型内容
本实用新型的目的在于解决上述问题，提供一种高灵敏度的全光纤压力传感器。
本实用新型的目的是这样实现的，一种全光纤高灵敏压力传感器，包括多模光纤和第一单模光纤，所述多模光纤的一个端面带有凹槽，多模光纤带有凹槽的端面与第一单模光纤的一个端面对接形成F-P腔，所述多模光纤和第一单模光纤的包层外径相同，且所述包层外径为300um-420um。
进一步的，所述第一单模光纤的另一端面与第二单模光纤连接，且第一单模光纤的芯径与第二单模光纤相同，以实现第一单模光纤与第二单模光纤的模场相匹配。
进一步的，所述第二单模光纤为普通单模导光光纤，其包层外径小于第一单模光纤。
进一步的，所述多模光纤包括两种尺寸结构，一种为：芯径为280um，包层外径为300um，另一种为：芯径为400um，包层外径为420um。
进一步的，所述多模光纤的凹槽底部构成压力膜片，所述压力膜片厚度为15-30um。
进一步的，所述第二单模光纤另一端与相位解调仪相连接，从而实现对压力传感器信号的解调。
相对于现有技术，本实用新型的有益效果体现在：本实用新型的全光纤高灵敏压力传感器采用全光纤一体化制作，并且采用较大直径的单模光纤以及多模光纤对接形成F-P腔，所形成的F-P腔的体积较大，极大的提高了传感器的灵敏度，并且所构成的传感器结构简单、坚固，易封装，具有高密闭性等优势，有利于推广使用。
附图说明
图1为本实用新型实施例的全光纤高灵敏压力传感器的结构示意图；
图2为本实用新型实施例的全光纤高灵敏压力传感器受力状态示意图；
图3为本发明实施例的F-P腔相位输出与FBG温度传感器的波长输出在高温炉内升温得到的对应图；
图4为本发明实施例中实际测量压力与F-P腔相位变化曲线。
附图标记
1.多模光纤，11.膜片支撑壁，12.F-P腔，13.压力膜片，2.第一单模光纤，21.第一单模光纤纤芯，3.第二单模光纤，31.第二单模光纤纤芯。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
参阅图1-4，本实用新型的实施例如下：
一种全光纤高灵敏压力传感器，包括多模光纤1和第一单模光纤2，所述多模光纤的一个端面带有凹槽，多模光纤带有凹槽的端面与第一单模光纤的一个端面对接形成F-P腔12，所述多模光纤和第一单模光纤的包层外径相同，且所述包层外径为300um-420um；多模光纤和第一单模光纤的包层外径相同并且均采用远大于普通光纤(一般为125um或140um)的包层外径尺寸有利于在多模光纤上开设较大的凹槽，从而实现所形成的F-P腔具有较大的体积，F-P腔体积的增大有助于提高所构成的压力传感器的灵敏度。
作为一种具体的优选实施例，所述多模光纤一端切平，另一端刻蚀凹槽，所述凹槽为筒状，筒状凹槽直径大小可以依据实际需要进行调节；多模光纤刻蚀凹槽的端面与第一单模光纤对接形成F-P腔；进一步的，如图1所示，所述带有凹槽的多模光纤包括由凹槽底部构成的压力膜片13以及膜片支撑壁11，压力膜片13的厚度可依据设计需要通过激光切割刀切出，作为优选的，所述压力膜片的厚度为15-30um。
作为优选的实施方案，所述第一单模光纤的另一端面与第二单模光纤3连接，所述第二单模光纤纤芯31的芯径与第一单模光纤纤芯21的芯径相同，以实现第一单模光纤与第二单模光纤的模场相匹配，所述第二单模光纤为普通单模导光光纤，其包层外径小于第一单模光纤的包层外径，作为具体的，第二单模光纤可采用9um的芯径，包层外径为125um或者140um。此外，由于本实用新型采用的多模光纤的包层外径较大，因此，将第一单模光纤的包层外径设置为与所述多模光纤相同，有利于多模光纤带有凹槽的端面与第一单模光纤实现良好熔接形成较大尺寸的F-P腔，同时还保证了所形成F-P腔的密闭性。
作为一种具体的实施方案，所述多模光纤的尺寸结构为：芯径为280um，包层外径为300um，对应的第一单模光纤的芯径为9um，包层外径为300um。
作为一种具体的实施方案，所述多模光纤的尺寸结构为：芯径为400um，包层外径为420um，对应的第一单模光纤的芯径为9um，包层外径为420um。
作为优选的，所述第二单模光纤另一端与相位解调仪相连接，从而实现对压力传感器信号的解调。
参阅图2，本实用新型的全光纤高灵敏压力传感器在受到外界压力F变化时，一方面在压力膜片处受压力产生形变，使压力膜片向腔体内方向存在位移，使腔长变短；另一方面腔体四周会受到压力的影响使腔长变长。
本实用新型压力传感器的压力膜片属于周边固支的圆形平膜片，在设计计算中采用以下假设：(1)平膜片的最大扰度不超过膜片厚度的1/3；(2)压力是均匀作用于平膜片表面的。在以上假设条件下，计算得：
平膜片的扰度为：
r＝0处的最大扰度为
本实用新型压力传感器的F-P腔的腔壁(即上述的膜片支撑壁)构成筒式弹性应变元件，因此，只考虑腔壁受到压力，计算其由压力导致腔长变化为：
综上所述，本实用新型压力传感器的F-P腔的腔长随压力的变化为：
其中E是杨氏弹性模量，μ是泊松比，L是F-P腔的腔长，h是压力膜片的厚度，R是F-P腔孔半径，R0是光纤半径，p是所受压强，ΔL是F-P腔的腔长变化量。
已知F-P腔相位与腔长的关系式为：
此处，n为腔内空气折射率，l为F-P腔的腔长，λ是自由空间中光波长。
压力使F-P腔的腔长发生变化，体现于解调仪上F-P腔的相位变化，由解调仪的相位变化最后反推出所受压力变化。
在压力测量中，可能存在环境温度的变化，温度变化也会导致F-P腔相位的输出，可以通过光纤光栅测得温度变化，温度与光栅波长的变化如下：Δλ＝(a+ξ)λΔT
其中，a为光纤的热膨胀系数，ξ为光纤的热光系数，λ为波长，Δλ为波长的变化，ΔT为温度的变化。
如图3所示，为F-P腔相位输出与FBG温度传感器在高温炉内升温得到的对应图。从图中可知，F-P腔由温度引起的相位输出与FBG温度传感器的波长输出基本成正比且线性度良好，所以在测量过程中，通过检测FBG温度传感器的输出可得到对应由温度引起的F-P腔的相位输出，F-P腔的总输出减去由温度引起的输出即得到压力对应的输出。
进一步的，将本实用新型的压力传感器输出端连接高速相位解调仪，进行压力传感器的动态压力测试。压力传感器置于具有读数的压力泵中，持续于测量范围内施加压力，可得压力与F-P腔相位变化，完成标定。如图4所示，为常温下在3MPa的测量范围内实际所受压力与压力传感器相位输出的数据。从图中可知，压力传感器的相位输出与实际所受压力值基本成正比且线性度良好。实际应用中实时减去由温度产生的相位变化，即可得实际压力变化。
本实用新型的另一目的在于，提供一种全光纤高灵敏压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1.将一段多模光纤的一端利用光纤切割刀切出平端面，另一端刻蚀凹槽；
S2.将步骤S1中所得的多模光纤的凹槽端面与第一单模光纤进行熔接，形成F-P腔。
作为优选的，所述步骤S1中采用157nm准分子激光器进行凹槽的刻蚀。
作为优选的，所述步骤S2还包括，将所述第一单模光纤的另一端熔接第二单模光纤。
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种全光纤高灵敏压力传感器，其特征在于，包括多模光纤和第一单模光纤，所述多模光纤的一个端面带有凹槽，多模光纤带有凹槽的端面与第一单模光纤的一个端面对接形成F-P腔，所述多模光纤和第一单模光纤的包层外径相同，且所述包层外径为300um-420um。
2.根据权利要求1所述的全光纤高灵敏压力传感器，其特征在于，所述第一单模光纤的另一端面与第二单模光纤连接，且第一单模光纤的芯径与第二单模光纤相同，以实现第一单模光纤与第二单模光纤的模场相匹配。
3.根据权利要求2所述的全光纤高灵敏压力传感器，其特征在于，所述第二单模光纤为普通单模导光光纤，其包层外径小于第一单模光纤。
4.根据权利要求1-3任一项所述的全光纤高灵敏压力传感器，其特征在于，所述多模光纤包括两种尺寸结构，一种为：芯径为280um，包层外径为300um，另一种为：芯径为400um，包层外径为420um。
5.根据权利要求1所述的全光纤高灵敏压力传感器，其特征在于，所述多模光纤的凹槽底部构成压力膜片，所述压力膜片厚度为15-30um。
6.根据权利要求3所述的全光纤高灵敏压力传感器，其特征在于，所述第二单模光纤的另一端与相位解调仪相连接。
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Cited By (5)
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|---|---|---|---|---|
| CN108507697A (zh) * | 2018-02-28 | 2018-09-07 | 华北电力大学（保定） | 一种基于光纤传感的海水温深剖面测量系统 |
| CN108759997A (zh) * | 2018-07-18 | 2018-11-06 | 武汉理工大学 | 一种用于石化传送皮带称重的光纤传感系统及其监测方法 |
| CN109682513A (zh) * | 2018-12-27 | 2019-04-26 | 北京信息科技大学 | 一种基于侧抛式全光纤f-p结构的压力检测方法 |
| CN112798289A (zh) * | 2020-12-21 | 2021-05-14 | 中国船舶重工集团公司第七一一研究所 | 用于内燃机缸内压力测试的传感器及其制造方法 |
| CN113143231A (zh) * | 2021-04-19 | 2021-07-23 | 武汉理工大学 | 一种人体有创压力温度多参量实时光纤检测方法与系统 |
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Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108507697A (zh) * | 2018-02-28 | 2018-09-07 | 华北电力大学（保定） | 一种基于光纤传感的海水温深剖面测量系统 |
| CN108759997A (zh) * | 2018-07-18 | 2018-11-06 | 武汉理工大学 | 一种用于石化传送皮带称重的光纤传感系统及其监测方法 |
| CN109682513A (zh) * | 2018-12-27 | 2019-04-26 | 北京信息科技大学 | 一种基于侧抛式全光纤f-p结构的压力检测方法 |
| CN109682513B (zh) * | 2018-12-27 | 2021-07-13 | 北京信息科技大学 | 一种基于侧抛式全光纤f-p结构的压力检测方法 |
| CN112798289A (zh) * | 2020-12-21 | 2021-05-14 | 中国船舶重工集团公司第七一一研究所 | 用于内燃机缸内压力测试的传感器及其制造方法 |
| CN112798289B (zh) * | 2020-12-21 | 2024-02-09 | 中国船舶集团有限公司第七一一研究所 | 用于内燃机缸内压力测试的传感器及其制造方法 |
| CN113143231A (zh) * | 2021-04-19 | 2021-07-23 | 武汉理工大学 | 一种人体有创压力温度多参量实时光纤检测方法与系统 |
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