CN210464755U - 光纤压力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了光纤压力传感器，包括顶部安装有感应芯片的传感器探头，以及用于封装所述传感器探头的封装机构，所述封装机构包括封装壳体，所述封装壳体内设有可容纳所述传感器探头的探头容纳腔，所述封装壳体顶部开设有与所述探头容纳腔连通的开口部，所述传感器探头可自所述开口部穿入所述探头容纳腔，所述探头容纳腔与所述传感器探头之间设有用于密封二者间间隙的阻尼部件，所述开口部安装有弹性挡圈，所述弹性挡圈抵接所述传感器探头顶面以固定所述探头容纳腔与所述传感器探头间的相对位置。该光纤压力传感器设有用于保护传感器探头的封装机构，特别适合深海、腐蚀等恶劣环境。且其结构易于装卸，可方便传感器探头的封装和拆卸检修。

Description

光纤压力传感器

技术领域

本实用新型属于压力传感器技术领域，具体涉及光纤压力传感器。

背景技术

海洋深度的测量技术是海洋科学研究和深海资源开发不可缺少的基础，深度测量是通过测量海水压力获得的，其测量性能直接决定了海洋要素观测层次的定位精度。光纤压力传感器用作海洋压力传感器可克服传统电子压力传感器在恶劣复杂海洋环境中应用中易进水短路，易受地下电磁环境干扰，以及测量量程及分辨率不足等问题，能够保证海洋压力监测的可靠性和永久性，同时具有灵敏度高、体积小、结构简单、抗干扰能力强等优点。

光纤压力传感器中应用较为广泛的光纤法珀压力传感器通常由光纤端面和膜片端面构成法珀微谐振腔，当压力作用在膜片上将使得膜片变形，进而引起腔长发生变化，计算腔长的变化量从而测出压力的大小。

现有专利多针对光纤法珀压力传感器的研发改进多针对传感器探头结构，如中国专利CN107063554A公开了一种传感器结构，玻璃基底与传感器体通过阳极键合的方式连接为一体；玻璃毛细管贴合在玻璃基底底面，并通过激光焊接的方式连接。该专利仅公开了传感器探头的改进方案，但是光纤压力传感器实际应用到海洋环境还需要对传感器探头进行封装，现有技术缺乏对传感器探头的封装结构和封装方法的研究，且采用常规的封装手段对传感器探头进行封装，封装过程复杂，且封装后不方便对传感器探头进行拆卸检修。

发明内容

针对现有技术不足，本实用新型要解决的技术问题是，提供光纤压力传感器，该光纤压力传感器设有用于保护传感器探头的封装机构，可克服光纤传感器探头在实际环境应用中脆弱的问题和水下环境使用中的密封问题，传感器探头与封装机构间易于装卸，可方便传感器探头的封装和拆卸检修。

为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种光纤压力传感器，包括顶部安装有感应芯片的传感器探头，以及用于封装所述传感器探头的封装机构，所述封装机构包括封装壳体，所述封装壳体内设有可容纳所述传感器探头的探头容纳腔，所述封装壳体顶部开设有与所述探头容纳腔连通的开口部，所述传感器探头可自所述开口部穿入所述探头容纳腔，所述探头容纳腔与所述传感器探头之间设有用于密封二者间间隙的阻尼部件，所述开口部安装有弹性挡圈，所述弹性挡圈抵接所述传感器探头顶面以固定所述探头容纳腔与所述传感器探头间的相对位置。

作为优选，所述传感器探头包括上表面安装有感应芯片的基座，以及信号连接所述感应芯片的光纤，所述光纤自所述基座底面穿出且向下延伸。

作为优选，所述探头容纳腔包括用于容纳所述基座的基座容纳腔，以及用于穿设所述光纤的光纤插孔，所述光纤插孔的上端口开设于所述基座容纳腔底面，所述光纤自所述光纤插孔下端口穿出所述封装机构。

作为优选，所述阻尼部件包括固定安装在所述基座容纳腔内侧壁上的橡胶密封圈，所述橡胶密封圈套设在所述基座外侧壁上，所述橡胶密封圈紧压于所述基座容纳腔内侧壁和所述基座之间以密封二者间间隙。

作为优选，所述基座形状为上表面直径大，下表面直径小的倒圆台体。

作为优选，所述基座容纳腔内侧壁开设有用于安装所述橡胶密封圈的环形槽，所述基座底面与所述基座容纳腔底面相贴合。

作为优选，所述基座容纳腔内侧壁的表面粗糙度小于与或等于 1.6，所述基座外侧壁的表面粗糙度小于与或等于1.6。

作为优选，所述基座为高硼硅基座，所述基座上表面开设有用于安装感应芯片的芯片安装槽，所述感应芯片通过静电键合技术粘连在所述芯片安装槽，所述安装槽底部开设有通孔，所述光纤上端固定连接所述通孔的下端口，所述光纤上端外套设有用于密封所述光纤和所述通孔下端口间间隙的毛细玻璃管，所述毛细玻璃管通过激光焊接固定安装于所述通孔内。

作为优选，所述感应芯片包括设于上部的受力硅膜片，所述受力硅膜片底面设有凹槽，所述凹槽表面镀有高反射膜，所述受力硅膜片底面通过阳极键合技术与pyrex玻璃片结合为一体以形成法珀腔。

作为优选，所述开口部内侧壁设有挡圈安装槽，所述弹性挡圈卡设于所述挡圈安装槽中。

作为优选，所述封装壳体外壁设有分别与压力源接口螺纹结构和与搭载设备接口螺纹结构相适配的螺纹连接结构。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果在于：提供了光纤压力传感器，该光纤压力传感器设有用于保护传感器探头的封装机构，可克服光纤传感器探头在实际环境应用中脆弱的问题和水下环境使用中的密封问题，传感器探头与封装机构间易于装卸，可方便传感器探头的封装和拆卸检修。

附图说明

图1为本实用新型的光纤压力传感器结构示意图；

图2为图1的A部分放大图；

图3为本实用新型的传感器探头结构示意图；

图4为本实用新型的感应芯片结构示意图；

图5为本实用新型的封装壳体结构示意图；

以上个图中：1-封装壳体，11-基座容纳腔，111-环形槽，12- 光纤插孔，13-开口部，131-挡圈安装槽，2-橡胶密封圈，3-弹性挡圈，4-感应芯片，41-受力硅膜片，411-凹槽，412-高反射膜，42-pyrex 玻璃片，5-基座，51-芯片安装槽，52-通孔，6-毛细玻璃管，7-光纤。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本实用新型进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

实施例：

一种光纤压力传感器，包括顶部安装有感应芯片4的传感器探头，以及用于封装所述传感器探头的封装机构，所述封装机构包括封装壳体1，所述封装壳体1内设有可容纳所述传感器探头的探头容纳腔，所述封装壳体1顶部开设有与所述探头容纳腔连通的开口部13，所述传感器探头可自所述开口部13穿入所述探头容纳腔，所述探头容纳腔与所述传感器探头之间设有用于密封二者间间隙的阻尼部件，所述开口部安装有弹性挡圈3，所述弹性挡圈3抵接所述传感器探头顶面以固定所述探头容纳腔与所述传感器探头间的相对位置。

本实施例的光纤压力传感器设有封装机构，可在海洋等恶劣的使用环境下保护传感器探头，以克服光纤传感器探头在实际环境应用中脆弱的问题和海水环境下密封问题，且采用上述光纤压力传感器，在装置装配过程中，所述传感器探头可自所述封装壳体1顶部的开口部 13穿入所述探头容纳腔中，并通过设于所述探头容纳腔内的阻尼部件阻断外界液体进入壳体内部，弹性挡圈设于容纳腔开口部13处抵接传感器探头顶部以阻挡所述传感器探头自所述开口部脱出，实现探头容纳腔与传感探头的相对位置固定，即可完成传感器探头与封装壳体的装配，实现传感器探头封装，采用上述封装方式，传感器探头与封装机构间易于装卸，可方便传感器探头的封装和拆卸检修。

具体的，所述传感器探头包括上表面安装有感应芯片4的基座5，以及信号连接所述感应芯片4的光纤7，所述光纤7自所述基座5底面穿出且向下延伸。

具体的，所述探头容纳腔包括用于容纳所述基座5的基座容纳腔 11，以及用于穿设所述光纤7的光纤插孔12，所述光纤插孔12的上端口开设于所述基座容纳腔11底面，所述光纤7自所述光纤插孔12 下端口穿出所述封装机构。

具体的，所述阻尼部件包括固定安装在所述基座容纳腔11内侧壁上的橡胶密封圈2，所述橡胶密封圈2套设在所述基座5外侧壁上，所述橡胶密封圈2紧压于所述基座容纳腔11内侧壁和所述基座5之间以密封二者间间隙。

具体的，所述基座5形状为上表面和下表面面积具有微小差异，为上表面直径大，下表面直径小的倒圆台体。所述基座5设为为直径具有微小差异的上部直径大，下部直径小的倒圆台体，在基座5上部受力时橡胶密封圈2向基座5上部轻微移动，从而造成橡胶密封圈2 膨胀变形，进而使橡胶密封圈2和基座容纳腔11之间的间隙变小，可更好的阻断外部液体从开口部13进入壳体1内部的通路，避免损坏光纤7等结构部件，可更好的实现密封作用。

具体的，所述基座容纳腔11内侧壁开设有用于安装所述橡胶密封圈2的环形槽111，所述基座5底面与所述基座容纳腔11底面相贴合。

具体的，所述基座容纳腔11的环形槽111内侧壁的表面粗糙度小于或等于1.6，所述基座5外侧壁的表面粗糙度小于或等于1.6。基座容纳腔11环形槽111和基座5的表面粗糙度较小，在橡胶密封圈2受压变形时可减少橡胶密封圈与基座5和环形槽111之间的间隙，以更好的阻断在使用过程中外部液体进入壳体内部。

具体的，所述基座5为高硼硅基座，所述基座5上表面开设有用于安装感应芯片4的芯片安装槽51，所述感应芯片4通过静电键合技术粘连所述芯片安装槽51，所述芯片安装槽51底部开设有通孔52，所述光纤7上端固定连接所述通孔52的下端口，所述光纤7上端外套设有用于密封所述光纤7和所述通孔52下端口间间隙的毛细玻璃管6，所述毛细玻璃管6通过激光焊接固定安装于所述通孔52内。

具体的，所述感应芯片4包括设于上部的受力硅膜片41，所述受力硅膜片41底面设有凹槽411，所述凹槽411表面镀有高反射膜 412，所述受力硅膜片41底面通过阳极键合技术与硼化玻璃片42 (pyrex玻璃)结合为一体以形成法珀腔。

上述光纤压力传感器的测量原理如下，当压力作用到受力硅膜片 41上时，引起受力硅膜片41发生形变，进而引起法珀腔空气间隙发生变化(法珀腔腔长的变化)，所以测出法珀腔腔长的变化就可以得出压力的变化，压力变化ΔP与腔长变化Δd之间的关系为：

其中，E是受力硅膜片41的杨氏模量，v是受力硅膜片41的泊松比，h为受力硅膜片41的厚度，r为凹槽411的半径。

毛细玻璃管6的光线在进入感应芯片4的过程中有一部分在 pyrex玻璃片42的下表面发生反射形成一束反射光线，有一部分进去法珀腔在高反射膜412处发生反射形成另一束反射光线，两束反射光线形成干涉，通过测量两个相邻干涉谱峰波长值可得出腔长变化，腔长变化Δd为:

其中，λ₁和λ₂为干涉谱中相邻干涉谱峰值波长值。

具体的，所述开口部13内侧壁设有挡圈安装槽131，所述弹性挡圈3卡设于所述挡圈安装槽131中。

具体的，为了方便连接压力源和搭载设备，所述封装壳体11外壁设有分别与压力源接口螺纹结构和与搭载设备接口螺纹结构相适配的螺纹连接结构。为了检测整体密封件水密性能，检测时封装壳体 11和压力源连接为一体，压力源施加一定的压力，保压一段时间后查看压力源示数是否有变化，从而判断制作传感探头的密封性能。

具体的，所述封装壳体11外壁可对应不同的水下潜航器接口设置不同大小的螺纹连接结构，以便于匹配不同水下潜航器的接口螺纹，封装壳体11与与压力源接口连接处采用轴向密封的方式。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种光纤压力传感器，其特征在于，包括顶部安装有感应芯片的传感器探头，以及用于封装所述传感器探头的封装机构，所述封装机构包括封装壳体，所述封装壳体内设有可容纳所述传感器探头的探头容纳腔，所述封装壳体顶部开设有与所述探头容纳腔连通的开口部，所述传感器探头可自所述开口部穿入所述探头容纳腔，所述探头容纳腔与所述传感器探头之间设有用于密封二者间间隙的阻尼部件，所述开口部安装有弹性挡圈，所述弹性挡圈抵接所述传感器探头顶面以固定所述探头容纳腔与所述传感器探头间的相对位置。

2.根据权利要求1所述的光纤压力传感器，其特征在于，所述传感器探头包括上表面安装有感应芯片的基座，以及信号连接所述感应芯片的光纤，所述光纤自所述基座底面穿出且向下延伸。

3.根据权利要求2所述的光纤压力传感器，其特征在于，所述探头容纳腔包括用于容纳所述基座的基座容纳腔，以及用于穿设所述光纤的光纤插孔，所述光纤插孔的上端口开设于所述基座容纳腔底面，所述光纤自所述光纤插孔下端口穿出所述封装机构。

4.根据权利要求3所述的光纤压力传感器，其特征在于，所述阻尼部件包括安装在所述基座容纳腔内侧壁上的橡胶密封圈，所述橡胶密封圈套设在所述基座外侧壁上，所述橡胶密封圈紧压于所述基座容纳腔内侧壁和所述基座之间以密封二者间间隙。

5.根据权利要求4所述的光纤压力传感器，其特征在于，所述基座容纳腔内侧壁开设有用于安装所述橡胶密封圈的环形槽，所述基座底面与所述基座容纳腔底面相贴合；所述基座容纳腔内侧壁的表面粗糙度小于或等于1.6，所述基座外侧壁的表面粗糙度小于或等于1.6。

6.根据权利要求4所述的光纤压力传感器，其特征在于，所述基座形状为上表面直径大，下表面直径小的倒圆台体。

7.根据权利要求2所述的光纤压力传感器，其特征在于，所述基座为高硼硅基座，所述基座上表面开设有用于安装感应芯片的芯片安装槽，所述感应芯片通过静电键合技术粘连在所述芯片安装槽，所述芯片安装槽底部开设有通孔，所述光纤上端固定连接所述通孔的下端口，所述光纤上端外套设有用于密封所述光纤和所述通孔下端口间间隙的毛细玻璃管，所述毛细玻璃管通过激光焊接固定安装于所述通孔内。

8.根据权利要求7所述的光纤压力传感器，其特征在于，所述感应芯片包括设于上部的受力硅膜片，所述受力硅膜片底面设有凹槽，所述凹槽表面镀有高反射膜，所述受力硅膜片底面通过阳极键合方式与pyrex玻璃片结合为一体以形成法珀腔。

9.根据权利要求1所述的光纤压力传感器，其特征在于，所述开口部内侧壁设有挡圈安装槽，所述弹性挡圈卡设于所述挡圈安装槽中。

10.根据权利要求1所述的光纤压力传感器，其特征在于，所述封装壳体外壁设有分别与压力源接口螺纹结构和与搭载设备接口螺纹结构相适配的螺纹连接结构。

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