CN212567748U - 多面承压型光纤法布里-珀罗压力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种多面承压型光纤法布里‑珀罗压力传感器。所述压力传感器包括第一、第二单模光纤、石英毛细管、内、外层金属套管，第一、第二单模光纤的其中一端分别去除涂覆层后切平后从石英毛细管两端口伸入石英毛细管内并形成F‑P腔，两根单模光纤分别通过第一焊接点与石英毛细管的内壁焊接；内层金属套管套设在石英毛细管的其中一端，并与石英毛细管通过第二焊接点焊接，外层金属套管套设在内层金属套管外，与内层金属套管通过第三焊接点焊接；在外层金属套管靠近F‑P腔的端部开设有多个渗压孔。实用新型结构紧凑，传感器端面和侧面可同时感知压力，使得传感器的安装方式更灵活；传感器使用温度上限可达到600℃。

Description

多面承压型光纤法布里-珀罗压力传感器

技术领域

本实用新型属于压力传感领域，具体涉及一种多面承压型光纤法布里-珀罗(简称F-P)压力传感器。

背景技术

自光纤传感器问世以来，以其结构紧凑、体积小、布设方便、抗电磁干扰等特点被广泛应用于土木工程、轨道交通、生物医疗、航空航天等领域。压力传感器一直是热工、力学结构、损伤探测等领域的关键检测元件。而光纤型压力传感器，在某些探测场景中，与传统电学式压力传感器相比具有独特的优势，其中以动态范围大、精度高的F-P型光纤压力传感器最为典型。

目前，针对F-P型光纤压力传感器的研发工作有很多，如专利 CN103994851B，CN110553774A，CN109431481A，均为采用F-P的结构，其机理是敏感端面受压弯曲变形，从而改变F-P的腔长，通过后端信号解调系统，计算出腔长值，再根据腔长-压力关系得到压力值。但上述结构，均为端面受压，安装时须保证端面与压力方向垂直，而在一些安装空间受限的场景中，端面只能与压力方向平行，那么采用这种结构便无法适用。另一方面，传统结构在制作过程中，大多会采用胶进行封装，而这种封装方式，在长期使用下由于胶的蠕变会引起零点漂移，可靠性降低；同时，也限制了传感器使用温度的上限(基本无法超过300℃)。

发明内容

为了解决传统光纤F-P压力传感器端面受压，安装方式受限，以及使用温度上限受限的难题，本实用新型提出了一种多面承压型光纤F-P压力传感器，其端面和侧面同时对压力敏感，使得传感器的安装方式更灵活；又采用全焊接封装工艺，使得传感器的使用温度上限可达到600℃。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案为一种多面承压型光纤法布里-珀罗压力传感器，所述压力传感器包括第一单模光纤、第二单模光纤、石英毛细管、内层金属套管和外层金属套管，第一单模光纤和第二单模光纤的其中一端分别去除涂覆层后切平后从石英毛细管两端口伸入石英毛细管内，两根单模光纤的切平面在石英毛细管内形成长度为100～300um的F-P腔，第一单模光纤和第二单模光纤分别通过第一焊接点与石英毛细管的内壁焊接；所述内层金属套管套设在石英毛细管的其中一端，其内壁与石英毛细管的外壁通过第二焊接点焊接，临近内层金属套管的第二单模光纤尾端从内层金属套管伸出；所述外层金属套管套设在内层金属套管外，并将石英毛细管和内层金属套管完全铠装保护，外层金属套管与内层金属套管之间通过第三焊接点焊接；在外层金属套管靠近F-P腔的端部开设有多个渗压孔。

本实用新型较优的技术方案：所述石英毛细管采用石英材料制成，壁厚为30～100um，其直径大于第一单模光纤和第二单模光纤的包层外径，其长度比第一单模光纤与石英毛细管的焊接点至第二单模光纤与石英毛细管的焊接点之间的间距大9～11mm，且石英毛细管两端距离两个焊接点的长度相等，第一单模光纤和第二单模光纤置于石英毛细管的部分均去除涂覆层。

本实用新型较优的技术方案：第一单模光纤与石英毛细管的焊接点与第二单模光纤与石英毛细管的焊接点之间的间距为10～50mm。

本实用新型较优的技术方案：所述石英毛细管与内层金属套管焊接部位采用磁控溅射或电化学方法镀膜的方式镀设有厚度为10～50um的金属化镀膜。

本实用新型较优的技术方案：所述第一焊接点采用CO₂激光器无缝焊接；所述第二焊接点和第三焊接点均采用银钎或金锡焊接。

本实用新型较优的技术方案：所述F-P腔的长度为100～300um。

本实用新型较优的技术方案：所述第一单模光纤和第二单模光纤均为单模光纤。

本实用新型的有益效果是：本实用新型传感器的灵敏度取决于石英毛细管的壁厚和第一单模光纤与石英毛细管的焊接点至第二单模光纤与石英毛细管的焊接点之间的间距，其制造过程准确性高、灵活性强，可根据传感器不同的设计要求，准确控制F-P腔长和第一单模光纤与石英毛细管的焊接点至第二单模光纤与石英毛细管的焊接点之间的间距，并选取相匹配尺寸的石英毛细管，内层金属套管和外层金属套管。传感器结构紧凑，传感器端面和侧面可同时感知压力，使得传感器的安装方式更灵活；传感器又采用全焊接工艺，使得传感器的使用温度上限更高，可达到600℃。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是图1中A向端面图；

图3是本实用新型外侧金属套管的示意图；

图4是本实用新型的制备示意图。

图中：1.第一单模光纤；2.石英毛细管；3.内层金属套管；4.外层金属套管； 5.第二单模光纤；6.渗压孔；7.F-P腔；8.第一焊接点；9.第二焊接点；10.第三焊接点；11.固定支架；12.可移动支架。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。附图1至图3为实施例的附图，采用简化的方式绘制，仅用于清晰、简洁地说明本实用新型实施例的目的。以下对在附图中的展现的技术方案为本实用新型的实施例的具体方案，并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，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设备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。

本实用新型提供了一种多面承压型光纤法布里-珀罗压力传感器，如图1 至图3所示，所述压力传感器包括第一单模光纤1、第二单模光纤5、石英毛细管2、内层金属套管3和外层金属套管4，所述第一单模光纤1和第二单模光纤5均为单模通信光纤，所述石英毛细管2材质是石英，其内径稍大于第一单模光纤1和第二单模光纤5的包层外径，其外径稍小于内层金属套管3 的内径，石英毛细管2的两端均为通孔的毛细管，用于构造F-P腔7，并与 F-P腔7形成一体共同敏感压力结构。将两根单模光纤的其中一端去除涂覆层后切平，切平面相对从石英毛细管2两端口伸入石英毛细管2内形成长度为 100～300um的F-P腔7。第一单模光纤1和第二单模光纤5与石英毛细管2 之间的固定方式采用CO₂激光器进行激光无缝焊接，两个第一焊接点8分别位于F-P腔7的两侧，且两个第一焊接点8距离F-P腔7的中心距离相等，第一单模光纤1与石英毛细管2的焊接点至第二单模光纤5与石英毛细管2 的焊接点之间的间距为10～50mm。

如图1和图2所示，本实用新型中的内层金属套管3，内径稍大于石英毛细管2外径，两端均为通孔，套设在石英毛细管2的其中一端，其内壁与石英毛细管2的外壁通过第二焊接点9焊接，用于固定石英毛细管2，增加其机械强度，所述外层金属套管4，内径稍大于内层金属套管3外径，两端均为通孔，外层金属套管4套设在内层金属套管3外，并将石英毛细管2和内层金属套管3完全铠装保护，外层金属套管4与内层金属套管3之间通过第三焊接点10焊接用于固定内层金属套管，增强整个传感器结构的机械强度，如图1和图3所示，在外层金属套管4靠近F-P腔7的端部环形侧面开设有多个渗压孔6，将传感器“感受”的侧面压力传递到压力敏感件上。所述石英毛细管2与内层金属套管3焊接部位采用磁控溅射或电化学方法镀膜的方式镀设有厚度为10～50um的金属化镀膜，第二焊接点9和第三焊接点10均采用银钎或金锡焊接。

面结合实施例对本实用新型及其制备进一步说明，本实用新型的制造平台如图4所示，包括固定支架11和可移动支架12。所述固定支架11用于放置并固定石英毛细管2。所述可移动支架12用于放置并固定两根单模光纤，可xyz三轴移动，使得两根单模光纤穿入石英毛细管2内并形成F-P腔7。

实施例中的第一单模光纤1和第二单模光纤5选用聚酰亚胺纯石英单模光纤，单模光纤为包层125μm的单模通信光纤，将两根单模光纤的各一端去除涂覆层后切平，切平面相对。

所述石英毛细管2为材质是石英，内径稍大于125μm，两端均为通孔的毛细管，本实施例中石英毛细管2选用内径0.127mm，外径0.3mm的材质为石英的毛细管；内层金属套管3选用内径0.4mm，外径0.6mm的材质为不锈钢的毛细管；外层金属套管4选用内径0.65mm，外径1mm的材质为不锈钢的毛细管。固定支架5采用材质为硬塑料的夹具夹持石英毛细管2，可移动支架6采用通用光纤夹具夹持单模光纤1，位移精度达到μm量级。F-P腔7的腔长范围为100～300μm。第一单模光纤1与石英毛细管2的焊接点至第二单模光纤5与石英毛细管2的焊接点之间的间距为10～50mm。石英毛细管2与内层金属套管3焊接部位的金属化镀膜厚度范围为10～50um，采用磁控溅射或电化学方法镀膜。渗压孔10采用激光加工方法制作。石英毛细管2与内层金属套管3、内层金属套管3与外层金属套管4焊接区域均采用银钎或金锡焊接。实施例中的传感器具体制备过程如下：

(1)根据传感器设计要求，截取长40mm石英毛细管2、长20mm内层金属套管3和长100mm外层金属套管4，检查管面平整度与光滑度，再进行超声清洗，然后进行高温烘烤；

(2)选取第一单模光纤1和第二单模光纤5，分别将其中一端的尾部光纤的涂覆层去除后，再将端面切平；

(3)将石英毛细管2放置在固定支架11上，将端面切平的第一单模光纤 1和第二单模光纤5放置在固定支架11两侧的可移动支架12上，两个切平端面相对放置；将可移动支架12进行X轴与Y轴(上下与前后)微调，使得两根单模光纤的截面中心与石英毛细管2的截面中心的X轴与Y轴坐标相同；将可移动支架12进行Z轴(左右)微调，使得两根单模光纤相对移动，不断靠近，并一起穿入石英毛细管2内，且穿入石英毛细管2的光纤需完全去除涂覆层，当两切平端面间距达到100～300μm时停止移动，形成F-P腔7，在移动过程中切平的端面无任何接触，保证端面无损伤；

(4)在移动到位后，在距离F-P腔7中心各5～25mm的两处位置，用CO₂激光器将单模光纤1与石英毛细管2以及第二单模光纤5与石英毛细管2进行激光无缝焊接，并用显微镜观察焊点，保证焊点无缝隙；将石英毛细管2 一侧单模光纤1尾纤切断，采用石英研磨机将这一侧的石英毛细管2端面连同剩余单模光纤1端面一起打磨平整；

(5)将石英毛细管2未打磨一侧靠近边缘的环形侧面进行金属化镀膜，将镀膜部分穿入内层金属套管3，并进行金属焊接固定；选取外层金属套管4 一侧，将第一单模光纤1端面附近的环形侧面加工若干渗压孔10；将焊接有内层金属套管3的第二单模光纤尾纤从有渗压孔10的外层金属套管4一侧穿入，直至外层金属套管4完全铠装保护石英毛细管2，最后将内层金属套管3 和外层金属套管4进行银钎或金锡焊接固定，从而完成传感器的制造。

综上所述，本实用新型列举了一个实施例，但本实用新型不仅限于上述实施例，只要以任何相同或相似的手段达到本实用新型的技术效果，都应属于本实用新型保护的范围。

Claims (7)

1.一种多面承压型光纤法布里-珀罗压力传感器，其特征在于：所述压力传感器包括第一单模光纤(1)、第二单模光纤(5)、石英毛细管(2)、内层金属套管(3)和外层金属套管(4)，第一单模光纤(1)和第二单模光纤(5)的其中一端分别去除涂覆层后切平后从石英毛细管(2)两端口伸入石英毛细管(2)内，两根单模光纤的切平面在石英毛细管(2)内形成长度为100～300um的F-P腔(7)，第一单模光纤(1)和第二单模光纤(5)分别通过第一焊接点(8)与石英毛细管(2)的内壁焊接；所述内层金属套管(3)套设在石英毛细管(2)的其中一端，其内壁与石英毛细管(2)的外壁通过第二焊接点(9)焊接，临近内层金属套管(3)的第二单模光纤(5)尾端从内层金属套管(3)伸出；所述外层金属套管(4)套设在内层金属套管(3)外，并将石英毛细管(2)和内层金属套管(3)完全覆盖，外层金属套管(4)与内层金属套管(3)之间通过第三焊接点(10)焊接；在外层金属套管(4)靠近F-P腔(7)的端部开设有多个渗压孔(6)。

2.根据权利要求1所述的一种多面承压型光纤法布里-珀罗压力传感器，其特征在于：所述石英毛细管(2)采用石英材料制成，壁厚为30～100um其内径大于第一单模光纤(1)和第二单模光纤(5)的包层外径，其外径小于内层金属套管(3)的内径，所述第一单模光纤(1)和第二单模光纤(5)置于石英毛细管(2)的部分均去除涂覆层。

3.根据权利要求1所述的一种多面承压型光纤法布里-珀罗压力传感器，其特征在于：第一单模光纤(1)与石英毛细管(2)的焊接点与第二单模光纤(5)与石英毛细管(2)的焊接点之间的间距为10～50mm。

4.根据权利要求1所述的一种多面承压型光纤法布里-珀罗压力传感器，其特征在于：所述石英毛细管(2)与内层金属套管(3)焊接部位采用磁控溅射或电化学方法镀膜的方式镀设有厚度为10～50um的金属化镀膜。

5.根据权利要求1所述的一种多面承压型光纤法布里-珀罗压力传感器，其特征在于：所述第一焊接点(8)采用CO₂激光器无缝焊接；所述第二焊接点(9)和第三焊接点(10)均采用银钎或金锡焊接。

6.根据权利要求1所述的一种多面承压型光纤法布里-珀罗压力传感器，其特征在于：所述F-P腔(7)的长度为100～300um。

7.根据权利要求1所述的一种多面承压型光纤法布里-珀罗压力传感器，其特征在于：所述第一单模光纤(1)和第二单模光纤(5)均为单模光纤。

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