專利名稱：一種光纖光柵壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種光纖光柵壓力傳感器，屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種
敏感元件為光纖光柵的壓力傳感器技術(shù)。
背景技術(shù)：
隨著光纖敏化技術(shù)的不斷發(fā)展和光纖光柵寫入技術(shù)的不斷成熟，光纖光柵作為一 種新型應(yīng)變傳感元件在傳感技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的壓力傳感器種類很多，如基 于半導(dǎo)體材料壓阻效應(yīng)的壓阻式壓力傳感器，基于壓力敏感電容器的電容式壓力傳感器， 基于材料壓電效應(yīng)的壓電式壓力傳感器等。這些壓力傳感器的共同特點(diǎn)是均為有源結(jié)構(gòu)， 因而容易受到環(huán)境電磁場的干擾，且壓力響應(yīng)速度慢，滯后性較大，靈敏度低，測量范圍較 窄，也難以應(yīng)用于易燃、易爆和易腐蝕的環(huán)境中。以光纖光柵作為壓力傳感器的敏感元件， 其特點(diǎn)是對傳感信號的感應(yīng)和傳輸均在光纖中完成，因而探頭為無源結(jié)構(gòu)，信號不受環(huán)境 電磁場的影響，性能可靠，并且可以在高溫、易燃、易爆及易腐蝕等極端環(huán)境下使用。然而， 由于溫度和壓力的變化都將引起光纖光柵中心波長的移動，帶來溫度壓力交叉敏感。因此， 如何能夠有效解決溫度和壓力的交叉敏感問題，即在測量壓力的同時(shí)消除溫度的影響是此 類傳感器實(shí)用化的關(guān)鍵。 孫安、喬學(xué)光等曾提出一種基于聚合物封裝的光纖光柵壓力傳感器(孫安，喬 學(xué)光，賈振安，郭團(tuán)，陳長勇，耐高壓光纖Bragg光柵壓力傳感技術(shù)研究，光子學(xué)報(bào)，2004， 33 (7))，其特點(diǎn)是，在封裝光纖光柵之前，采用導(dǎo)熱型有機(jī)硅膠進(jìn)行涂覆固化，以減小封裝 材料與管狀殼體之間的粘結(jié)與摩擦，防止在施壓過程中出現(xiàn)光纖光柵的啁啾現(xiàn)象。但是，該 結(jié)構(gòu)在實(shí)際壓力測量中還需添加溫度補(bǔ)償裝置，方能保持測量的準(zhǔn)確性。

發(fā)明內(nèi)容要解決的技術(shù)問題 為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本實(shí)用新型提出一種光纖光柵壓力傳感器，利用 粗糙的管狀殼體內(nèi)壁與聚合物緊密粘結(jié)以增大光纖光柵的啁啾量，進(jìn)而采用光纖光柵的帶 寬解調(diào)，由于溫度改變不會影響帶寬的變化，因此能夠保證傳感器免受溫度的影響。 技術(shù)方案 本實(shí)用新型的基本思想是將光纖光柵封裝在聚合物中，在聚合物四周受限情況 下，其裸露端因受均布壓力而在其端面附近區(qū)域沿其中心軸線產(chǎn)生梯度應(yīng)變，導(dǎo)致封裝在 該梯度應(yīng)變區(qū)內(nèi)的光纖光柵產(chǎn)生非均勻的軸向應(yīng)變，從而使光纖光柵的反射光譜產(chǎn)生啁啾 現(xiàn)象和帶寬的展寬。與此同時(shí)，環(huán)境溫度的變化只能引起光纖光柵中心反射波長的漂移，而 不會帶來反射光譜帶寬的展寬。因此，通過解調(diào)反射光譜帶寬信息即可得到壓力值的大小。 本實(shí)用新型的特征在于將光纖光柵1封裝在一端開口的管狀殼體3中，光纖光柵 1的一端由管狀殼體3未開口端面中心的小孔穿出并單模光纖9與光纖耦合器5連接；光 纖耦合器5兩側(cè)共有四個(gè)端口，與光纖耦合器5連接的一側(cè)的另一個(gè)端口連接通過單模光
3纖9置于光纖折射率匹配液8中；光纖耦合器5另一側(cè)的兩個(gè)端口 ， 一端通過單模光纖9連 接寬帶光源6， 一端通過單模光纖9連接解調(diào)系統(tǒng)7 ;封裝光纖光柵1采用將聚合物2充填 于管狀殼體3。 所述的管狀殼體3是在空芯圓柱4的一端為采用螺紋連接的保護(hù)后蓋11，保護(hù) 后蓋11的中心設(shè)有供單模光纖9通過的小孔。 光纖光柵的柵區(qū)部分封裝在聚合物2的準(zhǔn)線性梯度應(yīng)變區(qū)域中，該區(qū)域距聚合物 承壓面10的范圍為5-20mm。 有益效果 本實(shí)用新型的免受溫度影響的光纖光柵壓力傳感器，僅利用一根光纖光柵作為壓 力敏感元件，同時(shí)能夠避免環(huán)境溫度變化對壓力信號精確感知影響，而且還可以通過改變 聚合物的彈性模量來改變光纖光柵反射光譜帶寬的展寬量，進(jìn)而改變該傳感器的測量精度 和量程。同時(shí)，該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、工藝上易于實(shí)現(xiàn)、測量范圍大等優(yōu)點(diǎn)，非常適合油井 或深水等較大壓力的傳感測量。

圖1是光纖光柵在梯度應(yīng)變下帶寬調(diào)諧原理示意圖。圖1 (a)和圖1 (b)分別對應(yīng) 封裝聚合物受壓前和受壓后光纖光柵的周期變化特征。 圖2是利用有限元法模擬計(jì)算得到的封裝聚合物裸露端在均布壓力作用下其軸 向應(yīng)變分布曲線。 圖3是采用方式1的光纖光柵壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖。 圖4是采用方式2的光纖光柵壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖。 其中1、光纖光柵；2、聚合物；3、管狀殼體甲；4、空芯圓柱；5、光纖耦合器；6、寬 帶光源；7.解調(diào)系統(tǒng)；8、折射率匹配液；9、單模光纖；10、聚合物承壓面；11、保護(hù)后蓋。
具體實(shí)施方式現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述 參閱附圖2，封裝聚合物裸露端在均布壓力作用下，封裝聚合物中出現(xiàn)一段線性的 梯度應(yīng)變區(qū)域，光纖光柵的柵區(qū)部分封裝在該區(qū)域，從而使得光纖光柵的反射譜帶寬的展 寬量與均布壓力的大小具有線性關(guān)系。 實(shí)施例1:參閱附圖3， 光纖光柵選擇布拉格光柵l，將布拉格光柵l封裝在一端開口的金屬管狀殼體3 中，光纖光柵1的一端由管狀殼體3未開口端面中心的小孔穿出并單模光纖9與2X2的 3dB光纖耦合器5連接；光纖耦合器5兩側(cè)共有四個(gè)端口 ，與光纖耦合器5連接的一側(cè)的另 一個(gè)端口連接通過單模光纖9置于光纖折射率匹配液8中；光纖耦合器5另一側(cè)的兩個(gè)端 口 ， 一端通過單模光纖9連接寬帶光源6， 一端通過單模光纖9連接解調(diào)系統(tǒng)7 ;封裝光纖光 柵1采用將聚合物丙烯酸酯2充填于管狀殼體3。 裝配步驟如下(1)加工一個(gè)管狀殼體甲3并使其內(nèi)壁保持粗糙，以利于封裝的聚 合物2能夠與其緊密粘結(jié)；(2)去掉光纖光柵1待封裝部分的涂覆層，這樣可有效避免光纖 光柵1被拉伸后中心波長的反向漂移；(3)將光纖光柵1置于管狀殼體3中心軸線上并對其進(jìn)行預(yù)拉伸，然后將配好的聚合物2填充在管狀殼體甲3內(nèi)；(4)在填充的聚合物2固化 后，對該傳感器進(jìn)行定標(biāo)測量。測量時(shí)，寬帶光源6發(fā)出的光經(jīng)光纖耦合器5到達(dá)封裝在聚 合物2中的光纖光柵1，反射信號后通過光纖耦合器5到達(dá)解調(diào)系統(tǒng)7。同時(shí)在聚合物承壓 面10上施加均布壓力，測量光纖光柵1反射譜的帶寬展寬量，最終通過帶寬的展寬量得到 施加的壓力值大小。 實(shí)施例2 :參閱附圖4，采用封裝方式2的光纖光柵壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖。封裝步驟 如下(l)加工合金管狀殼體4和保護(hù)后蓋ll，使兩者可以通過密封螺紋來連接，同樣管狀 殼體4的內(nèi)壁磨成粗糙面；(2)去掉布拉格光柵1封裝部分的涂覆層；(3)放置光纖光柵1
于管狀殼體4中心軸線上并對其進(jìn)行預(yù)拉伸，然后將配好的聚合物聚氨酯2封裝在管狀殼 體4內(nèi)；(4)將保護(hù)后蓋11加在管狀殼體4上，封裝的聚合物2固化后進(jìn)行定標(biāo)測量。其 測量方法與圖3所示的相同。 比較圖3所示的實(shí)施例1和圖4所示的實(shí)施例2可以得出兩者的主要區(qū)別在于 封裝方式的不同。對于實(shí)施例l，封裝相對較簡單，但是難以控制聚合物的封裝厚度和封裝 位置；對于實(shí)施例2，由于封裝聚合物固化前為流體，因此封裝相對復(fù)雜，但是容易控制聚 合物的封裝厚度和封裝位置，且容易去除封裝的聚合物，從而利于光纖光柵和管狀殼體的 重復(fù)利用。在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)具體情況選擇合適的封裝方式。
權(quán)利要求一種免受溫度影響的光纖光柵壓力傳感器，其特征在于將光纖光柵(1)封裝在一端開口的管狀殼體(3)中，光纖光柵(1)的一端由管狀殼體(3)未開口端面中心的小孔穿出并單模光纖(9)與光纖耦合器(5)連接；光纖耦合器(5)兩側(cè)共有四個(gè)端口，與光纖耦合器(5)連接的一側(cè)的另一個(gè)端口連接通過單模光纖(9)置于光纖折射率匹配液(8)中；光纖耦合器(5)另一側(cè)的兩個(gè)端口，一端通過單模光纖(9)連接寬帶光源(6)，一端通過單模光纖(9)連接解調(diào)系統(tǒng)(7)；封裝光纖光柵(1)采用將聚合物(2)充填于管狀殼體(3)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的免受溫度影響的光纖光柵壓力傳感器，其特征在于所述的 管狀殼體(3)是在空芯圓柱(4)的一端為采用螺紋連接的保護(hù)后蓋(ll)，保護(hù)后蓋(11)的中心設(shè)有供單模光纖(9)通過的小孔。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的免受溫度影響的光纖光柵壓力傳感器，其特征在于光纖光柵的柵區(qū)部分封裝在聚合物(2)的準(zhǔn)線性梯度應(yīng)變區(qū)域中，該區(qū)域距聚合物承壓面 (10)的范圍為5-20mm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的任一種免受溫度影響的光纖光柵壓力傳感器，其特征在 于所述聚合物為丙烯酸酯或聚氨酯。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種光纖光柵壓力傳感器，特征在于將光纖光柵封裝在一端開口的管狀殼體中，光纖光柵的一端由管狀殼體未開口端面中心的小孔穿出并單模光纖與光纖耦合器連接；光纖耦合器兩側(cè)共有四個(gè)端口，與光纖耦合器連接的一側(cè)的另一個(gè)端口連接通過單模光纖置于光纖折射率匹配液中；光纖耦合器另一側(cè)的兩個(gè)端口，一端通過單模光纖連接寬帶光源，一端通過單模光纖連接解調(diào)系統(tǒng)；封裝光纖光柵采用將聚合物充填于管狀殼體。僅利用一根光纖光柵作為壓力敏感元件，同時(shí)能夠避免環(huán)境溫度變化對壓力信號精確感知影響，而且還可以通過改變聚合物的彈性模量來改變光纖光柵反射光譜帶寬的展寬量，進(jìn)而改變該傳感器的測量精度和量程。
文檔編號G01L19/04GK201449306SQ200920032589
公開日2010年5月5日 申請日期2009年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月15日
發(fā)明者姜碧強(qiáng), 潘子軍, 趙建林, 邸江磊 申請人:西北工業(yè)大學(xué)