本發(fā)明涉及力傳感器領(lǐng)域，具體涉及一種光纖法珀微型力傳感器。特別是用于壓水核反應(yīng)堆蒸汽發(fā)生器傳熱管與安裝底座徑向撞擊壓力測試的微型力傳感器。

背景技術(shù)：

力傳感器是各種結(jié)構(gòu)件疲勞損傷、微動損傷等損傷檢測的核心器件，力傳感器的發(fā)展能夠給結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)健康檢測帶來進一步的提高。與傳統(tǒng)的電學(xué)力傳感器相比，光纖傳感器具有抗干擾能力強、動態(tài)測試范圍大、體積小且分辨率大等優(yōu)點，同時解調(diào)速度也可以做的很高，并且具有良好的多傳感器復(fù)用能力，因此在大型結(jié)構(gòu)件檢測等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。光纖傳感器由于其本身特有的優(yōu)勢，如結(jié)構(gòu)簡單、體積小、無電磁干擾，在航空航天、能源、建筑等工業(yè)和軍事領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。光纖法珀傳感器是光纖傳感器中的典型代表，隨著各種微加工技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種微型的光纖法珀傳感器。如CN101055197公開一種飛秒激光脈沖制作的微型光纖法珀(F-P)傳感器，是在普通單模光纖上制作有一個完全穿透光纖纖芯的、橫截面為長方形的微小空腔，微小空腔的深度h滿足：(D+d)/2≤h≤D，其中D為光纖的直徑，d為纖芯直徑。其還提供了該傳感器的制作方法。優(yōu)點是：不僅具有微型化、集成化、一體化、易于批量生產(chǎn)、易復(fù)用、耐惡劣環(huán)境能力強等獨特的物理特性，而且具有負的溫度靈敏度，且在一定程度上提高了其軸向負荷的靈敏度，在未來光傳感領(lǐng)域內(nèi)有廣闊的應(yīng)用前景。毋庸置疑，這是本技術(shù)領(lǐng)域的一種有益的嘗試。

光纖法珀傳感器可利用不用的形式構(gòu)建法珀腔，傳感器的形態(tài)靈活多變，可用于多種不同的測量環(huán)境，同時光纖法珀傳感器結(jié)構(gòu)簡單，不易受環(huán)境的影響，分辨率高且解調(diào)速度較高，已廣泛應(yīng)用于各種生物、醫(yī)學(xué)、航空、航天、核電等領(lǐng)域的檢測。

蒸汽發(fā)生器作為壓水堆核反應(yīng)堆的核心設(shè)備，其傳熱管發(fā)生故障相關(guān)的風(fēng)險占整個核電站故障風(fēng)險的75％。利用力傳感器實現(xiàn)傳熱管的結(jié)構(gòu)健康檢測對于預(yù)測蒸汽發(fā)生器使用壽命、優(yōu)化其結(jié)構(gòu)設(shè)計，并且對及時掌握壓水堆的安全狀態(tài)具有重要的意義。且傳熱管工作在350℃，1.2MPa的條件下，且傳熱管間的間距很小，這也對力傳感器的工作溫度和體積提出了更高的要求

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種光纖法珀微型力傳感器，其結(jié)構(gòu)微型，能工作在350℃，1.2MPa的條件下長期工作，且具有抗電磁干擾能力強，測量精度高等優(yōu)點。

本發(fā)明所述的一種光纖法珀微型力傳感器，包括不銹鋼外殼，在所述不銹鋼外殼兩側(cè)內(nèi)壁上部設(shè)有兩塊對稱的定位塊，在所述不銹鋼外殼左端偏上的部位設(shè)有一圓孔；在所述不銹鋼外殼內(nèi)設(shè)有硅基底，該硅基底內(nèi)設(shè)有第一光纖準直器安裝槽，所述第一光纖準直器安裝槽的左端與所述圓孔對應(yīng)、右端設(shè)有第一階梯定位面和45°反射面；其還包括：

一光纖構(gòu)件由光纖準直器和連接在其左端的尾纖構(gòu)成，所述光纖準直器的右端設(shè)有階梯端面和內(nèi)芯端面；所述光纖構(gòu)件從所述不銹鋼外殼上的圓孔插入，并伸入所述硅基底的光纖準直器安裝槽內(nèi)；所述第一階梯定位面與所述階梯端面對應(yīng)接觸，所述45°反射面與所述內(nèi)芯端面對應(yīng)接觸；

一臺階固支梁的下面中部設(shè)有凸臺，所述凸臺進行機械拋光，形成鏡面；所述臺階固支梁下面兩端分別與所述兩塊定位塊一一對應(yīng)接觸；

一壓力膜的中部設(shè)有雙面凸起觸點，所述壓力膜設(shè)在所述不銹鋼外殼的上口并覆蓋在所述臺階固支梁的上面，所述雙面凸起觸點與所述凸臺的上面對應(yīng)接觸。

進一步，在所述硅基底與所述不銹鋼外殼的內(nèi)壁接觸部位涂有高溫密封膠，在所述光纖構(gòu)件與所述不銹鋼外殼上的圓孔接觸部位也涂有高溫密封膠。

進一步，所述光纖構(gòu)件采用耐高溫石英光纖制作，所述硅基底采用耐高溫的Si材料加工法珀光路，所述壓力膜采用鎳鉻合金制作。

進一步，所用光纖構(gòu)件的尾纖為單模光纖或多模光纖。

進一步，光纖準直器是梯度折射率(GRIN)透鏡。

所述的一種光纖法珀微型力傳感器，包括不銹鋼外殼，在所述不銹鋼外殼兩側(cè)內(nèi)壁上部設(shè)有兩塊對稱的定位塊，在所述不銹鋼外殼左端偏上的部位設(shè)有一圓孔；在所述不銹鋼外殼內(nèi)設(shè)有不銹鋼基底，該不銹鋼基底內(nèi)設(shè)有第二光纖準直器安裝槽，所述第二光纖準直器安裝槽的左端與所述圓孔對應(yīng)、右端設(shè)有第二階梯定位面和微棱鏡定位槽；其還包括：

一光纖構(gòu)件由光纖準直器和連接在其左端的尾纖構(gòu)成，所述光纖準直器的右端設(shè)有階梯端面和棱鏡；所述光纖構(gòu)件從所述不銹鋼外殼上的圓孔插入，并伸入所述不銹鋼基底的光纖準直器安裝槽內(nèi)；所述第二階梯定位面與所述階梯端面對應(yīng)接觸，所述微棱鏡定位槽與所述棱鏡對應(yīng)配合；

一臺階固支梁的下面中部設(shè)有凸臺，所述臺階固支梁下面兩端分別與所述兩塊定位塊一一對應(yīng)接觸；

一壓力膜的中部設(shè)有雙面凸起觸點，所述壓力膜設(shè)在所述不銹鋼外殼的上口并覆蓋在所述臺階固支梁的上面，所述雙面凸起觸點與所述凸臺的上面對應(yīng)接觸。

進一步，在所述不銹鋼基底與所述不銹鋼外殼的內(nèi)壁接觸部位涂有高溫密封膠，在所述光纖構(gòu)件與所述不銹鋼外殼上的圓孔接觸部位也涂有高溫密封膠。

進一步，所述光纖構(gòu)件采用耐高溫石英光纖制作，所述不銹鋼基底采用耐高溫的不銹鋼材料加工法珀光路，所述壓力膜采用鎳鉻合金制作。

進一步，所用光纖構(gòu)件的尾纖為單模光纖或多模光纖。

進一步，光纖準直器是梯度折射率(GRIN)透鏡。

本發(fā)明具有以下的有益效果：

由于采用硅微加工技術(shù)，保證了傳感器敏感腔長的精度；由于利用45°反射面實現(xiàn)了法珀腔的折轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了傳感器的微型化；由于傳感器采用硅、玻璃和不銹鋼作為主要材料，實現(xiàn)了傳感器的耐高溫，利用高溫膠和壓力膜密封實現(xiàn)了傳感器的耐壓。該發(fā)明實現(xiàn)了傳感器的微型化、耐高溫和高壓以及防水功能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖之一；

圖2是光纖構(gòu)件示意圖；

圖3是壓力膜示意圖；

圖4是不銹鋼外殼示意圖；

圖5是硅基底示意圖；

圖6是圖5的仰視圖；

圖7是臺階固支梁示意圖。

圖8是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖之二；

圖9是不銹鋼基底示意圖；

圖10是圖9的仰視圖；

圖11是微棱鏡示意圖。

圖中：1－光纖構(gòu)件，11－光纖準直器，12－尾纖，13－光纖準直器的外殼端面，14－光纖準直器的內(nèi)芯端面；

2－壓力膜，21－雙面凸起觸點；

3－不銹鋼外殼，31－定位塊；

4－硅基底，41－45°反射面，42－第一階梯定位面，43－第一光纖準直器安裝槽；

5－臺階固支梁，51－凸臺；

6－高溫密封膠；

7－不銹鋼基底，71－微棱鏡定位槽，72－第二階梯定位面，73－第二光纖準直器安裝槽；

8－微棱鏡，81－微棱鏡的一端面，82－微棱鏡的另一端面。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步的描述。

實施例一：參見圖1至圖7。

本發(fā)明所述的一種光纖法珀微型力傳感器，包括不銹鋼外殼3，在所述不銹鋼外殼兩側(cè)內(nèi)壁上部設(shè)有兩塊對稱的定位塊31，在所述不銹鋼外殼左端偏上的部位設(shè)有一圓孔32；在所述不銹鋼外殼3內(nèi)設(shè)有硅基底4，該硅基底4內(nèi)設(shè)有第一光纖準直器安裝槽43，所述第一光纖準直器安裝槽的左端與所述圓孔32對應(yīng)、右端設(shè)有第一階梯定位面42和45°反射面41；其還包括：

一光纖構(gòu)件1，其由光纖準直器11和連接在其左端的尾纖12構(gòu)成，所述光纖準直器11的右端設(shè)有階梯端面13和內(nèi)芯端面14；所述光纖構(gòu)件1從所述不銹鋼外殼上的圓孔32插入，并伸入所述硅基底4的第一光纖準直器安裝槽43內(nèi)；所述第一階梯定位面42與所述階梯端面13對應(yīng)接觸，所述45°反射面41與所述內(nèi)芯端面14對應(yīng)接觸；

一臺階固支梁5，其下面的中部設(shè)有凸臺51，所述臺階固支梁5下面兩端分別與所述兩塊定位塊31一一對應(yīng)接觸；臺階固支梁安裝在不銹鋼外殼的定位塊上；采用45°反射面41折反了光纖法珀的法珀腔，實現(xiàn)了傳感器的微型化。

一壓力膜2，其中部設(shè)有雙面凸起觸點21，所述壓力膜設(shè)在所述不銹鋼外殼3的上口并覆蓋在所述臺階固支梁5的上面，所述雙面凸起觸點21與所述凸臺51的上面對應(yīng)接觸。

在所述硅基底4與所述不銹鋼外殼3的內(nèi)壁接觸部位涂有高溫密封膠6，在所述光纖構(gòu)件1與所述不銹鋼外殼上的原孔32接觸部位也涂有高溫密封膠6。

所述光纖構(gòu)件1采用耐高溫石英光纖制作，所述硅基底4采用耐高溫的Si(熔點1414℃)材料加工法珀光路，所述壓力膜2采用鎳鉻合金(熔點1371℃)制作，以保證能在350℃長時間工作。

所用光纖構(gòu)件1的尾纖12為單模光纖或多模光纖。

所述光纖準直器11是梯度折射率(GRIN)透鏡。GRIN透鏡一般用來準直或傳遞光纖的輸出光。

為了保證光纖準直器端面和固支梁臺階面51的位置精度，利用硅微加工技術(shù)的高精度，實現(xiàn)臺階端面和45°反射面位置精度，保證光纖法珀的光學(xué)性能，

上述的一種光纖法珀微型力傳感器的加工方法，包括以下步驟：

第一步，加工硅基底；對Si基片進行掩膜、圖形化和深刻蝕，形成45°反射面41、光纖準直器安裝凹槽43和第一階梯定位面42，形成硅基底4并置于不銹鋼外殼3內(nèi)；

第二步，制作傳感器敏感結(jié)構(gòu)；將光纖構(gòu)件1在放入第一光纖準直器安裝凹槽43，利用低溫玻璃鍵合技術(shù)固化光纖準直器11和硅基座4，形成傳感器敏感結(jié)構(gòu)；

第三步，安裝臺階固支梁；將臺階固支梁5下面兩端分別與兩塊定位塊31一一對應(yīng)接觸；

第四步，安裝壓力膜；將壓力膜2安裝在不銹鋼外殼3的上口部并覆蓋在所述臺階固支梁5的上面，使壓力膜2中部的雙面凸起觸點21與與所述凸臺51的上面對應(yīng)接觸。為了實現(xiàn)傳感器的耐高壓和防水性，采用鎳鉻合金制作壓力膜，利用雙面凸起觸點來實現(xiàn)外界力傳遞給傳感器的敏感元件同時實現(xiàn)系統(tǒng)的耐高壓和防水。

實施例二：參見圖8至圖11。

本例利用不銹鋼基底7替代硅基底4，利用微棱鏡8取代45°反射面41。

本發(fā)明所述的一種光纖法珀微型力傳感器，包括不銹鋼外殼3，在所述不銹鋼外殼兩側(cè)內(nèi)壁上部設(shè)有兩塊對稱的定位塊31，在所述不銹鋼外殼左端偏上的部位設(shè)有一圓孔32；在所述不銹鋼外殼3內(nèi)設(shè)有不銹鋼基底7，該不銹鋼基底內(nèi)設(shè)有第二光纖準直器安裝槽73，所述第二光纖準直器安裝槽的左端與所述圓孔32對應(yīng)、右端設(shè)有第二階梯定位面72和微棱鏡定位槽71；其還包括：

一光纖構(gòu)件1，其由光纖準直器11和連接在其左端的尾纖12構(gòu)成，所述光纖準直器11的右端設(shè)有階梯端面13和棱鏡8；所述光纖構(gòu)件1從所述不銹鋼外殼上的圓孔32插入，并伸入所述不銹鋼基底7的第二光纖準直器安裝槽73內(nèi)；所述第二階梯定位面72與所述階梯端面13對應(yīng)接觸，所述微棱鏡定位槽71與所述棱鏡8對應(yīng)配合；

一臺階固支梁5，其下面的中部設(shè)有凸臺51，所述臺階固支梁5下面兩端分別與所述兩塊定位塊31一一對應(yīng)接觸；臺階固支梁安裝在不銹鋼外殼的定位塊上，利用硅基45°反射面折轉(zhuǎn)法珀腔光路；由于采用棱鏡8折反了光纖法珀的法珀腔，從而使得傳感器實現(xiàn)了微型化。

一微棱鏡8，其一端面81鍍半透半反膜，與固支梁凸臺51構(gòu)成法珀腔；微棱鏡的另一端面82鍍鋁膜實現(xiàn)光路的折轉(zhuǎn)，減小傳感器的體積。

一壓力膜2，其中部設(shè)有雙面凸起觸點21，所述壓力膜設(shè)在所述不銹鋼外殼3的上口并覆蓋在所述臺階固支梁5的上面，所述雙面凸起觸點21與所述凸臺51的上面對應(yīng)接觸。

在所述不銹鋼基底7與所述不銹鋼外殼3的內(nèi)壁接觸部位涂有高溫密封膠6，在所述光纖構(gòu)件1與所述不銹鋼外殼上的圓孔32接觸部位也涂有高溫密封膠6。

所述光纖構(gòu)件1采用耐高溫石英光纖制作，所述不銹鋼基底7采用耐高溫的不銹鋼材料加工法珀光路，所述壓力膜2采用鎳鉻合金(熔點1371℃)制作，以保證能在350℃長時間工作。

所述光纖構(gòu)件1的尾纖12為單模光纖或多模光纖。

所述光纖準直器11是梯度折射率(GRIN)透鏡。GRIN透鏡一般用來準直或傳遞光纖的輸出光。

上述的一種光纖法珀微型力傳感器的加工方法，包括以下步驟：

第一步，加工不銹鋼基底；包括加工第二光纖準直器安裝槽73、微棱鏡定位槽71和第二階梯定位面72，形成不銹鋼基底7并置于不銹鋼外殼3內(nèi)；

第二步，制作傳感器敏感結(jié)構(gòu)；將光纖構(gòu)件1在放入第二光纖準直器安裝凹槽73，利用低溫玻璃鍵合技術(shù)固化光纖準直器11和不銹鋼基座7，形成傳感器敏感結(jié)構(gòu)；

第三步，安裝臺階固支梁；將臺階固支梁5下面兩端分別與兩塊定位塊31一一對應(yīng)接觸；

第四步，安裝壓力膜；將壓力膜2安裝在不銹鋼外殼3的上口部并覆蓋在所述臺階固支梁5的上面，使壓力膜2中部的雙面凸起觸點21與與所述凸臺51的上面對應(yīng)接觸。為了實現(xiàn)傳感器的耐高壓和防水性，采用鎳鉻合金制作壓力膜，利用雙面凸起觸點來實現(xiàn)外界力傳遞給傳感器的敏感元件同時實現(xiàn)系統(tǒng)的耐高壓和防水。