波紋膜片式法布里－珀羅型光纖壓力傳感器及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種波紋膜片式法布里一珀羅型光纖壓力傳感器，可利用反射光譜的波長(zhǎng)變化對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖傳感器具備傳輸頻帶寬、動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍大、易于組成分布式測(cè)量網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)。光纖法布里-珀羅傳感器結(jié)構(gòu)的不同主要體現(xiàn)在構(gòu)成其F-P腔的介質(zhì)的區(qū)別。非本征型法布里-珀羅光纖傳感器如圖1所示，它的傳感頭是由兩根端面平行的光纖和與光纖外徑匹配的毛細(xì)管構(gòu)成，兩根固定光纖的垂直端面和空氣隙形成F-P腔，當(dāng)傳感頭外界溫度、壓力等環(huán)境因素發(fā)生變化時(shí)，引起F-P空氣腔長(zhǎng)度改變，通過(guò)檢測(cè)F-P干涉返回光強(qiáng)變化特性實(shí)現(xiàn)傳感。但這類(lèi)傳感器只能測(cè)量物體的應(yīng)變而不能測(cè)量壓力。
[0003]微型法布里-珀羅壓力傳感器通常有毛細(xì)管結(jié)構(gòu)和膜片結(jié)構(gòu)兩種，毛細(xì)管結(jié)構(gòu)的壓力傳感器對(duì)壓力感知敏感度低，可用于大壓強(qiáng)范圍的測(cè)量，但不適于對(duì)精度要求高的微壓測(cè)量。膜片式F-P腔結(jié)構(gòu)理論上可以獲得較高的靈敏度，但目前能夠在光纖端面上制作高靈敏度膜片的技術(shù)仍存在諸多問(wèn)題，比如工藝復(fù)雜，重復(fù)性弱，材料溫度和力學(xué)特性差等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供了一種波紋膜片式法布里一珀羅型光纖壓力傳感器，其優(yōu)化的參數(shù)及性能大大提高了傳感器的精度和靈敏度，且重復(fù)性高、線性度好。同時(shí)提出一種該傳感器的實(shí)際制備方法。
[0005]本發(fā)明的目的通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0006]波紋膜片式法布里一珀羅型光纖壓力傳感器，包括波紋膜片、玻璃圓環(huán)、光纖法蘭盤(pán)和光纖插頭，所述玻璃圓環(huán)的一個(gè)端面與波紋膜片粘結(jié)，其另一端的外壁與光纖法蘭盤(pán)的凹槽粘結(jié)；所述光纖插頭與光纖法蘭盤(pán)耦合，光纖插頭位于玻璃圓環(huán)的內(nèi)部，且光纖插頭的端面與波紋膜片的表面形成法布里一珀羅腔。
[0007]進(jìn)一步地，所述波紋膜片采用厚度為30 μm、波高為60 μπι的316L不銹鋼波紋膜片。
[0008]進(jìn)一步地，所述波紋膜片的同心圓圓心與玻璃圓環(huán)的圓心重合。
[0009]本發(fā)明上述波紋膜片式法布里一珀羅型光纖壓力傳感器的制造方法，步驟如下:
[0010](I)選定厚度為30 μm、波高為60 μπι的316L不銹鋼波紋膜片；
[0011](2)將內(nèi)徑為8mm、外徑為Icm的玻璃圓管割成高度為3.2毫米的圓環(huán)，然后將切割后的玻璃圓環(huán)的端面進(jìn)行拋光；
[0012](3)將波紋膜片與玻璃圓環(huán)的一個(gè)端面粘結(jié)，使波紋膜片的同心圓圓心與玻璃圓環(huán)的圓心重合，用365nm的紫外燈將粘結(jié)材料快速固化；
[0013](4)在玻璃圓環(huán)另一端的外壁上均勻涂上粘結(jié)材料，將其粘結(jié)到光纖法蘭盤(pán)的凹槽中并將其封裝固化；
[0014](5)將光纖插頭旋接于光纖法蘭盤(pán)上，光纖插頭的端面與波紋膜片的下表面形成法布里一珀羅腔；
[0015](6)最后將法蘭盤(pán)安裝到封裝套管基座上，即完成了傳感器的制作。
[0016]從上述的傳感器加工步驟可看出，光纖插頭的端面和波紋膜片的下表面形成了F-P腔，光經(jīng)過(guò)光纖直接進(jìn)入F-P腔，避免了其他介質(zhì)對(duì)光路的影響；采用316L不銹鋼作為波紋膜與法蘭盤(pán)的制備材料，這樣就有效的降低了由于構(gòu)成傳感器的材料熱膨脹系數(shù)不匹配而產(chǎn)生的熱應(yīng)力，又由于316L不銹鋼(又稱鈦鋼)中含鉬，所以和其他不銹鋼相比，該不銹鋼的性能優(yōu)于其他不銹鋼。另外，光纖法蘭盤(pán)本身就是用來(lái)對(duì)準(zhǔn)光纖的，本發(fā)明的設(shè)計(jì)可保證光能垂直進(jìn)入F-P腔，且與現(xiàn)有的光通訊設(shè)備相兼容。因此，借助本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)線性度好，靈敏度高，重復(fù)性強(qiáng)的光纖壓力傳感器，且制作成本低、步驟簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。
[0017]本發(fā)明的波紋膜片式法布里-珀羅壓力傳感器是對(duì)現(xiàn)有的壓力傳感器技術(shù)的提高和補(bǔ)充，能夠滿足科學(xué)研究和生產(chǎn)需求，有望解決傳感器向微型化發(fā)展和批量生產(chǎn)時(shí)遇到的問(wèn)題，適用于強(qiáng)電磁干擾、易燃易爆等惡劣環(huán)境，在石油化工和航空航天領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1是非本征型法布里-珀羅光纖傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，1-2X1耦合器，2-EFPI傳感器，3-入射光纖，4-準(zhǔn)直毛細(xì)管，5-空氣隙，6-熔接點(diǎn)；
[0019]圖2是本發(fā)明膜片式法布里一珀羅型光纖壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，其中，7-法蘭盤(pán)，8-凹槽，9-玻璃圓環(huán)，10-波紋膜片，11-光纖插頭；
[0020]圖3是傳感器壓力測(cè)試系統(tǒng)，其中12-計(jì)算機(jī)，13-光傳感分析儀，14-膜片式光纖壓力傳感器，15-光纖親合器；
[0021]圖4是本發(fā)明膜厚為30 μm、腔長(zhǎng)為137.11 μm的傳感器實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0023]如圖2所示，本發(fā)明的波紋膜片式法布里一珀羅型光纖壓力傳感器，包括波紋膜片10、玻璃圓環(huán)9、光纖法蘭盤(pán)7和光纖插頭11，玻璃圓環(huán)9的一個(gè)端面與波紋膜片10粘結(jié)，其另一端的外壁與光纖法蘭盤(pán)的凹槽8粘結(jié)；光纖插頭11與光纖法蘭盤(pán)7耦合，光纖插頭11位于玻璃圓環(huán)9的內(nèi)部，且光纖插頭11的端面與波紋膜片10的下表面形成法布里一珀羅腔。
[0024]本實(shí)施例制備波紋膜片式法布里一珀羅型光纖壓力傳感器的步驟如下:
[0025](I)選定厚度為30 μ m，波高為60 μ m的316L不銹鋼波紋膜片10 ;
[0026](2)將內(nèi)徑為8mm，外徑為Icm的玻璃圓管切割成高度為3.2毫米長(zhǎng)的圓環(huán)，然后將切割后的玻璃圓環(huán)9的端面進(jìn)行拋光；
[0027](3)將波紋膜片10與玻璃圓環(huán)9的一個(gè)端面粘結(jié)，使波紋膜片10的同心圓圓心與玻璃圓環(huán)9的圓心重合，用365nm的紫外燈將粘結(jié)材料快速固化；
[0028](4)在玻璃圓環(huán)9另一端的外壁上均勻涂上粘結(jié)材料，將其粘結(jié)到光纖法蘭盤(pán)7的凹槽8中并將其封裝固化；
[0029](5)將光纖插頭11旋接于光纖法蘭盤(pán)上7，光纖插頭11的端面與波紋膜片10的下表面形成法布里一珀羅腔。
[0030](6)最后將法蘭盤(pán)7安裝到封裝套管基座上，即完成了傳感器的制作。
[0031]如圖3所示，利用本發(fā)明膜片式光纖壓力傳感器14搭建了光纖法布里-珀羅微壓傳感器測(cè)試系統(tǒng)。光源輸出的光通過(guò)一個(gè)2X2光纖親合器15被分成強(qiáng)度相等的兩束光，一束光被接回到CH2檢測(cè)通道，作為入射參考光，另一束傳輸經(jīng)過(guò)光纖壓力傳感器14的F-P微腔形成干涉信號(hào)，再通過(guò)光纖耦合器15接回到CHl檢測(cè)通道，作為反射測(cè)量光，兩束光同時(shí)在光纖傳感分析儀13中進(jìn)行掃描并傳輸入計(jì)算機(jī)12。光纖壓力傳感器14腔長(zhǎng)的改變會(huì)使反射譜的相位發(fā)生移動(dòng)，腔長(zhǎng)的大小可由波紋膜片10上的施壓而引起波紋膜片的形變量所控制，通過(guò)解調(diào)反射光譜，可得出作用于波紋膜上的壓力。本發(fā)明傳感器的結(jié)構(gòu)提高了微壓傳感器的靈敏度和精度。
[0032]如圖4所示，用YS-2.5型活塞壓力計(jì)對(duì)本發(fā)明傳感器從O至0.1MPa進(jìn)行均勻升壓，每隔0.0lMPa標(biāo)定一次，并用Labview軟件仿真得到傳感器的腔長(zhǎng)隨壓力變化曲線及擬合直線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本傳感器在O?0.1MPa的壓力范圍內(nèi)，線性度好、靈敏度高，靈敏度達(dá)到了 518.02 μ m/MPa ο
【主權(quán)項(xiàng)】
1.波紋膜片式法布里一珀羅型光纖壓力傳感器，包括波紋膜片、玻璃圓環(huán)、光纖法蘭盤(pán)和光纖插頭，其特征在于，所述玻璃圓環(huán)的一個(gè)端面與波紋膜片粘結(jié)，其另一端的外壁與光纖法蘭盤(pán)的凹槽粘結(jié)；所述光纖插頭與光纖法蘭盤(pán)耦合，光纖插頭位于玻璃圓環(huán)的內(nèi)部，且光纖插頭的端面與波紋膜片的表面形成法布里一珀羅腔。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波紋膜片式法布里一珀羅型光纖壓力傳感器，其特征在于，所述波紋膜片采用厚度為30 μm、波高為60 μπι的316L不銹鋼波紋膜片。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波紋膜片式法布里一珀羅型光纖壓力傳感器，其特征在于，所述波紋膜片的同心圓圓心與玻璃圓環(huán)的圓心重合。4.如權(quán)利要求1所述波紋膜片式法布里一珀羅型光纖壓力傳感器的制造方法，其特征在于，制作步驟如下: (1)選定厚度為30μm、波高為60 μπι的316L不銹鋼波紋膜片； (2)將內(nèi)徑為8mm、外徑為Icm的玻璃圓管割成高度為3.2毫米的圓環(huán)，然后將切割后的玻璃圓環(huán)的端面進(jìn)行拋光； (3)將波紋膜片與玻璃圓環(huán)的一個(gè)端面粘結(jié)，使波紋膜片的同心圓圓心與玻璃圓環(huán)的圓心重合，用365nm的紫外燈將粘結(jié)材料快速固化； (4)在玻璃圓環(huán)另一端的外壁上均勻涂上粘結(jié)材料，將其粘結(jié)到光纖法蘭盤(pán)的凹槽中并將其封裝固化； (5)將光纖插頭旋接于光纖法蘭盤(pán)上，光纖插頭的端面與波紋膜片的下表面形成法布里一珀羅腔； (6)最后將法蘭盤(pán)安裝到封裝套管基座上，即完成了傳感器的制作。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種波紋膜片式法布里－珀羅型光纖壓力傳感器及其制作方法。光纖壓力傳感器包括波紋膜片、玻璃圓環(huán)、光纖法蘭盤(pán)和光纖插頭，其中，玻璃圓環(huán)的一個(gè)端面與波紋膜片粘結(jié)，其另一端的外壁與光纖法蘭盤(pán)的凹槽粘結(jié)；光纖插頭與光纖法蘭盤(pán)耦合，光纖插頭位于玻璃圓環(huán)的內(nèi)部，且光纖插頭的端面與波紋膜片的表面形成法布里－珀羅腔。本發(fā)明的波紋膜片式法布里-珀羅壓力傳感器是對(duì)現(xiàn)有的壓力傳感器技術(shù)的提高和補(bǔ)充，能夠滿足科學(xué)研究和生產(chǎn)需求，有望解決傳感器向微型化發(fā)展和批量生產(chǎn)時(shí)遇到的問(wèn)題，適用于強(qiáng)電磁干擾、易燃易爆等惡劣環(huán)境，在石油化工和航空航天領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景。
【IPC分類(lèi)】G01L11/02, G01L1/24
【公開(kāi)號(hào)】CN105092122
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510571383
【發(fā)明人】王鳴, 陳露, 朱佳利, 沈萌
【申請(qǐng)人】南京師范大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年11月25日
【申請(qǐng)日】2015年9月9日