基于3乘3耦合器的光纖干涉型壓力傳感器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于3乘3耦合器的光纖干涉型壓力傳感器，其是由半導(dǎo)體激光器，隔離器，平行排列3*3耦合器，導(dǎo)光光纖，壓力敏感探頭，參考光纖繞環(huán)，法拉第旋鏡，光電探測(cè)器，上位機(jī)解調(diào)系統(tǒng)組成。壓力敏感探頭是壓力傳感的關(guān)鍵部分，主要原理是將外部壓力變化轉(zhuǎn)化為光纖長(zhǎng)度等物理特性的變化，進(jìn)而引起整個(gè)邁克爾遜干涉結(jié)構(gòu)中參考臂和信號(hào)臂之間長(zhǎng)度的變化和傳感光纖中光的相位信號(hào)的變化，通過(guò)干涉，相位信號(hào)的變化轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)信號(hào)的變化，通過(guò)解調(diào)光電探測(cè)器探測(cè)到的光強(qiáng)信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)相位信號(hào)變化的測(cè)量，進(jìn)而可以反演出壓力信號(hào)的變化。本實(shí)用新型可以實(shí)現(xiàn)壓力信號(hào)的測(cè)量。
【專利說(shuō)明】
基于3乘3耦合器的光纖干涉型壓力傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型涉及光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于3*3耦合器的邁克爾遜干 涉型壓力傳感器。。
【背景技術(shù)】
[0002] 壓力傳感器作為一種典型的傳感器，涉及到關(guān)乎國(guó)計(jì)民生的各個(gè)領(lǐng)域。壓力傳感 器通常利用敏感部件對(duì)環(huán)境變量如物理效應(yīng)，化學(xué)效應(yīng)等制成各種各樣的壓力傳感器，壓 力測(cè)量的范圍逐漸提高，隨著傳感器向集成化，智能化，小型化，系列化和標(biāo)準(zhǔn)化方面的發(fā) 展，以及隨著現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，數(shù)據(jù)信號(hào)處理技術(shù)的提高，高精度，高靈敏度的壓 力傳感器的需求也越來(lái)越大，光纖壓力傳感器伴隨著新技術(shù)的發(fā)展成為一種新的研究趨 勢(shì)。
[0003] 光纖壓力傳感器自十九世紀(jì)70年代開(kāi)始投入研究，根據(jù)光纖在測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng) 用，目前光纖壓力傳感器主要可以分為功能型光纖壓力傳感器和非功能型光纖壓力傳感 器。功能型光纖壓力傳感器是在外界壓力作用下對(duì)光纖自身的某些光學(xué)特性進(jìn)行調(diào)制，而 非功能型光纖壓力傳感器是借助其他光學(xué)敏感元件來(lái)完成傳感功能。在公開(kāi)專利號(hào)為 CN102297743A的中國(guó)專利中，提出了 一種光纖壓力傳感器，其主要部件為彈性薄膜，光學(xué)諧 振腔和光纖準(zhǔn)直器，彈性薄膜與光纖準(zhǔn)直器相對(duì)的一面鍍有高反射膜，當(dāng)外界壓力改變的 時(shí)候，會(huì)引起彈性膜片發(fā)生形變，進(jìn)而反射光反射到光纖準(zhǔn)直器端面上的能量會(huì)隨著壓力 的改變而改變，通過(guò)測(cè)量出射光的壓強(qiáng)即可實(shí)現(xiàn)壓力的連續(xù)監(jiān)測(cè)，對(duì)于這種強(qiáng)度調(diào)制型的 光纖傳感器靈敏度和精度都相對(duì)較低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。在公開(kāi)專利號(hào)為CN1743821A 的中國(guó)專利中提出了一種高性能光纖壓力傳感器，其具體涉及一種油井狀態(tài)監(jiān)測(cè)的高性能 光纖壓力傳感器，其主要原理在于通過(guò)光譜分析儀把琺-珀腔長(zhǎng)度的變化測(cè)量出來(lái)，進(jìn)而實(shí) 現(xiàn)壓力的測(cè)量。但由于琺-珀腔的制作加工難度較大，并且量程范圍小具有一定的局限性， 且需要配合光譜分析儀進(jìn)行操作，這大大提高了成本，降低了工程應(yīng)用中實(shí)用性。
[0004] 光纖干涉型壓力傳感器具有體積小，重量輕，抗電磁干擾，抗輻射，耐高溫，耐腐 蝕，高靈敏度，高精度的特點(diǎn)，光纖干涉型壓力傳感器在計(jì)量科學(xué)領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前 景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本實(shí)用新型針對(duì)現(xiàn)有壓力傳感器的不足，他提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，可靠 性強(qiáng)，成本相對(duì)較低的基于3*3耦合器的光纖干涉型壓力傳感器。
[0006] 本實(shí)用新型包括如下技術(shù)方案：
[0007] -種基于3*3耦合器的光纖干涉型壓力傳感器，具體包括半導(dǎo)體激光器（1 )，隔離 器(2)，平行排列3*3耦合器(3)，第一導(dǎo)光光纖(4)，第二導(dǎo)光光纖(5)，壓力敏感探頭(6)，參 考光纖繞環(huán)(7)，第一法拉第旋鏡(8)，第二法拉第旋鏡(9)，第一光電探測(cè)器（10)，第二光電 探測(cè)器（11)，上位機(jī)解調(diào)系統(tǒng)（12)。半導(dǎo)體激光器（1)通過(guò)單模光纖與隔離器(2)的輸入端 相連，隔離器(2)的輸出端與平行排列3*3耦合器(3)的輸入端相連，平行排列3*3耦合器(3) 的兩個(gè)輸出端其中一個(gè)與第一導(dǎo)光光纖(4)相連，另一個(gè)輸出端與第二導(dǎo)光光纖(5)相連， 第一導(dǎo)光光纖(4)與壓力傳感探頭(6)相連，第二導(dǎo)光光纖(5)與參考光纖繞環(huán)(7)相連，壓 力傳感探頭(6)與第一法拉第旋鏡(8)相連，參考光纖繞環(huán)(7)與第二法拉第旋鏡(9)相連， 參考光纖繞環(huán)(7)與壓力傳感探頭構(gòu)成邁克爾遜干涉的干涉臂，與平行排列3*3耦合器(3) 的輸入端同側(cè)的兩個(gè)端口作為干涉的輸出端分別與第一光電探測(cè)器（10)和第二光電探測(cè) (11)相連，第一光電探測(cè)器（10)和第二光電探測(cè)器（11)與上位機(jī)解調(diào)系統(tǒng)（12)相連。系統(tǒng) 中的壓力傳感探頭通過(guò)改變光纖的物理特性實(shí)現(xiàn)壓力傳感，整個(gè)壓力傳感系統(tǒng)是建立在邁 克遜干涉原理之上。
[0008] 本實(shí)用新型的原理:基于3*3耦合器的光纖壓力傳感器主要基于了邁克爾遜干涉 的原理，實(shí)現(xiàn)相位差的判斷，并利用平行排列3*3耦合器的性質(zhì)實(shí)現(xiàn)相位改變方向的判斷， 從而實(shí)現(xiàn)壓力變化的測(cè)量。光纖中傳輸光的相位會(huì)由于光纖的應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)，泊松效應(yīng)和 光彈效應(yīng)而改變。壓力信號(hào)作用于壓力傳感探頭中的傳導(dǎo)光纖，使傳導(dǎo)光纖中光的相位信 號(hào)發(fā)生改變，在邁克爾遜干涉結(jié)構(gòu)中，由于壓力傳感器所構(gòu)成的信號(hào)臂和參考繞環(huán)所構(gòu)成 的參考臂之間的相位信號(hào)發(fā)生改變，干涉后的輸出會(huì)發(fā)生改變，光電探測(cè)器將干涉信號(hào)轉(zhuǎn) 化為光強(qiáng)信號(hào)，并且由于平行排列3*3耦合器之間的弱耦合特性，干涉后由平行排列3*3耦 合器輸出的兩路信號(hào)具有固定的相位差2V3,根據(jù)條紋計(jì)數(shù)法可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的解調(diào)，將相 位信號(hào)從光強(qiáng)信號(hào)解調(diào)出來(lái)，由相位信號(hào)和壓力信號(hào)的線性關(guān)系，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)壓力的測(cè) 量。具體可以采用以下的方法：由資料可知，由于干涉后3*3偶合器的輸出具有如下的近似 關(guān)系：
[0009]
[0010] 其中Φ (t)為光源隨機(jī)相位漂移，δ為兩路光的固定相位差，在這套系統(tǒng)中固定相 位差近似為2V3。當(dāng)由于壓力作用于壓力傳感探頭，壓力傳感探頭中光的相位信號(hào)發(fā)生改 變，干涉后輸出光強(qiáng)的值發(fā)生變化，對(duì)于正余弦信號(hào)，隨著相位信號(hào)的不斷增加或減少，其 幅值周期性的變化，因此以第一光電探測(cè)器為例，通過(guò)計(jì)算光強(qiáng)信號(hào)其周期變化的個(gè)數(shù)即 可求得相位信號(hào)的改變量，但是僅憑此無(wú)法判斷相位信號(hào)的變化方向，因此通過(guò)對(duì)比第一 光電探測(cè)器與第二光電探測(cè)器所測(cè)得的光強(qiáng)信號(hào)，采用條紋計(jì)數(shù)中的判向方法即可解調(diào)出 相位變化大小和方向。由于相位信號(hào)與壓力信號(hào)具有線性關(guān)系，因此可以反演出壓力信號(hào) 的變化，實(shí)現(xiàn)壓力的測(cè)量。
[0011] 有益效果：
[0012] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，該實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)，該基于3*3耦合器的光纖干涉型壓力 傳感器，利用了邁克爾遜干涉結(jié)構(gòu)和平行排列3*3耦合器的性質(zhì)，1)結(jié)構(gòu)靈活，靈敏度高，量 程易調(diào)整，2)判向容易，解調(diào)方便，精度較高，3)便于生產(chǎn)和應(yīng)用，且本質(zhì)安全，4)抗電磁干 擾，耐腐蝕，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的高精度測(cè)量。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1基于3乘3耦合器的光纖干涉型壓力傳感器系統(tǒng)框圖；
[0014]圖2基于3乘3耦合器的光纖干涉型壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖；
[0015]圖3壓力敏感探頭結(jié)構(gòu)圖；
[0016]圖4壓力敏感探頭剖面圖。
[0017]圖中的標(biāo)記：
[0018] 1.半導(dǎo)體寬激光器，2.隔離器，3.平行排列3*3耦合器，4.第一導(dǎo)光光纖，5.第二導(dǎo) 光光纖，6.壓力敏感探頭，7 .參考光纖繞環(huán)，8.第一法拉第旋鏡，9.第二法拉第旋鏡，10.第 一光電探測(cè)器，11.第二光電探測(cè)器，12.上位機(jī)解調(diào)系統(tǒng)，13.敏感探頭殼體，14.敏感探頭 承重體，15.第一同軸柱體，16.傳感光纖，17.硅膠層，18.第二同軸柱體。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明，但不限于此。
[0020] 實(shí)施例1
[0021] 如圖1所示，基于3乘3耦合器的光纖干涉型壓力傳感器的系統(tǒng)框圖。該實(shí)用新型包 括半導(dǎo)體激光器，隔離器，平行排列3*3耦合器，壓力傳感臂，參考光纖臂，光電探測(cè)器，上位 機(jī)解調(diào)系統(tǒng)共七大部分。半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光經(jīng)過(guò)隔離器后傳入平行排列3*3耦合器后 分成兩束光，一束通過(guò)壓力傳感臂后返回，另一束光通過(guò)參考光纖臂后返回，反回的光在平 行排列3*3耦合器中發(fā)生干涉，分成三束光其中兩束進(jìn)入光電探測(cè)器后由上位機(jī)解調(diào)系統(tǒng) 對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力信號(hào)的測(cè)量。
[0022] 實(shí)施例2
[0023] 如圖2所示，基于3乘3耦合器的光纖干涉型壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖。該傳感器結(jié)構(gòu)包括 半導(dǎo)體激光器1，隔離器2，平行排列3*3耦合器3，導(dǎo)光光纖4、5，壓力敏感探頭6，參考光纖繞 環(huán)7,法拉第旋鏡8、9,光電探測(cè)器10、11，上位機(jī)解調(diào)系統(tǒng)12。半導(dǎo)體窄帶寬激光器1與隔離 器2相連，隔離器2的輸出端與平行排列3*3耦合器3相連，平行排列3*3耦合器3的兩個(gè)輸出 端分為A，B兩路，A路通過(guò)第一導(dǎo)光光纖4與壓力敏感探頭6相連，B路通過(guò)第二導(dǎo)光光纖5與 參考光纖繞環(huán)7相連，壓力敏感探頭6和參考光纖繞環(huán)7的輸出端與第一法拉第旋鏡8和第二 法拉第旋鏡9相連。返回的光經(jīng)耦合器后發(fā)生干涉，與平行性排列3*3耦合器的輸入端同側(cè) 的兩個(gè)端口作為系統(tǒng)的輸出端分別與第一光電探測(cè)器10和第二光電探測(cè)器11相連，第一光 電探測(cè)器10和第二光電探測(cè)器11的輸出信號(hào)由數(shù)據(jù)采集卡采入上位機(jī)解調(diào)系統(tǒng)12。
[0024] 該基于3乘3耦合器的光纖干涉型壓力傳感器是依據(jù)邁克爾遜干涉和平行排列3乘 3耦合器的耦合特性制成的。其工作原理是:為防止返回光對(duì)光源產(chǎn)生影響，半導(dǎo)體窄帶寬 激光器發(fā)出的光經(jīng)過(guò)隔離器后傳入平行排列3*3耦合器，光束經(jīng)過(guò)耦合器后被分成三束光， 取其中的兩路，一路光通過(guò)導(dǎo)光光纖進(jìn)入壓力敏感探頭后，經(jīng)過(guò)法拉第旋鏡后返回，另一路 光通過(guò)導(dǎo)光光纖后進(jìn)入?yún)⒖脊饫w繞環(huán)后，經(jīng)過(guò)法拉第旋鏡后返回，壓力敏感探頭內(nèi)的傳感 光纖和繞考光纖繞環(huán)中的傳感光纖構(gòu)成了邁克爾遜干涉結(jié)構(gòu)的信號(hào)臂和參考臂。返回后的 光經(jīng)過(guò)平行排列3*3耦合器后發(fā)生干涉，由于壓力的作用，使得參考臂和信號(hào)臂之間的相位 差發(fā)生改變，干涉后相位變化轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)變化，進(jìn)入光電探測(cè)器后的光強(qiáng)信號(hào)由上位機(jī)解 調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行解調(diào)可以解調(diào)出相位的變化，根據(jù)相位信號(hào)與壓力信號(hào)之間的線性關(guān)系，可以 實(shí)現(xiàn)壓力信號(hào)的測(cè)量。
[0025] 實(shí)施例3
[0026]如圖3、圖4所示，為該基于3乘3耦合器的光纖干涉型壓力傳感器的壓力敏感探頭 的結(jié)構(gòu)圖和剖面圖。由圖3和圖4可知，當(dāng)敏感探頭承重體14受到外界壓力的時(shí)候，會(huì)帶動(dòng)第 二同軸柱體18上下移動(dòng)，由于第一同軸柱體15與壓力敏感探頭殼體13相連，因此當(dāng)?shù)诙?軸柱體18上下移動(dòng)的時(shí)候會(huì)引起傳感光纖的長(zhǎng)度的伸縮從而使得邁克爾遜干涉系統(tǒng)中的 參考臂和信號(hào)臂間的相對(duì)長(zhǎng)度發(fā)生變化，進(jìn)而引起光纖中傳輸光的相位發(fā)生變化，最后通 過(guò)對(duì)光強(qiáng)信號(hào)的解調(diào)可以實(shí)現(xiàn)壓力的測(cè)量。在敏感探頭中，傳感光纖16上涂有硅膠層，防止 在沒(méi)有壓力時(shí)纏繞的傳感光纖位置錯(cuò)亂。纏繞在同軸柱體15和同軸柱體18上的傳感光纖的 匝數(shù)可以根據(jù)不同量程的需求進(jìn)行更改。
[0027] 實(shí)施例4
[0028] 在上述實(shí)施例1-3中，所提到的導(dǎo)光光纖和傳感光纖均為均為纖芯直徑為9μπι，包 層直徑為125μπι的單模普通光纖，半導(dǎo)體窄激光器的中心波長(zhǎng)為1550nm，敏感探頭中的硅膠 層所用硅膠在0-100攝氏度之間彈性模量基本穩(wěn)定，第一同軸柱體和第二同軸柱體的最大 半徑大于2cm，或大于光纖的彎曲半徑。
[0029] 以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能 認(rèn)定本實(shí)用新型的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)明。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可以根 據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)方案和發(fā)明構(gòu)思，做出相應(yīng)改變和替代，而且性能或用途相同，都應(yīng)當(dāng) 視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于3*3耦合器的光纖干涉型壓力傳感器，具體包括半導(dǎo)體激光器（I)，隔離器 (2)，平行排列3*3耦合器(3)，第一導(dǎo)光光纖(4)，第二導(dǎo)光光纖(5)，壓力敏感探頭(6)，參考 光纖繞環(huán)(7)，第一法拉第旋鏡(8)，第二法拉第旋鏡(9)，第一光電探測(cè)器(10)，第二光電探 測(cè)器(11)，上位機(jī)解調(diào)系統(tǒng)（12);其特征在于:半導(dǎo)體激光器的輸出端與隔離器的輸入端相 連，隔離器的輸出端與平行排列3* 3親合器的一個(gè)輸入端相連，親合器有三個(gè)輸出端，取其 中的兩個(gè)輸出端其中一路與第一導(dǎo)光光纖相連后與壓力敏感探頭和法拉第旋鏡依次相連； 另一路與第二導(dǎo)光光纖相連后與參考光纖繞環(huán)和法拉第旋鏡依次連接;壓力探頭和參考光 纖繞環(huán)分別構(gòu)成了邁克爾遜干涉的信號(hào)臂和參考臂;與耦合器輸入端同側(cè)的兩個(gè)端口分別 作為輸出端與光電探測(cè)器相連后接入上位機(jī)解調(diào)系統(tǒng)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于3*3耦合器的光纖干涉型壓力傳感器，其特征在于： 光纖干涉結(jié)構(gòu)中的壓力敏感探頭包括敏感探頭殼體（13)，敏感探頭承重體（14)，第一同軸 柱體（15)，傳感光纖（16)，硅膠層（17)，第二同軸柱體（18)組成;敏感探頭承重體（14)與第 二同軸柱體（18)相連，第一同軸柱體（15)與敏感探頭殼體（13)相連，傳感光纖（16)纏繞在 第一同軸柱體（15)和第二同軸柱體（18)之上，硅膠層（17)涂在傳感光纖（16)外層;其特征 在于當(dāng)外界壓力變化的時(shí)候，敏感探頭承重體會(huì)上下移動(dòng)，由于第一同軸柱體與殼體固定， 承重體上下移動(dòng)會(huì)使得傳感光纖拉伸會(huì)壓縮，硅膠層保證了纏繞的傳感光纖不會(huì)因?yàn)橥饬?變化而錯(cuò)亂，傳感光纖的拉伸會(huì)使得整個(gè)系統(tǒng)中參考臂和信號(hào)臂間的光信號(hào)的相位發(fā)生變 化，通過(guò)解調(diào)相位變化可以反演出壓力變化。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于3*3耦合器的光纖干涉型壓力傳感器，其特征在于： 所述的壓力敏感探頭(6)，其第一同軸柱體和第二同軸柱體的最大半徑大于2cm，即大于傳 感光纖的彎曲半徑;硅膠層所采用的硅膠在零到一百攝氏度范圍內(nèi)彈性模量變化很小，不 影響正常使用。
【文檔編號(hào)】G01L1/24GK205538043SQ201620340504
【公開(kāi)日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年4月21日
【發(fā)明人】郎金鵬, 王旭, 陳建冬, 常天英, 崔洪亮, 于淼, 高文智, 劉野
【申請(qǐng)人】吉林大學(xué)