帶有溫度自補(bǔ)償?shù)墓饫wf-p腔壓力傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于光纖傳感【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及帶有溫度自補(bǔ)償?shù)墓饫wF-P腔壓力傳感器。本發(fā)明帶有溫度自補(bǔ)償?shù)墓饫wF-P腔壓力傳感器，采用刻有光柵的光纖為傳導(dǎo)光纖，光學(xué)F-P腔為壓力敏感元件。其中F-P腔敏感元件為非本征光纖F-P腔，光纖光柵和光學(xué)F-P腔通過膠黏結(jié)或者二氧化碳激光焊接的方式連接。傳感器按感壓方式不同分為帶有溫度自補(bǔ)償?shù)膫?cè)壓式光纖F-P腔壓力傳感器和帶有溫度自補(bǔ)償?shù)亩藟菏焦饫wF-P腔壓力傳感器兩種。
【專利說明】帶有溫度自補(bǔ)償?shù)墓饫wF-P腔壓力傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光纖傳感【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及帶有溫度自補(bǔ)償?shù)墓饫wF-P腔壓力傳感器?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]基于光纖Fabry-Perot (F-P)腔的壓力傳感器具有耐惡劣環(huán)境、抗電磁干擾等特點(diǎn)，適于在醫(yī)療、航空航天、橋梁建筑、高溫油井和國防等領(lǐng)域的壓力檢測應(yīng)用。法布里-珀羅干涉儀(Fabry-Perot Interferometer, FPI)結(jié)構(gòu)的光纖傳感器以其結(jié)構(gòu)簡單,體積小，高可靠性，高靈敏度，響應(yīng)時(shí)間短，單光纖信號傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)受到人們普遍的關(guān)注，并成為近年來光纖傳感技術(shù)及其應(yīng)用研究的熱點(diǎn)之一。
[0003]光纖F-P腔壓力傳感器的敏感端為光纖F-P腔，光波進(jìn)入光纖F-P腔后，在兩反射端面間來回反射，遵循多光束干涉的原理，形成多光束干涉光譜。在進(jìn)行壓力測試時(shí)，隨著壓力的變化，光纖F-P腔的腔長發(fā)生變化，從而引起多光束干涉光譜變化。通過軟件對光譜進(jìn)行采集、分析、計(jì)算，得到壓力值。光纖F-P腔壓力傳感器的敏感元件——F-P腔是由不同的材料制作而成，不同的材料具有不同的熱膨脹系數(shù)，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，構(gòu)成光纖F-P腔的材料尺寸會發(fā)生微小變化，從而引起光纖F-P腔的腔長變化，降低了光纖F-P腔壓力傳感器壓力測量的準(zhǔn)確性。雖然在后期的制作中，選用熱膨脹系數(shù)、泊松比等特性很接近的材料來制作光纖F-P腔，降低了溫度對光纖壓力傳感器測量精度的影響，但是，為了實(shí)現(xiàn)更高精度的壓力參數(shù)的測量和評定，就需要將溫度對光纖F-P腔的影響進(jìn)行分離。需要對環(huán)境溫度同時(shí)進(jìn)行測量，再結(jié)合光纖F-P腔的溫漂系數(shù)，采用軟件計(jì)算的方式對傳感器的壓力測量精度進(jìn)行補(bǔ)償。
[0004]天津大學(xué)制作的具有光纖光柵溫度補(bǔ)償?shù)墓饫wF-P腔傳感器，采用雙芯的玻璃傳感器體，一個(gè)芯放置傳導(dǎo)F-P腔干涉信號的多模光纖，一個(gè)芯放置感受溫度的光纖光柵，這種方法制作的光纖傳感器，采用兩根光纖傳導(dǎo)光，在解調(diào)系統(tǒng)中需要采用兩個(gè)光源，分別對F-P腔和光纖光柵產(chǎn)生的干涉信號進(jìn)行解調(diào)。另外天津大學(xué)還制作了雙F-P腔光纖壓力傳感器溫度自校正的傳感器，這種傳感器是在敏感頭端采用兩個(gè)F-P腔串聯(lián)的方式，其中一個(gè)F-P腔感受壓力和溫度的變化，另外一個(gè)F-P腔只感受溫度的變化，通過解調(diào)兩路干涉信號，實(shí)現(xiàn)壓力測量和溫度校正。
[0005]本文設(shè)計(jì)了一種帶有溫度自補(bǔ)償?shù)墓饫wF-P腔壓力傳感器，這種帶有溫度自補(bǔ)償?shù)墓饫wF-P腔壓力傳感器是采用刻有光柵的光纖作為光纖F-P腔壓力傳感器的傳導(dǎo)光纖，與光纖F-P腔壓力傳感器的敏感端連接，形成帶有溫度補(bǔ)償?shù)墓饫wF-P腔壓力傳感器。此傳導(dǎo)光纖不僅可以作為普通的光纖來傳導(dǎo)F-P腔產(chǎn)生的干涉信號，而且刻在光纖上的光柵可以實(shí)現(xiàn)對環(huán)境溫度的測量，得到壓力測試環(huán)境的溫度參數(shù)，再結(jié)合不同溫度下光纖F-P腔壓力傳感器壓力一溫度曲線，將溫度和壓力對光纖F-P腔產(chǎn)生的影響進(jìn)行分離，實(shí)現(xiàn)不同溫度環(huán)境下高精度的壓力測量。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明的目的是為了提出帶有溫度自補(bǔ)償?shù)墓饫wF-P腔壓力傳感器。
[0007]本發(fā)明的帶有溫度自補(bǔ)償?shù)墓饫wF-P腔壓力傳感器，該傳感器的傳感頭包括光纖A1、玻璃管3和光纖B2 ；
[0008]光纖A1的一部分插入到玻璃管3內(nèi)，光纖A1的另一部分位于玻璃管3外，作為傳導(dǎo)光纖與外圍解調(diào)設(shè)備連接；光纖A1與玻璃管3的頂端處2通過膠粘結(jié)或通過二氧化碳激光焊接；
[0009]光纖A1插入到玻璃管3內(nèi)的部分刻有光柵4 ；
[0010]光纖B2全部插入到玻璃管3內(nèi)，在玻璃管3內(nèi)，光纖A1與光纖B2的端面之間形成F-P腔；光纖A1位于玻璃管3內(nèi)的端面為F-P腔的一個(gè)反射端面；光纖B2位于玻璃管3內(nèi)的端面為F-P腔的另一個(gè)反射端面；
[0011]上述的傳感器屬于側(cè)壓式光纖F-P腔壓力傳感器。
[0012]帶有溫度自補(bǔ)償?shù)墓饫wF-P腔壓力傳感器，該傳感器的傳感頭包括膜片7、腔底9、導(dǎo)光光纖12和準(zhǔn)直管10 ；
[0013]腔底9的頂端開有一凹槽，膜片7與腔底9通過陽極鍵合的方式結(jié)合在一起，膜片7與凹槽之間形成F-P真空腔8 ；
[0014]準(zhǔn)直管10與腔底9的底端通過膠粘結(jié)或通過二氧化碳激光焊接；
[0015]準(zhǔn)直管10的底端鉆有喇叭孔13，喇叭孔13的內(nèi)壁粘結(jié)有一層膠黏劑，導(dǎo)光光纖12的一部分通過喇叭孔13插入到準(zhǔn)直管10內(nèi)，導(dǎo)光光纖12的頂端與腔底9的下表面齊平；導(dǎo)光光纖12插入到準(zhǔn)直管10內(nèi)的部分刻有光柵，導(dǎo)光光纖12的另一部分在準(zhǔn)直管10的外面，作為傳導(dǎo)光纖與外圍解調(diào)設(shè)備連接；
[0016]該傳感器為端壓式光纖F-P腔壓力傳感器。
[0017]有益效果
[0018]本發(fā)明帶有溫度自補(bǔ)償?shù)墓饫wF-P腔壓力傳感器，采用刻有光柵的光纖為傳導(dǎo)光纖，光學(xué)F-P腔為壓力敏感元件。其中F-P腔敏感元件為非本征光纖F-P腔，光纖光柵和光學(xué)F-P腔通過膠黏結(jié)或者C02激光焊接的方式連接。傳感器按感壓方式不同分為帶有溫度自補(bǔ)償?shù)膫?cè)壓式光纖F-P腔壓力傳感器和帶有溫度自補(bǔ)償?shù)亩藟菏焦饫wF-P腔壓力傳感器兩種。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為實(shí)施例1中側(cè)壓式光纖壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2為實(shí)施例2中端壓式光纖壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖3為光纖壓力傳感器的反射光譜。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0023]實(shí)施例1
[0024]如圖1所示，帶有溫度自補(bǔ)償?shù)墓饫wF-P腔壓力傳感器，該傳感器的傳感頭包括光纖A1、玻璃管3和光纖B2 ；
[0025]光纖A1的一部分插入到玻璃管3內(nèi)，光纖A1的另一部分位于玻璃管3外，作為傳導(dǎo)光纖與外圍解調(diào)設(shè)備連接；光纖A1與玻璃管3的頂端處2通過膠粘結(jié)或通過二氧化碳激光焊接；
[0026]光纖A1插入到玻璃管3內(nèi)的部分刻有光柵4 ；
[0027]光纖B2全部插入到玻璃管3內(nèi)，在玻璃管3內(nèi)，光纖A1與光纖B2的端面之間形成F-P腔；光纖A1位于玻璃管3內(nèi)的端面為F-P腔的一個(gè)反射端面；光纖B2位于玻璃管3內(nèi)的端面為F-P腔的另一個(gè)反射端面；
[0028]上述的傳感器屬于側(cè)壓式光纖F-P腔壓力傳感器。
[0029]帶有溫度自補(bǔ)償?shù)膫?cè)壓式光纖F-P腔壓力傳感器的制作過程為:1)將一根單模光纖或者多模光纖B2剝除涂覆層，清洗，切割，采用真空蒸發(fā)鍍膜的方式，得到平整的、鍍有高反射膜的光纖端面。2)選用刻有光柵的光纖A1，對其清洗、切割，得到平整的光纖端面，保證光纖端面距柵區(qū)的距離為2?3mm。3)用切割筆切割毛細(xì)玻璃管3，得到合適的長度。4)將切割好的兩根光纖、毛細(xì)玻璃管水平放置在焊接平臺上。調(diào)節(jié)微位移平臺，使兩根光纖與中間的玻璃管3軸向?qū)?zhǔn)。5)調(diào)節(jié)微位移平臺，使兩光纖均穿入毛細(xì)玻璃管3中，其中光纖A1的柵區(qū)部分4全部插入玻璃管3中，調(diào)節(jié)兩光纖端面的距離，得到所需要的光纖F-P腔5。6)采用C02激光焊接或者膠黏結(jié)的方式，將兩光纖和玻璃管密封連接，完成側(cè)壓式光纖傳感器敏感端的制作。
[0030]1.選取一根刻有2mm光柵的多模光纖，將光柵前端剝除涂覆層，清洗，切割，保證光纖的柵區(qū)距離端面2?3mm，2.將一根多模光纖剝除涂覆層、清洗、切割，得到平整的光纖端面。3.選用熔融石英的毛細(xì)玻璃管，其中毛細(xì)玻璃管外徑為0.3mm，內(nèi)徑為0.128mm，用玻璃切割筆切割毛細(xì)玻璃管，得到長度為10mm的毛細(xì)玻璃管4.將光纖具有平整端面的一端穿入毛細(xì)玻璃管的一端，另外一端穿入帶有光柵的光纖，其中光纖的柵區(qū)全部進(jìn)入毛細(xì)玻璃管中。5.利用微位移平臺，調(diào)節(jié)兩光纖端面之間的距離，調(diào)整到50?60微米。6.采用
0)2激光焊接的方式，在毛細(xì)玻璃管的兩端進(jìn)行激光焊接，保證兩端密封連接。7.將制作的傳感器進(jìn)行溫度循環(huán)退火，從而完成了帶有自補(bǔ)償?shù)墓饫wF-P腔壓力傳感器的制作。
[0031]通過此種方法制作的帶有溫度補(bǔ)償?shù)墓饫wF-P腔壓力傳感器，采用刻有光柵的光纖為傳導(dǎo)光纖，在傳輸光纖F-P腔光譜的同時(shí)，并測量環(huán)境溫度值，對光纖F-P腔壓力測量值進(jìn)行補(bǔ)償，其結(jié)構(gòu)簡單，緊湊，易實(shí)現(xiàn)。
[0032]實(shí)施例2
[0033]如圖2所示，帶有溫度自補(bǔ)償?shù)墓饫wF-P腔壓力傳感器，該傳感器的傳感頭包括膜片7、腔底9、導(dǎo)光光纖12和準(zhǔn)直管10 ；
[0034]腔底9的頂端開有一凹槽，膜片7與腔底9通過陽極鍵合的方式結(jié)合在一起，膜片7與凹槽之間形成F-P真空腔8 ；
[0035]準(zhǔn)直管10與腔底9的底端通過膠粘結(jié)或通過二氧化碳激光焊接；
[0036]準(zhǔn)直管10的底端鉆有喇叭孔13，喇叭孔13的內(nèi)壁粘結(jié)有一層膠黏劑，導(dǎo)光光纖12的一部分通過喇叭孔13插入到準(zhǔn)直管10內(nèi)，導(dǎo)光光纖12的頂端與腔底9的下表面齊平；導(dǎo)光光纖12插入到準(zhǔn)直管10內(nèi)的部分刻有光柵，導(dǎo)光光纖12的另一部分在準(zhǔn)直管10的外面，作為傳導(dǎo)光纖與外圍解調(diào)設(shè)備連接；
[0037]該傳感器為端壓式光纖F-P腔壓力傳感器。
[0038]光柵可以實(shí)現(xiàn)對環(huán)境溫度的測量；[0039]帶有溫度自補(bǔ)償?shù)亩藟菏焦饫wF-P壓力傳感器，其壓力敏感元件是通過MEMS工藝制作的F-P腔，通過刻蝕工藝在玻璃基底上刻蝕出陣列排放的圓柱形凹槽，再將減薄后的Si膜片鍵合到玻璃基底上，通過劃片工藝獲得一個(gè)個(gè)獨(dú)立的F-P腔。光纖F-P腔壓力傳感器的敏感端受到外界壓力和溫度的影響，刻有光柵的光纖通過準(zhǔn)直管與膜片構(gòu)成的光纖F-P腔相連接，形成帶有溫度自補(bǔ)償?shù)墓饫wF-P腔壓力傳感器。其制作方法為:1)選取刻有光柵的光纖12，對其清洗、切割，得到平整的光纖端面，其中柵區(qū)距光纖端面2?3mm，2)選取帶有喇叭孔的準(zhǔn)直管10，其中準(zhǔn)直管的內(nèi)徑稍大于光纖的外徑，3)將具有良好端面的光纖通過準(zhǔn)直管10的喇叭孔，穿入到準(zhǔn)直管10中，調(diào)節(jié)光纖12的位置，保證光纖12端面與準(zhǔn)直管10的另外一端齊平，4)通過夾具將感壓敏感端F-P腔的腔底底面與準(zhǔn)直管10端面貼緊，采用C02激光焊接或者膠黏結(jié)的方式將光纖12、準(zhǔn)直管10、以及MEMS工藝制作的F-P腔8連接到一起，完成端壓式光纖F-P腔壓力傳感器的制作。
[0040]通過上述方法制作的帶有溫度自補(bǔ)償?shù)墓饫wF-P腔壓力傳感器，采用刻制有光柵的光纖為傳導(dǎo)光纖，其中光柵與感壓敏感端F-P腔非常接近，可以視兩者在同一個(gè)溫度環(huán)境下。此光纖F-P腔壓力傳感器在進(jìn)行壓力測試時(shí)，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，光纖F-P腔的腔長受溫度和壓力的雙重影響。從而光纖F-P腔的反射光譜反應(yīng)的為當(dāng)前壓力和溫度的綜合影響，而構(gòu)成光纖F-P腔壓力傳感器的光纖光柵在空間中沒有約束力，其反射光譜不受壓力環(huán)境的影響，只因溫度的改變而發(fā)生變化。
[0041]帶有溫度自補(bǔ)償?shù)墓饫wF-P腔壓力傳感器通過傳導(dǎo)光纖與解調(diào)系統(tǒng)相連接，得到光纖F-P腔和光纖光柵的反射光譜，反射光譜如附圖3所示，F(xiàn)-P腔的反射光譜為一正弦波，光纖光柵的反射光譜為一尖峰。采用尋峰法，對兩反射光譜進(jìn)行采集計(jì)算，根據(jù)光纖光柵的反射光譜，得出測試環(huán)境的溫度參數(shù)，根據(jù)F-P腔的反射光譜得出測試環(huán)境的壓力值，將兩光譜得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，再結(jié)合不同溫度下光纖F-P腔壓力傳感器的壓力變化曲線，分離出溫度對F-P腔反射信號的影響，從而得到高精度的壓力測試值。
【權(quán)利要求】
1.帶有溫度自補(bǔ)償?shù)墓饫wF-P腔壓力傳感器，其特征在于:該傳感器的傳感頭包括光纖A、玻璃管和光纖B ;光纖A的一部分插入到玻璃管內(nèi)，光纖A的另一部分位于玻璃管外，作為傳導(dǎo)光纖與外圍解調(diào)設(shè)備連接；光纖A與玻璃管的頂端處通過膠粘結(jié)或通過二氧化碳激光焊接；光纖A插入到玻璃管內(nèi)的部分刻有光柵；光纖B全部插入到玻璃管內(nèi)，在玻璃管內(nèi)，光纖A與光纖B的端面之間形成F-P腔；光纖A位于玻璃管內(nèi)的端面為F-P腔的一個(gè)反射端面；光纖B位于玻璃管內(nèi)的端面為F-P腔的另一個(gè)反射端面。
2.帶有溫度自補(bǔ)償?shù)墓饫wF-P腔壓力傳感器，其特征在于:該傳感器的傳感頭包括膜片、腔底、導(dǎo)光光纖和準(zhǔn)直管；腔底的頂端開有一凹槽，膜片與腔底通過陽極鍵合的方式結(jié)合在一起，膜片與凹槽之間形成F-P真空腔；準(zhǔn)直管與腔底的底端通過膠粘結(jié)或通過二氧化碳激光焊接；準(zhǔn)直管的底端鉆有喇叭孔，喇叭孔的內(nèi)壁粘結(jié)有一層膠黏劑，導(dǎo)光光纖的一部分通過喇叭孔插入到準(zhǔn)直管內(nèi)，導(dǎo)光光纖的頂端與腔底的下表面齊平；導(dǎo)光光纖插入到準(zhǔn)直管內(nèi)的部分刻有光柵，導(dǎo)光光纖的另一部分在準(zhǔn)直管的外面，作為傳導(dǎo)光纖與外圍解調(diào)設(shè)備連接。
【文檔編號】G01L1/24GK103644987SQ201310606330
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月25日
【發(fā)明者】段玉培, 劉春紅, 張慧君, 張立喆 申請人:中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所