本實用新型涉及光纖氣壓傳感器技術領域，尤其涉及一種基于無芯光纖的氣壓傳感器。

背景技術：

光纖氣壓傳感器具有良好的絕緣、耐腐蝕、抗電磁干擾、利于復用、結構輕便等突出優(yōu)點，受到了人們的廣泛關注，尤其可以方便有效地應用于強電磁干擾、腐蝕性、易燃易爆、核輻射等惡劣特殊環(huán)境中。

目前,現有技術中的光纖氣壓傳感器的結構主要分為兩類：一類是基于膜片的光學腔結構，膜片、光纖端面及位于二者之間的空隙共同構成F-P腔，當待測氣壓發(fā)生變化時膜片發(fā)生相應形變，從而改變腔長進而實現傳感。該基于膜結構的氣壓傳感器的缺點是薄膜易破損、測量范圍較小、器件輔助結構繁瑣、操作復雜，導致其使用受到了極大限制。

另一類則需要借助結構復雜的特種光纖完成傳感功能，如邊孔光纖、邊孔光子晶體光纖、邊孔光纖光柵等。邊孔類光纖及器件通過檢測傳輸模式的變化感知氣壓變化，但邊孔氣壓變化對傳輸模式的影響非常微小，導致該類器件靈敏度不高。此外這邊孔類光纖制作難度大、價格昂貴，與傳輸信號使用的普通光纖接續(xù)困難，都限制了基于復雜結構特種光纖的氣壓傳感器進一步實用化。

技術實現要素：

本實用新型的實施例提供了一種基于無芯光纖的氣壓傳感器，以避免使用膜片及相應復雜結構、避免使用復雜特種光纖，并提高氣壓傳感器的應用范圍和測量精度。

為了實現上述目的，本實用新型采取了如下技術方案。

一種基于無芯光纖的氣壓傳感器，包括：無芯光纖、上端單模光纖、下端單模光纖、殼體、通道、封閉腔和連通腔；

所述無芯光纖的兩端分別與所述上端單模光纖、所述下端單模光纖熔接，形成多模干涉儀，該多模干涉儀豎直貫穿于帶有內部空腔的所述殼體中；

將一段液體在豎直方向上填充所述殼體的內部空腔的一段，由此將所述殼體的內部空腔分割為封閉腔和連通腔，所述封閉腔內預充一定氣壓的氣體。所述連通腔對應的殼體通過通道與待測環(huán)境連通。

進一步地，所述無芯光纖豎直放置且完全處于所述殼體的內部空腔內。

進一步地，所述液體與所述無芯光纖接觸，且液體高度高于所述無芯光纖的長度。

進一步地，所述無芯光纖與所述上端單模光纖之間的連接處低于所述殼體的內部空腔上壁，所述無芯光纖與所述下端單模光纖之間的連接處高于所述殼體的內部空腔下壁。

進一步地，當所述封閉腔位于所述連通腔的上部時，所述封閉腔中預充氣體的初始壓強P₀小于所述連通腔連通的待測環(huán)境初始壓強P_c0。

進一步地，當所述封閉腔位于所述連通腔的下部時，所述封閉腔中預充氣體的初始壓強P₀大于所述連通腔連通的待測環(huán)境初始壓強P_c0。

進一步地，在所述下端單模光纖的底部端面處設置反射裝置，所述反射裝置處于所述殼體的內部空腔內，且所述下端單模光纖和所述反射裝置高于所述殼體的內部空腔下壁。

進一步地，所述反射裝置位于液體下方且與液體無接觸。

進一步地，所述反射裝置為反射膜或曲面鏡。

進一步地，所述液體上方的所述封閉腔帶有連通口，該連通口與氣壓控制設備相連，以調整所述封閉腔中的氣壓。

由上述本實用新型的實施例提供的技術方案可以看出，本實用新型實施例提供的基于無芯光纖的大范圍高精度氣壓傳感器所用光纖結構極為簡單，無需使用膜片或復雜結構的特種光纖，避免了膜片和復雜結構特種光纖的使用，極大提高了器件的穩(wěn)定性和可靠性。采用穩(wěn)定的多模干涉取代F-P腔作為向光信號加載氣壓信息的方式，提高了傳感器抗外界干擾性能，能夠提供大范圍、高精度的氣壓傳感功能。

本實用新型附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，這些將從下面的描述中變得明顯，或通過本實用新型的實踐了解到。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本實用新型實施例一提供的基于無芯光纖的大范圍高精度氣壓傳感器的結構圖；

圖2為本實用新型實施例二提供的基于無芯光纖的大范圍高精度氣壓傳感器的結構圖。

圖3為本實用新型實施例三提供的基于無芯光纖的大范圍高精度氣壓傳感器的結構圖。

圖4為本實用新型實施例四提供的基于無芯光纖的大范圍高精度氣壓傳感器的結構圖。

圖5為本實用新型實施例五提供的基于無芯光纖的大范圍高精度氣壓傳感器的結構圖。

具體實施方式

下面詳細描述本實用新型的實施方式，所述實施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用于解釋本實用新型，而不能解釋為對本實用新型的限制。

本技術領域技術人員可以理解，除非特意聲明，這里使用的單數形式“一”、“一個”、“所述”和“該”也可包括復數形式。應該進一步理解的是，本實用新型的說明書中使用的措辭“包括”是指存在所述特征、整數、步驟、操作、元件和/或組件，但是并不排除存在或添加一個或多個其他特征、整數、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組。應該理解，當我們稱元件被“連接”或“耦接”到另一元件時，它可以直接連接或耦接到其他元件，或者也可以存在中間元件。此外，這里使用的“連接”或“耦接”可以包括無線連接或耦接。這里使用的措辭“和/或”包括一個或更多個相關聯的列出項的任一單元和全部組合。

本技術領域技術人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)具有與本實用新型所屬領域中的普通技術人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術語應該被理解為具有與現有技術的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。

為便于對本實用新型實施例的理解，下面將結合附圖以幾個具體實施例為例做進一步的解釋說明，且各個實施例并不構成對本實用新型實施例的限定。

本實用新型實施例使用最簡單的光纖器件、最簡潔的結構、提供優(yōu)異的測量范圍和測量精度。該傳感器光纖及器件制作極為簡易，殼體結構簡單制作安裝容易，器件性能穩(wěn)定、造價低廉、加工可重復性好，具有良好的應用潛力。

本實用新型實施例提供的一種基于無芯光纖的大范圍高精度氣壓傳感器包括：包括：無芯光纖、上端單模光纖、下端單模光纖、殼體、通道、封閉腔和連通腔。所述無芯光纖的兩端分別與所述上端單模光纖、所述下端單模光纖熔接，形成多模干涉儀，該多模干涉儀豎直貫穿于帶有內部空腔的所述殼體中。

將一段液體在豎直方向上填充殼體的內部空腔的一段，并將殼體的內部空腔分割為封閉腔和連通腔，封閉腔內預充一定氣壓的氣體。連通腔對應的殼體通過通道與待測環(huán)境連通。

液體與無芯光纖相接觸，無芯光纖實際上是勻質的石英絲，該光纖結構和制作與普通通信光纖相比更為容易，成本極為低廉。

實施例一

該實施例提供的一種基于無芯光纖的大范圍高精度氣壓傳感器的結構如圖1所示，包括：上端單模光纖1、無芯光纖2、下端單模光纖3、殼體4、通道 5、液體6、封閉腔7和連通腔8。具體連接方式為：

無芯光纖2的兩端分別與上端單模光纖1、下端單模光纖3熔接形成多模干涉儀。該熔接無特殊要求，可通過商用光纖熔接機直接完成。該多模干涉儀豎直貫穿帶有空腔的殼體4并牢固封裝。固定后干涉儀無芯光纖2完全處于空腔內，且無芯光纖2與上端單模光纖1之間的連接處低于空腔上壁、無芯光纖2 與下端單模光纖3之間的連接處高于空腔下壁。一段液體6在豎直方向上填充殼體4內部空腔的一段，并將空腔分割為封閉腔7和連通腔8兩個互不連通的部分。液體6的高度h_y應等于或略大于無芯光纖2的長度L以保證大量程。液體6在測量過程中需與無芯光纖2相接觸。封閉腔7內預充一定氣壓的氣體。連通腔8 對應的殼體通過通道5與待測環(huán)境連通。

測量光源從上端單模光纖1注入傳感器，攜帶氣壓信息的光信號從下端單模光纖3輸出。當待測環(huán)境氣壓發(fā)生變化時，連通腔8與封閉腔7之間的壓差會推動液體6發(fā)生相應的上移或下移，多模干涉儀能夠感知液體的位置變化產生的氣壓變化，進而將氣壓變化轉化為光信號的變化輸出。

無芯光纖2的直徑d和長度L、封閉腔7內預充氣體的初始壓強P₀及初始高度 h₀、液體6的密度ρ和高度h_y等參數均可進行調整以滿足具體的量程和精度要求。

為保證該結構的實施，依實施例一所示封閉腔7位于連通腔8上部時，要求封閉腔7中預充氣體的初始壓強P₀需小于連通腔8連通的待測環(huán)境初始壓強 P_c0。

實施例二

該實施例提供的一種基于無芯光纖的大范圍高精度氣壓傳感器的結構如圖2所示。本實施例的具體連接方式與實施例一相似，區(qū)別在于封閉腔7位于連通腔8的下部。本實施例針對的應用需求是封閉腔7中預充氣體的初始壓強P₀大于連通腔8連通的待測環(huán)境初始壓強P_c0。

實施例三

該實施例提供的一種基于無芯光纖的大范圍高精度氣壓傳感器的結構如圖3所示。具體連接方式為：無芯光纖2的兩端分別與上端單模光纖1、下端單模光纖3熔接形成多模干涉儀。該熔接無特殊要求，可通過商用光纖熔接機直接完成。下端單模光纖3的底部端面處設置反射裝置9，該反射裝置9可以為反射膜或曲面鏡。該多模干涉儀豎直貫穿帶有空腔的殼體4頂端并牢固封裝。固定后無芯光纖2及其下端單模光纖3、反射裝置9完全處于空腔內，且無芯光纖 2與上端單模光纖1之間的連接處低于空腔上壁、單模光纖3及反射裝置9高于空腔下壁。一段液體6在豎直方向上填充殼體4內部空腔的一段，并將空腔分割為封閉腔7和連通腔8兩個互不連通的部分。液體6的高度h_y應等于或略大于無芯光纖2的長度L以保證大量程。液體6在測量過程中需與無芯光纖2相接觸。封閉腔7內預充一定氣壓的氣體。連通腔8對應的殼體通過通道5與待測環(huán)境連通。

測量光源從單模光纖1注入傳感器，攜帶氣壓信息的光信號在單模光纖3 底端的反射裝置9處反射，然后返回單模光纖1輸出。當待測環(huán)境氣壓發(fā)生變化時，連通腔8與封閉腔7之間的壓差會推動液體6發(fā)生相應的上移或下移，多模干涉儀能夠感知液體的位置變化產生的氣壓變化，進而將氣壓變化轉化為光信號的變化輸出。

反射裝置9與已有F-P腔構成所用的膜片不同，裝置9不用于形成腔體，僅用于反射傳到此處的光信號，使光能夠從輸入單模光纖1處輸出。這樣做的原因是能夠減少一個端口，進一步簡化傳感器結構，降低構成系統(tǒng)的復雜度。

無芯光纖2的直徑d和長度L、封閉腔7內預充氣體的初始壓強P₀及初始高度 h₀、液體6的密度ρ和高度h_y等參數均可進行調整以滿足具體的量程和精度要求。

為保證該結構的實施，依實施例三所示封閉腔7位于連通腔8上部時，要求封閉腔7中預充氣體的初始壓強P₀需小于連通腔8連通的待測環(huán)境初始壓強P_c0。

實施例四

該實施例提供的一種基于無芯光纖的大范圍高精度氣壓傳感器的結構如圖4所示，本實施例的具體連接方式與實施例三相似，區(qū)別在于封閉腔7位于連通腔8的下部。本實施例針對的應用需求是封閉腔7中預充氣體的初始壓強P₀大于連通腔8連通的待測環(huán)境初始壓強P_c0。

實施例五

該實施例提供的一種基于無芯光纖的大范圍高精度氣壓傳感器的結構如圖5所示。本實施例的具體連接方式與實施例一相似，區(qū)別在于液體上方的封閉腔帶有可選的連通口10。連通口10用于與氣壓控制設備相連，以調整封閉腔7中的氣壓，氣體傳感器使用時連通口10封閉，腔7仍然為封閉腔。

關于液體封入的實施方法。以封閉腔在下為例，可以如下處理：首先將封閉腔部分在上豎直放置，從下部灌入液體。封住連通通道后翻轉腔體，封閉腔內預充氣體的氣壓即將液體頂住，之后將通道與待測氣壓(或標定氣壓)相連，液體會下移到平衡位置停住。這個位置就是測試起始點的位置。

關于由氣壓變化向多模光纖干涉儀光信號變化的轉化，本實用新型采用兩個結構的協(xié)作實現：一是封閉腔氣壓變化影響液體停留位置，二是利用多模光纖干涉儀感知液體停留位置。封閉腔體積變化與封入其中的氣體氣壓之間存在對應關系，當待測氣壓發(fā)生變化時，液體和兩側氣壓的整體平衡被破壞，舉例來說，若待測氣壓增大，則液體向預充氣體側移動，封閉腔體積減小，封入氣體氣壓增加，直到達到新的平衡。由此待測氣壓變化轉化為液體停留位置變化，并被多模光纖干涉儀感知，從而實現氣壓測量。

本領域技術人員應能理解上述實施例中的通道與連通腔的具體相對位置的應用類型僅為舉例，其他現有的或今后可能出現的通道與連通腔的相對位置的應用類型如可適用于本實用新型實施例，也應包含在本實用新型保護范圍以內，并在此以引用方式包含于此。

綜上所述，本實用新型實施例提供的一種基于無芯光纖的大范圍高精度氣壓傳感器具有如下的有益效果：

(1)本實用新型所用光纖結構極為簡單，無需使用膜片或復雜結構的特種光纖，避免了膜片和復雜結構特種光纖的使用，極大提高了器件的穩(wěn)定性和可靠性。

(2)本實用新型采用穩(wěn)定的多模干涉取代F-P腔作為向光信號加載氣壓信息的方式，提高了傳感器抗外界干擾性能。

(3)本實用新型所述連接和使用方式相結合，能夠提供大范圍、高精度的氣壓傳感功能。

(4)通過簡單調整該氣壓傳感器的部分結構參數，相比以往基于膜片或復雜特種光纖的氣壓傳感器，能夠大幅改變傳感器的氣壓檢測范圍和精度，提供大范圍、高精度的氣壓傳感功能。

(5)本實用新型構成簡單，結構穩(wěn)定，安裝使用容易，給實用化提供了極大便利。器件穩(wěn)定性好，成本極低，加工安裝容易，實用化可能性高，在氣壓傳感方面有良好的應用前景。

本說明書中的各個實施例均采用遞進的方式描述，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處。尤其，對于裝置或系統(tǒng)實施例而言，由于其基本相似于方法實施例，所以描述得比較簡單，相關之處參見方法實施例的部分說明即可。以上所描述的裝置及系統(tǒng)實施例僅僅是示意性的，可以根據實際的需要選擇或調整其中的部分或者全部模塊來實現本實施例方案的目的。本領域普通技術人員在不付出創(chuàng)造性勞動的情況下，即可以理解并實施。

以上所述，僅為本實用新型較佳的具體實施方式，但本實用新型的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內。因此，本實用新型的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。