CN105092122A - 波纹膜片式法布里－珀罗型光纤压力传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波纹膜片式法布里－珀罗型光纤压力传感器及其制作方法。光纤压力传感器包括波纹膜片、玻璃圆环、光纤法兰盘和光纤插头，其中，玻璃圆环的一个端面与波纹膜片粘结，其另一端的外壁与光纤法兰盘的凹槽粘结；光纤插头与光纤法兰盘耦合，光纤插头位于玻璃圆环的内部，且光纤插头的端面与波纹膜片的表面形成法布里－珀罗腔。本发明的波纹膜片式法布里-珀罗压力传感器是对现有的压力传感器技术的提高和补充，能够满足科学研究和生产需求，有望解决传感器向微型化发展和批量生产时遇到的问题，适用于强电磁干扰、易燃易爆等恶劣环境，在石油化工和航空航天领域有广泛应用前景。

Description

波纹膜片式法布里－珀罗型光纤压力传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种波纹膜片式法布里－珀罗型光纤压力传感器，可利用反射光谱的波长变化对信号进行解调。

背景技术

光纤传感器具备传输频带宽、动态测量范围大、易于组成分布式测量网的优点。光纤法布里-珀罗传感器结构的不同主要体现在构成其F-P腔的介质的区别。非本征型法布里-珀罗光纤传感器如图1所示，它的传感头是由两根端面平行的光纤和与光纤外径匹配的毛细管构成，两根固定光纤的垂直端面和空气隙形成F-P腔，当传感头外界温度、压力等环境因素发生变化时，引起F-P空气腔长度改变，通过检测F-P干涉返回光强变化特性实现传感。但这类传感器只能测量物体的应变而不能测量压力。

微型法布里-珀罗压力传感器通常有毛细管结构和膜片结构两种，毛细管结构的压力传感器对压力感知敏感度低，可用于大压强范围的测量，但不适于对精度要求高的微压测量。膜片式F-P腔结构理论上可以获得较高的灵敏度，但目前能够在光纤端面上制作高灵敏度膜片的技术仍存在诸多问题，比如工艺复杂，重复性弱，材料温度和力学特性差等。

发明内容

本发明提供了一种波纹膜片式法布里－珀罗型光纤压力传感器，其优化的参数及性能大大提高了传感器的精度和灵敏度，且重复性高、线性度好。同时提出一种该传感器的实际制备方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

波纹膜片式法布里－珀罗型光纤压力传感器，包括波纹膜片、玻璃圆环、光纤法兰盘和光纤插头，所述玻璃圆环的一个端面与波纹膜片粘结，其另一端的外壁与光纤法兰盘的凹槽粘结；所述光纤插头与光纤法兰盘耦合，光纤插头位于玻璃圆环的内部，且光纤插头的端面与波纹膜片的表面形成法布里－珀罗腔。

进一步地，所述波纹膜片采用厚度为30μm、波高为60μm的316L不锈钢波纹膜片。

进一步地，所述波纹膜片的同心圆圆心与玻璃圆环的圆心重合。

本发明上述波纹膜片式法布里－珀罗型光纤压力传感器的制作方法，步骤如下：

(1)选定厚度为30μm、波高为60μm的316L不锈钢波纹膜片；

(2)将内径为8mm、外径为1cm的玻璃圆管割成高度为3.2毫米的圆环，然后将切割后的玻璃圆环的端面进行抛光；

(3)将波纹膜片与玻璃圆环的一个端面粘结，使波纹膜片的同心圆圆心与玻璃圆环的圆心重合，用365nm的紫外灯将粘结材料快速固化；

(4)在玻璃圆环另一端的外壁上均匀涂上粘结材料，将其粘结到光纤法兰盘的凹槽中并将其封装固化；

(5)将光纤插头旋接于光纤法兰盘上，光纤插头的端面与波纹膜片的下表面形成法布里—珀罗腔；

(6)最后将法兰盘安装到封装套管基座上，即完成了传感器的制作。

从上述的传感器加工步骤可看出，光纤插头的端面和波纹膜片的下表面形成了F-P腔，光经过光纤直接进入F-P腔，避免了其他介质对光路的影响；采用316L不锈钢作为波纹膜与法兰盘的制备材料，这样就有效的降低了由于构成传感器的材料热膨胀系数不匹配而产生的热应力，又由于316L不锈钢(又称钛钢)中含钼，所以和其他不锈钢相比，该不锈钢的性能优于其他不锈钢。另外，光纤法兰盘本身就是用来对准光纤的，本发明的设计可保证光能垂直进入F-P腔，且与现有的光通讯设备相兼容。因此，借助本发明可以实现线性度好，灵敏度高，重复性强的光纤压力传感器，且制作成本低、步骤简单、易于实现。

本发明的波纹膜片式法布里-珀罗压力传感器是对现有的压力传感器技术的提高和补充，能够满足科学研究和生产需求，有望解决传感器向微型化发展和批量生产时遇到的问题，适用于强电磁干扰、易燃易爆等恶劣环境，在石油化工和航空航天领域有广泛应用前景。

附图说明

图1是非本征型法布里-珀罗光纤传感器的结构示意图，其中，1-2×1耦合器，2-EFPI传感器，3-入射光纤，4-准直毛细管，5-空气隙，6-熔接点；

图2是本发明膜片式法布里－珀罗型光纤压力传感器结构示意图，其中，7-法兰盘，8-凹槽，9-玻璃圆环，10-波纹膜片，11-光纤插头；

图3是传感器压力测试***，其中12-计算机，13-光传感分析仪，14-膜片式光纤压力传感器，15-光纤耦合器；

图4是本发明膜厚为30μm、腔长为137.11μm的传感器实验结果。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图，对本发明作进一步详细说明。

如图2所示，本发明的波纹膜片式法布里－珀罗型光纤压力传感器，包括波纹膜片10、玻璃圆环9、光纤法兰盘7和光纤插头11，玻璃圆环9的一个端面与波纹膜片10粘结，其另一端的外壁与光纤法兰盘的凹槽8粘结；光纤插头11与光纤法兰盘7耦合，光纤插头11位于玻璃圆环9的内部，且光纤插头11的端面与波纹膜片10的下表面形成法布里－珀罗腔。

本实施例制备波纹膜片式法布里－珀罗型光纤压力传感器的步骤如下：

(1)选定厚度为30μm，波高为60μm的316L不锈钢波纹膜片10；

(2)将内径为8mm，外径为1cm的玻璃圆管切割成高度为3.2毫米长的圆环，然后将切割后的玻璃圆环9的端面进行抛光；

(3)将波纹膜片10与玻璃圆环9的一个端面粘结，使波纹膜片10的同心圆圆心与玻璃圆环9的圆心重合，用365nm的紫外灯将粘结材料快速固化；

(4)在玻璃圆环9另一端的外壁上均匀涂上粘结材料，将其粘结到光纤法兰盘7的凹槽8中并将其封装固化；

(5)将光纤插头11旋接于光纤法兰盘上7，光纤插头11的端面与波纹膜片10的下表面形成法布里—珀罗腔。

(6)最后将法兰盘7安装到封装套管基座上，即完成了传感器的制作。

如图3所示，利用本发明膜片式光纤压力传感器14搭建了光纤法布里-珀罗微压传感器测试***。光源输出的光通过一个2×2光纤耦合器15被分成强度相等的两束光，一束光被接回到CH2检测通道，作为入射参考光，另一束传输经过光纤压力传感器14的F-P微腔形成干涉信号，再通过光纤耦合器15接回到CH1检测通道，作为反射测量光，两束光同时在光纤传感分析仪13中进行扫描并传输入计算机12。光纤压力传感器14腔长的改变会使反射谱的相位发生移动，腔长的大小可由波纹膜片10上的施压而引起波纹膜片的形变量所控制，通过解调反射光谱，可得出作用于波纹膜上的压力。本发明传感器的结构提高了微压传感器的灵敏度和精度。

如图4所示，用YS-2.5型活塞压力计对本发明传感器从0至0.1MPa进行均匀升压，每隔0.01MPa标定一次，并用Labview软件仿真得到传感器的腔长随压力变化曲线及拟合直线。实验结果表明，本传感器在0～0.1MPa的压力范围内，线性度好、灵敏度高，灵敏度达到了518.02μm/MPa。

Claims (4)

1.波纹膜片式法布里－珀罗型光纤压力传感器，包括波纹膜片、玻璃圆环、光纤法兰盘和光纤插头，其特征在于，所述玻璃圆环的一个端面与波纹膜片粘结，其另一端的外壁与光纤法兰盘的凹槽粘结；所述光纤插头与光纤法兰盘耦合，光纤插头位于玻璃圆环的内部，且光纤插头的端面与波纹膜片的表面形成法布里－珀罗腔。

2.根据权利要求1所述的波纹膜片式法布里－珀罗型光纤压力传感器，其特征在于，所述波纹膜片采用厚度为30μm、波高为60μm的316L不锈钢波纹膜片。

3.根据权利要求1所述的波纹膜片式法布里－珀罗型光纤压力传感器，其特征在于，所述波纹膜片的同心圆圆心与玻璃圆环的圆心重合。

4.如权利要求1所述波纹膜片式法布里－珀罗型光纤压力传感器的制作方法，其特征在于，制作步骤如下：

(1)选定厚度为30μm、波高为60μm的316L不锈钢波纹膜片；

(2)将内径为8mm、外径为1cm的玻璃圆管割成高度为3.2毫米的圆环，然后将切割后的玻璃圆环的端面进行抛光；

(3)将波纹膜片与玻璃圆环的一个端面粘结，使波纹膜片的同心圆圆心与玻璃圆环的圆心重合，用365nm的紫外灯将粘结材料快速固化；

(4)在玻璃圆环另一端的外壁上均匀涂上粘结材料，将其粘结到光纤法兰盘的凹槽中并将其封装固化；

(5)将光纤插头旋接于光纤法兰盘上，光纤插头的端面与波纹膜片的下表面形成法布里—珀罗腔；

(6)最后将法兰盘安装到封装套管基座上，即完成了传感器的制作。