CN106338352A - 一种无作用接触角测量误差的光纤压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无作用接触角测量误差的光纤压力传感器。传感器采用高灵敏度光纤F‑P腔结合球形压力传导密封结构实现无接触角测量误差的压力精确测量，其测量精度不受传感头接触角度变化影响。外界压力通过该球形压力传导结构作用于光纤F‑P腔的压力敏感端，并使其腔长发生变化，导致其干涉信号光谱特性改变，通过光纤F‑P腔反射干涉光谱特性数据分析精确地测量出压力大小。同时在反射光谱信号输出光纤上制作温度补偿光纤光栅，消除其温度与压力的交叉敏感，实现压力无接触角度误差的高精度测量。本发明装置具高灵敏度、抗电磁干扰、无温度串扰等特点，尤其是压力测量精度不受传感头接触角度变化的影响。

Description

一种无作用接触角测量误差的光纤压力传感器

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别是涉及一种全新的无作用接触角测量误差的光纤压力传感器。

背景技术

在生物医学领域，可侵入人体内的宽作用区域内压力的测量技术在疾病诊断中发挥着重要的作用；在高温、高压、强电磁干扰和腐蚀性的工业环境下,也需要宽作用区域光纤传感器对压力进行测试。光纤法布里-珀罗仪传感器以其灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化等优势近年来备受青睐。根据光纤法珀腔的不同，光纤法珀传感器可以分为以下三种：本征型光纤法珀干涉仪、非本征型光纤法珀干涉仪和线型光纤法珀干涉仪。常用光纤法珀腔传感器结构及制作工艺有全光纤结构法珀压力传感器、激光加工微型光纤压力传感器、二氧化硅膜片压力传感器，以上大都采用激光刻蚀加工的方法直接在光纤上形成全光纤结构的光纤布里-珀罗仪传感器。进入21世纪以来，将光纤传感技术和MEMS技术相结合制作新型光纤MEMS传感器凭借其高可靠性以及尺寸小、准确度高、动态范围大易于大规模集成化生产等诸多优势已经成为光纤传感器制作领域的新热点，然而传统的光纤F-P传感器由于其自身的结构设计缺陷使得测量精度很大程度上取决于传感头与测量点的接触角度，从而只能进行定向的高精度测量。为了解决实际应用中大角度范围压力的无误差测量本发明提出了一种无作用接触角测量误差的光纤压力传感器，能够实现传感头与测量点接触角度大范围内变化下的压力无误差测量。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种无作用接触角测量误差的光纤压力传感器，采用光纤F-P腔结合球形压力传导密封结构实现大接触角度范围变化的无误差压力测量，其测量精度不受传感头作用角度变化影响。利用两镀有一定反射率的光纤准直器端面，间隔一定距离，形成压力敏感光纤F-P腔，同时结合一种球形密封结构进行大接触角度范围内压力无损传导；外界压力通过球形压力传导密封结构传导至光纤F-P腔，导致其腔长变化，改变其干涉信号光谱特性，通过分析光纤F-P腔的反射干涉光谱特性数据，精确地测量出压力的大小，实现传感头与测量点接触角度大范围变化时的压力无误差测量。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种无作用接触叫测量误差的光纤传感器，包括：光源模块、光纤环形器、压力传感头模块、光谱采集模块和信号处理模块，所述光纤环形器包括与所述光源模块连接的第一端口与所述压力传感头模块连接的第二端口和与所述光谱采集模块连接的第三端口，所述光谱采集模块连接所述处理模块，所述压力传感头模块包括光纤F-P腔结构和球形压力传导密封结构；所述的球形压力传导密封结构对光纤F-P腔压力敏感端进行密封，并在所述的球形压力传导密封结构内充入填充物；

所述光源模块用于向所述第一端口输出稳定光谱和功率的光信号，所述第二端口用于将所述光信号注入所述压力传感头模块，以使所述压力传感头模块内的F-P腔向所述第二端口反射所述光信号的干涉光谱信号，所述第三端口用于向所述光谱采集模块输出所述干涉信号，所述光谱采集模块用于采集所述干涉信号的光谱特性数据，所述处理模块用于根据所述光谱特性数据精确测量微压力大小。

优选地，所述的光纤准直器端面镀有低反膜，两准直器端面间隔达到毫米量级，形成一种弱反射长腔长的光纤F-P腔压力敏感结构，保证压力的高精度测量。

优选地，所述填充物不限于液体、胶体或者胶状物质。

区别于现有技术的情况，本发明的有益效果是：

1、与传统的全光纤结构相比，本发明通过利用两光纤准直器端面间隔一定距离形成一种F-P腔，增加F-P腔干涉光束准直效果的同时增大了腔体半径，大大降低了光波损耗，提高了测量精度。

2、采用镀有低反膜的光纤准直器端面作为F-P腔反射面，同时将腔长拉长到几个毫米从而实现弱反射长腔长F-P腔压力敏感结构，而可以极大改善压力测量灵敏度，保证实现压力的高精度测量；

3、球形压力传导密封结构对光纤F-P腔压力敏感端进行密封，实现大接触角范围内的无误差压力感知，保证传感头与压力测量点接触角度大范围内变化不影响压力测量精度。

4、球形密封结构内部充入了一定的物质，实现接触角度大范围内变化的外界压力无损传导，实现无接触角度误差的压力高精度测量。

附图说明

图1是无作用接触角测量误差的光纤压力传感器测量装置示意图。

图2是球形压力传导密封结构示意图。

图3是球形压力传导结构密封球壳的力学模型示意图。

图4是无作用接触角测量误差的光纤压力传感器一种应用场景中的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，是本发明实施例无作用接触角测量误差的光纤压力传感器测量装置示意图。本实施例的无作用接触角测量误差的光纤压力传感器测量装置包括光源模块1、光纤环形器2、压力传感头模块3、光谱采集模块4和信号处理模块5。

光纤环形器2包括与光源模块1连接的第一端口D1、与压力传感头模块3连接的第二端口D2和与光谱采集模块4连接的第三端口D3，光谱采集模块4连接信号处理模块5。在本实施例中，光源模块1采用了有一定光谱宽度的宽光谱光源，光谱采集模块4采用了微型光谱仪，算法处理模块5采用了嵌入式CPU，嵌入式CPU对数据处理与分析，实现压力的精确测量。可选地，还可以为嵌入式CPU提供数据接口。压力传感头模块3采用充入了填充物的球形压力传导密封结构对F-P腔压力敏感端进行密封，实现大接触角范围内的无误差压力感知，保证传感头与压力测量点接触角度大范围内变化不影响压力测量精度。

光源模块1用于向第一端口D1输出稳定光谱和功率的光信号，第二端口D2用于将光信号注入压力传感头模块3，以使压力传感头模块内的光纤F-P腔向第二端口D2反射干涉光谱信号，第三端口D3用于向光谱采集模块4输出干涉光谱信号，光谱采集模块4用于采集干涉光谱信号的光谱特性数据，信号处理模块5用于根据光谱特性数据精确测量压力大小。

压力传感头模块3作为压力敏感传导结构，光信号进入压力传感头模块3的光纤F-P腔内后，球形压力传导结构可以无接触角测量误差的将外界压力传导至光纤F-P腔，使其腔长发生改变，导致光纤F-P腔反射的干涉信号光谱特性发生改变，最终对干涉光谱信号的光谱特性数据进行分析后就可以实现精确地测量出压力大小，从而实现了压力无接触角度误差的高精度测量。

具体而言，请参见图2，是图1中球形压力传导密封结构示意图。球形压力传导结构采用充入了填充物且球心过毛细管中轴线的密封球壳对光纤F-P腔压力敏感端进行密封，实现大接触角范围内的无误差压力感知。根据几何分析计算，设毛细管的内径为d,密封球壳的外径为R,则球形压力传导结构可以感知的压力范围的空间角度为α＝π-2arcsin(d/R)，通过选取一定规格的毛细管和密封球壳便可以实现接触角度大范围内变化的外界压力无损传导，实现无接触角度误差的压力高精度测量。

如图3所示，是图1中球形压力传导结构密封球壳的力学模型示意图。其中r_a和r_b分别代表内半径和外半径，δ为球壳的壁厚，即r_b＝r_a+δ，P_i和P_o分别表示内压强和外压强，r表示空间任意一点的半径(r介于r_a、r_b之间)，球壳的边界条件如下：当r＝r_a时，σ_r＝-P_i；当r＝r_b时，σ_r＝-P_o。由于密封球壳的几何对称性和压力的对称性，对于任一点始终满足径向应力与纬向应力相同，即σ_ρ＝σ_θ，此时的相关方程可用式(1)～(3)表示。

平衡微分方程：

$\frac{{\mathrm{d\σ}}_r}{dr}=\frac{2({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}-{\mathrm{\σ}}_r)}{r}---\left(1\right)$

弹性本构方程：

${\mathrm{\ϵ}}_r=\frac{1}{E}({\mathrm{\σ}}_r-2{\mathrm{v\σ}}_{\mathrm{\θ}})---\left(2\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\ρ}}={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\θ}}=\frac{1}{E}\[{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}-\mathrm{\ν}({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}+{\mathrm{\σ}}_r)\]---\left(3\right)$

式中ν为泊松比，E为杨氏模量。

几何方程：

${\mathrm{\ϵ}}_r=\frac{du}{dr}---\left(4\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\ρ}}={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\θ}}=\frac{(r+u)d\mathrm{\θ}-rd\mathrm{\θ}}{rd\mathrm{\θ}}=\frac{u}{r}---\left(5\right)$

通过式(1)～(5)并结合边界条件可求出密封球壳内外压强关系为：即密封球壳内的压强为球壳外压强的倍，因此只要选取薄壁密封球壳对光纤F-P腔压力敏感端进行密封，从而可以实现接触角度大范围内变化的外界压力无损传导，实现无接触角度误差的压力高精度测量。

如图4所示，是压力传感头模块在一种应用场景中的结构示意图。在该应用场景中，采用镀有低反膜的两光纤准直器间隔可达到几个毫米从而形成了一种弱反射长腔长的光纤F-P腔，同时采用充入填充物的球形压力传导密封结构对上述形成的光纤F-P腔压力敏感端进行密封，实现大接触角范围内的无误差压力感知，保证传感头与压力测量点接触角度大范围内变化不影响压力测量精度；进一步在反射光谱信号输出光纤上制作温度补偿光纤光栅，消除其温度与压力的交叉敏感，进一步提高压力的测量精度。

通过上述方式，本发明实施例的无作用接触角测量误差的光纤压力传感器在压力传感头模块，球形压力传导结构可以无接触角度误差地将外界压力传导至光纤F-P腔，使其腔长发生改变，进而导致光纤F-P腔反射的干涉光谱信号的光谱特性发生改变，最终对干涉信号的光谱特性数据进行分析后就可以精确地测量出压力大小，从而实现了压力无接触角度误差的高精度测量。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种无作用接触角测量误差的光纤压力传感器，其特征在于，包括：光源模块、光纤环形器、压力传感头模块、光谱采集模块和信号处理模块，所述光纤环形器包括与所述光源模块连接的第一端口与所述压力传感头模块连接的第二端口和与所述光谱采集模块连接的第三端口，所述光谱采集模块连接所述处理模块，所述压力传感头模块包括光纤F-P腔结构和球形压力传导密封结构；所述的球形压力传导密封结构对光纤F-P腔压力敏感端进行密封，并在所述的球形压力传导密封结构内充入填充物；

所述光源模块用于向所述第一端口输出稳定光谱和功率的光信号，所述第二端口用于将所述光信号注入所述压力传感头模块，以使所述压力传感头模块内的F-P腔向所述第二端口反射所述光信号的干涉光谱信号，所述第三端口用于向所述光谱采集模块输出所述干涉信号，所述光谱采集模块用于采集所述干涉信号的光谱特性数据，所述处理模块用于根据所述光谱特性数据精确测量微压力大小。

2.根据权利要求1所述的无作用接触角测量误差的光纤压力传感器，其特征在于：所述的光纤准直器端面镀有低反膜，两准直器端面间隔达到毫米量级，形成一种弱反射长腔长的光纤F-P腔压力敏感结构，保证压力的高精度测量。

3.根据权利要求2所述的无作用接触角测量误差的光纤压力传感器，其特征在于：所述填充物不限于液体、胶体或者胶状物质。