CN107560780A - 一种光纤f‑p腔式压力传感器的温度补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微机电***(MEMS)高温压力传感技术领域，涉及一种光纤F‑P腔(法布里‑帕罗干涉仪)式压力传感器的温度补偿方法。本发明针对引起光纤F‑P腔式的压力传感器测量误差的温度漂变,利用其本身未被利用的结构和测量过程中确实存在但却一直当做干扰处理的信号，通过后续温度补偿算法将测量过程中的温度因素排除，这种温度补偿方法从一定程度上可以达到降低传感器结构复杂度，用最简单、最高效的方法达到温度补偿的目的。

Description

一种光纤F-P腔式压力传感器的温度补偿方法

(一)技术领域

本发明属于微机电***(MEMS)高温压力传感技术领域，涉及一种光纤F-P腔(法布里-帕罗干涉仪)式压力传感器的温度补偿方法。

(二)背景技术

高温压力传感器输出信号会随被测介质(气体或液体)温度的变化而变化，即产生零位温漂和灵敏度温漂，是造成高温环境下压力测量误差的主要因素。因此，压力传感器制作完成后，必须测量输出信号随被测介质(气体或液体)温度的变化，以适当的方式对零位温漂和灵敏度温漂进行补偿。

现有的光纤F-P腔式压力传感器理论设计温度达1000℃以上，在实际测量中存在与室温环境较大的温差，因此该型传感器存在很大的温度漂移。然而，目前针对光纤F-P腔式压力传感器在不同环境温度中的使用，尚没有一种行之有效的温度补偿方法。专利201310606330.0提到了采用光栅作为温度补偿方法，然而这种传感器本身布线难度过大，且光纤表面上的光栅结构耐高温性能差，虽然理论上可以作为一种温度补偿方法，但无法满足实际需求。专利201310606168.2采用真空镀膜的方式作为温度补偿方法，然而，镀膜的膜层会影响传感器测量压力的准确性，且在不同环境温度下，所镀膜层的热膨胀系数与下方的压力敏感膜片热膨胀系数匹配极其困难，难以实现在不同环境温度中的持续测量。

(三)发明内容

为了解决现有的光纤F-P腔式压力传感器受温度影响的问题，本发明旨在针对该型传感器提供一种不改变传感器原有结构、不增加额外的传感部件、简单高效的温度补偿方法，使其可以在不同的温度环境下准确测压。

本发明提出的光纤F-P腔式的压力传感器的温度补偿方法，先简述此种压力传感器的设计结构：一种光纤F-P腔式的压力传感器具有位于第一层的敏感膜片、位于第二层的盲孔结构以及后续的光学部分。该型传感器测量压力的方法是采用第一层压力敏感膜片感受外界压力，敏感膜片受压变形后会引起F-P腔腔长的变化，再通过后端光学解调***明确F-P腔的变化量与压力值的相关系数，达到压力测量的目的。

本发明方法以该型传感器的传感测量方法为基础，采用F-P腔的基底部分作为温度补偿结构，根据环境温度信息，调整压力敏感膜片的厚度参数及F-P腔的腔长参数，再根据上述压力测量的方法测量压力，从而实现温度补偿的目的。

本发明所采用的技术方案是：一种光纤F-P腔式压力传感器的温度补偿方法，其特殊之处在于包括以下步骤：

1)在开始高温压力测量之前，将压力传感器输出置零，后端光学解调***记录此时刻的F-P腔上下两个表面、F-P腔下端基底结构的上下两个表面所反射的光束的相位差δ₀和δ₁。

2)环境温度升至T_x，后端的光学解调***记录到δ₁发生变化，根据相位与膜厚的关系可以得出此时F-P腔下端基底结构的厚度为：h₁′，再根据厚度变化与构成传感器F-P腔材料的热膨胀系数计算得到此时环境温度的值：T_x。而F-P腔长主要受敏感膜片和基底结构的厚度变化影响，根据已经得知的环境温度T_x，则可以计算出敏感膜片的厚度为h₂′，则根据h₁′、h₂′以及初始F-P腔长值可计算得到在T_x的环境温度下腔长的变化Δh，进一步得到在T_x的环境温度下未施加压力时的F-P腔的腔长h′，h′是已经考虑了环境温度对腔长所造成的变化所得到腔长，后面的计算过程是在h′的基础上进行计算，那么在后面的计算过程中，便不再存在温度的影响因素，只会有压力的变化对F-P腔长所造成的影响，至此可以说该温度补偿方法已经剔除了温度影响因素，达到了温度补偿的目的。

3)在T_x的温度下，对敏感膜片施加压力，记为：P_x，由于压力的施加，F-P腔的腔长发生变化，记其腔长为h″。根据h″与h′可得，敏感膜片的挠曲度变化，记为：Δx，则根据敏感膜片的挠曲度和施加压力的关系，可计算得到传感器需要测量的压力值：P_x。

与现有的技术相比，本发明的有益效果在于：本发明针对引起光纤F-P腔式的压力传感器测量误差的温度漂变，巧妙利用传感器本身结构和其在测量压力过程中确实存在却一直被当作干扰滤掉的信号，通过后续温度补偿算法将测量过程中的温度影响因素排除，这种温度补偿方法用最简单、最高效的方法达到温度补偿的目的，从一定程度上可以在未增加传感器结构复杂度的前提下，提高传感器的测量精度。

(四)附图说明：

图1是本发明基于的传感器的结构示意图。

图2是一种光纤F-P腔式压力传感器的温度补偿方法的流程图。

其中，1-压力敏感膜片、2-F-P腔、3-基底材料、4-F-P腔上表面、5-F-P腔下表面、6-基底下表面。

(五)具体实施方式：

下面结合说明书附图对本发明作进一步详细说明。

本发明压力传感器温度补偿方法是基于一种压力传感器的温度补偿算法，传感器的结构如图1所示。

本发明的计算方法如下所示：

1)在温度补偿开始之前，要记录传感器各处的初始相位和干涉光谱，记F-P腔表面4与表面5的相位差为δ₀和F-P腔表面5和基底表面6的相位差为δ₁。初始相位差的计算公式由下式可得：

其中，λ₀为光线的初始波长，n为F-P腔内介质的折射率，h为F-P腔长，θ为光线在F-P腔内的反射角。n′为基底材料介质的折射率，h₁为基底材料的厚度，θ′为光线在基底内的反射角。

2)施加温度，将传感器置于温度为T_x的环境中，考虑到实际测量情况，此时T_x为未知量。首先考虑基底材料的腔长变化，根据得到的基底材料的干涉光谱可得此时基底材料的相位差δ₁′，考虑到传感器的热膨胀主要是竖直方向上的膨胀，可以近似光线的反射角没有发生改变，则可以根据2式求出此时基底材料的厚度，记为h₁′。而传感器的热膨胀系数，即材料轴向应变对应温度的变化率α_T是已知的，则根据

h₁′＝h₁+α₂h₁(T_x-T₀) ③

(T₀为初始温度，α₂为基底材料的热膨胀系数)计算得到T_x的大小。至此，环境温度的大小已知，记为T₁。

同样，考虑到传感器的热膨胀主要是竖直方向上的膨胀，可以近似认为F-P腔长的改变为压力敏感膜片和基底材料的热膨胀引起的。已知压力敏感膜片的热膨胀系数为α₂、敏感膜片的初始厚度为h₂，则此时F-P腔长的变化，记作Δh：

Δh＝(h₁α₁-h₂α₂)×(T₁-T₀) ④

那么此时，F-P腔的腔长h为，

h′＝h-Δh ⑤

h′是已经考虑了环境温度对腔长所造成的变化所得到腔长，后面的计算过程是在h′的基础上进行计算，则后面的计算过程中，便不再存在温度的影响因素，只会有压力的变化对F-P腔长所造成的影响，至此可以说该温度补偿方法已经剔除了温度影响因素，达到了温度补偿的目的。

特别的，将此时压力敏感膜片的厚度记为h₂′。

或者，此时F-P腔的腔长h′也可以根据此时得到的干涉图样和初始相位差δ₀，得到相位的改变量Δδ₁，再根据Δδ₁通过式1得到。

3)对传感器施加压力，记为P_x。那么，压力敏感膜片在收到压力后，会产生挠曲度变化，记为：Δx。根据施加压力后得到的干涉图样和初始相位差δ₀，得到相位的改变量Δδ₂，再根据Δδ₂通过式1得到此时F-P腔的腔长，记为h″。则，可以得到压力敏感膜片的挠曲度变化Δx＝h″-h′。

圆形压力敏感膜片的挠曲度公式：

其中，E为材料的杨氏模量，μ为材料的泊松比，a为压力敏感膜片的半径，r为测量点与膜片圆心的距离。则根据上式即可求得所需要测量的压力值P_x。

实施例：

一种硅玻基的F-P腔压力传感器的温度补偿方法。首先简要说明硅玻基F-P腔压力传感器的具体参数，F-P腔腔长21μm，圆形敏感膜片厚度46μm，膜片及F-P腔圆腔直径1300μm，下层玻璃片厚度500μm。

步骤一：

传感器置零和记录初始相位差。为计算简便，初始室温设为25℃，选取λ₀＝1500nm波长的红外波段的光线。θ取正入射，即θ＝90°，cosθ＝1。F-P腔的中间为空气介质，其折射率n＝1，玻璃的折射率n′＝1.5，则利用上述1,2两式可以计算得到F-P腔层的相位差δ₀＝56π，δ₁＝2000π。

步骤二：

剔除温度因素的相关计算。施加一定温度，红外光谱仪记录到此时基底相位差发生变化，δ₁′＝2000.5π，则根据2式可以计算出此时的玻璃基底厚度为500.12375μm。由于未施加温度前玻璃的厚度为500μm，(该型传感器所使用的玻璃为BF33玻璃，热膨胀系数α₂＝3.3×10^-6/K)，则可以计算得到温度的变化量为75℃，则可以得知此时的环境温度为100℃。在环境温度100℃下，硅的热膨胀系数为α₁＝2.5×10^-6/K，则此时F-P腔长的变化量由4式可知为0.115125μm。那么，此时F-P腔的腔长h′＝21.115125μm，并且由3式可以计算得到硅基压力敏感膜片在此时的厚度h₂′＝46.008625μm

步骤三：

施加压力，通过公式6计算所施加的压力大小。通过红外光谱仪记录的相位以及相位与F-P腔长的关系可知，F-P腔的腔长变化了0.1μm。那么，硅的杨氏模量190GPa、泊松比0.278，a＝650μm，取r＝0，可以根据公式6计算得到P＝60kPa。

上面对本专利的实施方式作了详细说明,但是本专利并不限于上述圆形硅玻基压力膜片的实施方式,在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (5)

1.一种光纤F-P腔式压力传感器的温度补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：在开始高温压力测量之前，将压力传感器输出置零，后端光学解调***记录此时刻的F-P腔上下两个表面、F-P腔下端基底结构的上下两个表面所反射的光束的相位差δ₀和δ₁；

步骤二：环境温度升至T_x，后端的光学解调***记录到δ₁发生变化，根据相位与膜厚的关系可以得出此时F-P腔下端基底结构的厚度为：h₁′，再根据厚度变化与构成传感器F-P腔材料的热膨胀系数计算得到此时环境温度的值：T_x；根据已经得知的环境温度T_x，计算出敏感膜片的厚度为h₂′，则根据h₁′、h₂′以及初始F-P腔长值计算得到在T_x的环境温度下腔长的变化Δh，进一步得到在T_x的环境温度下未施加压力时的F-P腔的腔长h′；

步骤三：在T_x的温度下，对敏感膜片施加压力，记为：P_x，由于压力的施加，F-P腔的腔长发生变化，记其腔长为h″。根据h″与h′可得，敏感膜片的挠曲度变化，记为：Δx，则根据敏感膜片的挠曲度和施加压力的关系，可计算得到传感器需要测量的压力值：P_x。

2.如权利要求1所述的光纤F-P腔式压力传感器的温度补偿方法，其特征在于，所述步骤一中初始相位差的计算公式由下式可得：

其中，λ₀为光线的初始波长，n为F-P腔内介质的折射率，h为F-P腔长，θ为光线在F-P腔内的反射角。n′为基底材料介质的折射率，h₁为基底材料的厚度，θ′为光线在基底内的反射角。

3.如权利要求1所述的光纤F-P腔式压力传感器的温度补偿方法，其特征在于，所述步骤二的具体过程如下：

施加温度，将传感器置于温度为T_x的环境中，此时T_x为未知量。首先考虑基底材料的腔长变化，根据得到的基底材料的干涉光谱得此时基底材料的相位差δ₁′,根据2式求出此时基底材料的厚度，记为h₁′，根据

h₁′＝h₁+α₂h₁(T_x-T₀) ③

计算得到T_x的大小,式中，T₀为初始温度，α₂为基底材料的热膨胀系数；至此，环境温度的大小已知，记为T₁。

已知压力敏感膜片的热膨胀系数为α₂、敏感膜片的初始厚度为h₂，此时F-P腔长的变化，记作Δh：

Δh＝(h₁α₁-h₂α₂)×(T₁-T₀) ④

那么此时，F-P腔的腔长h′为,

h′＝h-Δh ⑤

将此时压力敏感膜片的厚度记为h₂′。

4.如权利要求3所述的光纤F-P腔式压力传感器的温度补偿方法，其特征在于，作为一种替代方案，F-P腔的腔长h′根据此时得到的干涉图样和初始相位差δ₀，得到相位的改变量Δδ₁，再根据Δδ₁通过式1得到。

5.如权利要求1所述的光纤F-P腔式压力传感器的温度补偿方法，其特征在于，所述步骤三的具体过程如下：

对传感器施加压力，记为P_x；压力敏感膜片在收到压力后产生的挠曲度变化记为：Δx；根据施加压力后得到的干涉图样和初始相位差δ₀，得到相位的改变量Δδ₂，再根据Δδ₂通过式1得到此时F-P腔的腔长，记为h″；压力敏感膜片的挠曲度变化Δx＝h″-h′；

圆形压力敏感膜片的挠曲度公式：

其中，E为材料的杨氏模量，μ为材料的泊松比，a为压力敏感膜片的半径，r为测量点与膜片圆心的距离，根据上式即求得所需要测量的压力值P_x。