CN206618529U - 一种简易反射式干涉型光纤气压传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光纤传感技术领域，尤其是一种简易反射式干涉型光纤气压传感器，它包括依次同轴布置的单模光纤、毛细玻璃管和多模光纤，毛细玻璃管的两端对应与单模光纤、多模光纤的端部熔焊为一体；毛细玻璃管的管壁上开设有微孔；单模光纤和多模光纤的包层直径均为125μm,单模光纤的纤芯直径为8～10μm，多模光纤纤芯的直径为50～62.5μm，多模光纤的长度大于10cm；毛细玻璃管的长度为200～500μm、内径60～120μm、外径100～1000μm，微孔的孔径为16～100μm;本实用新型体积小、制作过程简单、制作成本低、灵敏度高、测量范围广，不易受到温度交叉感染的影响，适用于不同环境下的气压测量。

Description

一种简易反射式干涉型光纤气压传感器

技术领域

本实用新型涉及光纤传感技术领域，尤其是一种简易反射式干涉型光纤气压传感器。

背景技术

光纤气压传感器作为一种新型的用于检测气压的传感器，相对于传统的传感器而言，除了结构简单、体积小、重量轻的特点外，还具备以下优点：(1)抗电磁干扰能力强，由于光波频率远远高于电磁频率，光信号在光纤中传输时，不易受到电磁干扰;(2)电绝缘性能好，光纤属于绝缘材料,光纤传输光信号相对安全可靠，并且光信号在光纤中传播无需电源驱动,适用于在易燃易爆的环境中使用;(3)光纤由二氧化硅材料制成，耐腐蚀、化学性能十分稳定，因此,光纤气压传感器适宜于在较恶劣环境中使用;(4)光纤传输信号损耗小,光纤气压传感器可应用于远距离信号传输和遥控监测气压；(5)光纤传输信息容量大,可用于多点分布式气压测量。

近年来，光纤气压传感器应用范围非常广，能够用在多种场合进行气压测量。干涉型光纤气压传感器主要有以下几类：

1.基于法布里-珀罗（Fabry-Perot FP）腔腔长改变的干涉型光纤气压传感器

基于FP腔腔长改变来进行气压测量的干涉型传感器，主要是利用气压的变化引起干涉腔长的变化来进行气压的测量。该传感器的工作原理是：通过实验测得气压变化所引起的干涉腔的腔长变化，由此得到传输的干涉条纹的谐振峰波长变化与气压变化的关系，通过解调谐振峰波长的变化量得到所需测量的气压值。

该光纤气压传感器一种典型结构是由薄膜构成的FP干涉仪，该干涉仪的其中一个典型结构是FP腔由毛细管及一层薄膜构成，另一种典型结构是FP腔由毛细管及内部填充聚合物构成。当外界气压变化时，会引起薄膜（或者聚合物）发生弹性变化，从而改变腔长大小，从而根据干涉腔腔长的变化量可测得外界环境的气压值。该结构的光纤气压传感器灵敏度较高，气压灵敏度随着膜片（或者聚合物）厚度的减小而增大。然而，该传感器存在以下问题：(1)结构复杂，制作技术要求高；(2)如果薄膜厚度太小时，会由于气压变化太大而损坏薄膜，因而不能测量太高的气压；(3)如果薄膜或者聚合物也对温度变化敏感，就存在气压与温度测量的交叉敏感问题;(4)由于毛细管直径比较小，容易造成聚合物不易填充、性能不稳定等问题。

2.基于法布里-珀罗（FP）腔腔内折射率变化的干涉型光纤气压传感器

基于FP腔腔内折射率变化来进行气压测量的光纤气压传感器，又可以分为两类：一类是FP腔直接由光纤构成，根据光纤本身折射率变化（气压变化引起的）实现气压测量，此结构传感器结构简单、制作容易，但是由于光纤材料本身具有较大的杨氏模量和较小弹光系数，因而，此类传感器的气压灵敏度普遍偏低；另一类是FP腔由空腔构成（毛细管结构腔），腔里充满测量气体，根据FP腔内气体折射率变化（气压变化引起的）实现气压测量，由于气压变化引起的气体折射率变化明显，故传感器的气压灵敏度较高，但结构较复杂，制作技术要求高。

发明内容

本实用新型的目的就是要解决现有的干涉型光纤气压传感器所存在的上述问题，为此提供一种结构简单、制作方便、灵敏度高、可以消除温度交叉感染的简易反射式干涉型光纤气压传感器。

本实用新型的具体方案是：一种简易反射式干涉型光纤气压传感器，其特征是：包括依次同轴布置的单模光纤、毛细玻璃管和多模光纤，毛细玻璃管的两端对应与单模光纤、多模光纤的端部熔焊为一体；在毛细玻璃管的管壁上开设有微孔，使得其内腔与外界相连通；所述单模光纤和多模光纤的包层直径均为125μm,单模光纤的纤芯直径为8～10μm，多模光纤纤芯的直径为50～62.5μm，多模光纤的长度大于10cm；所述毛细玻璃管的长度为200～500μm、内径60～120μm、外径100～1000μm，毛细玻璃管上微孔的孔径为16～100μm。

本实用新型中所述毛细玻璃管的两端与单模光纤、多模光纤的端部均通过光纤熔焊机熔接为一体；所述微孔是通过飞秒激光器加工而成。

本实用新型中所述单模光纤的纤芯直径为9μm，多模光纤的纤芯直径为50μm或62.5μm。

本实用新型中所述毛细玻璃管的长度为240μm、内径为68μm、外径为125μm；所述微孔的孔径为16μm。

本实用新型结构简单、设计巧妙，通过利用毛细玻璃管构成的开放式空气腔分别与单模光纤、多模光纤熔接为一体，从而形成一个反射式干涉仪，实现了对气压的传感测量，具有较高的气压灵敏度，不仅体积小、制作过程简单、制作成本低、测量范围广，而且由于毛细玻璃管不受环境温度变化的影响，从而本实用新型的检测结果不易受到温度交叉感染的影响，适用于不同环境下的气压测量。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型对气压进行检测的结构示意图。

图中：1—单模光纤，2—毛细玻璃，3—多模光纤，4—微孔，5—宽带光源，6—环形器，7—光纤光谱仪，8—可控压强场。

具体实施方式

参见图1，一种简易反射式干涉型光纤气压传感器，包括依次同轴布置的单模光纤1、毛细玻璃管2和多模光纤3，毛细玻璃管2的两端对应与单模光纤1、多模光纤3的端部熔焊为一体；在毛细玻璃管2的管壁上开设有微孔4，使得其内腔与外界相连通；所述单模光纤1和多模光纤3的包层直径均为125μm,单模光纤的纤芯直径为8～10μm，多模光纤3纤芯的直径为50～62.5μm，多模光纤3的长度大于10cm，以防止光源从多模光纤3的尾端发生反射而对光纤气压传感器的测试结构造成影响；所述毛细玻璃管2的长度为200～500μm、内径60～120μm、外径100～1000μm，毛细玻璃管2上微孔4的孔径为16～100μm。

本实施例中光纤气压传感器的制备过程如下：

第一步：取一段长度为240μm、内径为68μm、外径为125μm的毛细玻璃管，用飞秒激光器在毛细玻璃管的侧壁上开设一个孔径为16μm的微孔，使得外部空气可以进入至毛细玻璃管内，其中毛细玻璃管的两端须切割平整，微孔是由飞秒激光器在能量为50mw时照射10min形成的；

第二步：取一段用光纤切割刀切割平整的单模光纤，单模光纤的包层直径为125μm、纤芯直径为9μm，将该单模光纤与上述毛细玻璃管的其中一端用光纤熔接机熔接为一体，在熔接时设置较小的放电强度，使得熔接完之后毛细玻璃管的外形不会发生改变；

第三步：取一段用光纤切割刀切割平整的多模光纤，多模光纤的长度为10cm，它的包层直径为125μm、纤芯直径为62.5μm，采用第二步相同的方法将多模光纤与上述毛细玻璃管的另一端用光纤熔接机熔接为一体；

通过上述三个步骤制得一个开放式法布里-珀罗腔，从而获得如图1所示的光纤气压传感器。

参见图2，采用如下方法对制得的光纤气压传感器完成定标。

首先配备宽带光源5、环形器6和光纤光谱仪7，将光纤气压传感器置于可控压强场8中。光纤气压传感器中的单模光纤1作为输入端，将其和宽带光源5和光纤光谱仪7分别与环形器6相连；

然后改变可控压强场8中的气压压强，即可获得一系列已知气压下的光纤气压传感器的反射光谱，记录下反射光谱的谐振峰波长值。通过应用数学分析，得到谐振峰波长值与气压的对应函数关系，即完成了光纤气压传感器的定标。

当进行气压检测时，只须将定标过的光纤气压传感器置于待测气压场中，根据测量得到的反射光谱中谐振峰波长值和定标函数关系，即可获知待测气压场的气压。

本实用新型实现压强测量是基于以下原理：当光源进入到毛细玻璃管中时，会穿过毛细玻璃管与单模光纤连接的端面，由于单模光纤的端面非常平滑，因此会有一部分光在此端面发生反射，另外一部分光穿过此端面传输经过毛细玻璃管的内腔到达毛细玻璃管与多模光纤连接的端面，由于该端面也很平滑，从而也有一部分光在此端面上发生反射，这部分反射回去的光会与在单模光纤端面反射回去的光在单模光纤内部形成干涉，形成稳定的干涉条纹。

当毛细玻璃管内部的气压在发生改变时，会使毛细玻璃管内部的有效折射率发生改变，根据公式可知，相应的干涉峰值波长的位置也会随之改变，式中L为毛细玻璃管内腔的长度, Φ为包层模与纤芯模之间的相位差。

当相位差Φ满足Φ=(2m+1)π或Φ=2mπ时，稳定的干涉条纹就会出现。如果相位差为π的奇数倍，即Φ=(2m+1)π，则对应干涉仪反射光谱中的波谷；如果相位差为π的偶数倍，即Φ=2mπ，则对应干涉仪反射光谱中的波峰。当干涉仪反射光谱的波峰或波谷对应的波长随着外界气压的变化而发生线性变化时，我们据此可以应用该干涉仪来测量气压。另外，由于毛细玻璃管对外界环境的温度变化反应不敏感，因此可以忽略在气压测量中温度对实验结果的影响，这样就可以消除测量中物理量交叉敏感的问题。

Claims (4)

1.一种简易反射式干涉型光纤气压传感器，其特征是：包括依次同轴布置的单模光纤、毛细玻璃管和多模光纤，毛细玻璃管的两端对应与单模光纤、多模光纤的端部熔焊为一体；在毛细玻璃管的管壁上开设有微孔，使得其内腔与外界相连通；所述单模光纤和多模光纤的包层直径均为125μm,单模光纤的纤芯直径为8～10μm，多模光纤纤芯的直径为50～62.5μm，多模光纤的长度大于10cm；所述毛细玻璃管的长度为200～500μm、内径60～120μm、外径100～1000μm，毛细玻璃管上微孔的孔径为16～100μm。

2.根据权利要求1所述的一种简易反射式干涉型光纤气压传感器，其特征是：所述毛细玻璃管的两端与单模光纤、多模光纤的端部均通过光纤熔焊机熔接为一体；所述微孔是通过飞秒激光器加工而成。

3.根据权利要求1所述的一种简易反射式干涉型光纤气压传感器，其特征是：所述单模光纤的纤芯直径为9μm，多模光纤的纤芯直径为50μm或62.5μm。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种简易反射式干涉型光纤气压传感器，其特征是：所述毛细玻璃管的长度为240μm、内径为68μm、外径为125μm；所述微孔的孔径为16μm。