CN212206125U - 温度补偿式光纤法布里珀罗高温压力传感器 - Google Patents
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Abstract
一种温度补偿式光纤法布里珀罗高温压力传感器，单模光纤的几何形状为第一圆柱和圆台及第二圆柱的组合体，第一圆柱外径与圆台小端外径相同，第二圆柱外径与圆台大端外径相同，单模光纤第一圆柱段的纤芯上刻有热再生光栅，单模光纤第一圆柱段从刚玉管的一端伸入到刚玉管内并用耐高温胶固定，使热再生光栅位于刚玉管内，空心光纤的一端从刚玉管的另一端伸入到刚玉管内并用耐高温胶固定，空心光纤的端面与单模光纤第一圆柱段端面之间留有间隙形成法布里珀罗干涉腔，空心光纤另一端面加工为斜面。本实用新型具有低成本、制作简单、耐高温等优点，解决了高温环境中的温度‑压力的区分测量的问题，可应用于高温环境中的压力监测。
Description
技术领域
本实用新型属于光纤传感器技术领域，具体涉及到一种温度补偿式光纤法布里珀罗高温压力传感器。
背景技术
航空发动机是一种将化学能转化为机械能，形成高速射流排出而产生推力的机器，既适用于动力发生装置，也可指包括动力装置的整个机器，航空发动机作为现代工业“皇冠上的明珠”，是一个国家国防科技工业的重要标志。航空发动机工作时，内部通常包括高温、高压、并伴随着高负荷、高转速剧烈振动，是涉及多学科的综合性***工程人类有史以来最复杂最精密的工业产品，因此造成了巨大的设计与制造难度。航空发发动机在实际运行过程中各部件的运行情况的实时监测，往往是判断发动机安全性、可靠性和实际工作性能的重要依据。光纤高温压力传感器作为压力监测传感器的后起之秀，与其他技术相比，光纤传感器有不可比拟的优点。光纤是非电导体，适合电磁干扰的环境；光纤是二氧化硅制成，适合高温环境；光纤测量可实现非接触测量，适合在结构表面安装或内嵌到结构体内部，对被测结构的影响小，对测量结果的反映更加真实；光纤体积小、质量轻，便于安装；光纤传感器具有温度压力响应速度快、温度和压力测量线性度好等特点。近几年来，随着光纤技术的发展，针对航空发动机对传感器测量精度、响应速度等要求较高的特点，将光纤高温压力传感器应用于航空发动机温度、压力的监测对航空发动机发展具有深远意义。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种设计合理、制作简单、成本低、对高温环境中的温度和压力区分测量的温度补偿式光纤法布里珀罗高温压力传感器。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：单模光纤的几何形状为第一圆柱和圆台及第二圆柱的组合体，第一圆柱外径与圆台小端外径相同，第二圆柱外径与圆台大端外径相同，单模光纤第一圆柱段的纤芯上刻有热再生光栅，单模光纤第一圆柱段从刚玉管的一端伸入到刚玉管内并用耐高温胶固定，使热再生光栅位于刚玉管内，空心光纤的一端从刚玉管的另一端伸入到刚玉管内并用耐高温胶固定，空心光纤的端面与单模光纤第一圆柱段端面之间留有间隙形成法布里珀罗干涉腔，空心光纤另一端面加工为斜面。
作为一种优选的技术方案，所述的空心光纤的端面与单模光纤第一圆柱段端面之间间隙宽度为15μm～80μm。
作为一种优选的技术方案，所述的单模光纤纤芯直径为8.2μm、第一圆柱外径为80μm～100μm。
作为一种优选的技术方案，所述的空心光纤内径为5μm～40μm、外径为110μm～130μm。
作为一种优选的技术方案，所述的热再生光栅的栅区长度为5～15mm，中心波长为1553nm。
作为一种优选的技术方案，所述的刚玉管的内径为150μm～200μm、外径为300μm～500μm。
作为一种优选的技术方案，所述的刚玉管还可以是蓝宝石管。
本实用新型的有益效果如下：
本实用新型将单模光纤第一圆柱段通过高温胶封装在刚玉管内，刚玉管一端与空心光纤通过高温胶粘接，嵌套在刚玉管内部的空心光纤端面与单模光纤第一圆柱段端面之间留有一定的间距，从而形成布里珀罗干涉腔；在单模光纤第一圆柱段纤芯上刻写热再生光栅，本实用新型具有低成本、制作简单、耐高温等优点，解决了高温环境中的温度-压力的区分测量的问题，可应用于高温环境中的压力监测。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步详细说明，但本实用新型不限于下述的实施方式。
实施例1
在图1中，本实施例的温度补偿式光纤法布里珀罗高温压力传感器由空心光纤1、刚玉管2、单模光纤3连接构成。
单模光纤3的几何形状为第一圆柱和圆台及第二圆柱的组合体，第一圆柱外径与圆台小端外径相同，第一圆柱外径为90μm，圆台大端外径与第二圆柱外径相同，第二圆柱段为标准单模光纤，单模光纤3纤芯直径为8.2μm，单模光纤3第一圆柱段从刚玉管2的一端伸入到刚玉管2内并用高温陶瓷胶密封固定，位于刚玉管2内单模光纤3第一圆柱段的纤芯上刻有热再生光栅4，栅区长度为10mm，中心波长为1553nm，刚玉管2的内径为180μm、外径为400μm，空心光纤1的一端从刚玉管2的另一端伸入到刚玉管2内并用高温陶瓷胶密封固定，空心光纤1的端面与单模光纤3第一圆柱段端面之间留有宽度为45μm的间隙，形成法布里珀罗干涉腔，法布里珀罗干涉腔同时隔绝热再生光栅4受到压力的影响，空心光纤1内径为25μm、外径为120μm，空心光纤1的另一端面为斜面，防止经过该端面反射的光原路返回。
实施例2
在本实施例中单模光纤3的几何形状为第一圆柱和圆台及第二圆柱的组合体，第一圆柱外径与圆台小端外径相同，第一圆柱外径为80μm，圆台大端外径与第二圆柱外径相同，第二圆柱段为标准单模光纤，单模光纤3纤芯直径为8.2μm，单模光纤3第一圆柱段从刚玉管2的一端伸入到刚玉管2内并用高温陶瓷胶密封固定，位于刚玉管2内单模光纤3第一圆柱段的纤芯上刻有热再生光栅4，栅区长度为5mm，中心波长为1553nm，刚玉管2的内径为150μm、外径为300μm，空心光纤1的一端从刚玉管2的另一端伸入到刚玉管2内并用高温陶瓷胶密封固定，空心光纤1的端面与单模光纤3第一圆柱段端面之间留有宽度为45μm的间隙，形成法布里珀罗干涉腔，空心光纤1内径为5μm、外径为110μm，空心光纤1的另一端面为斜面，防止经过该端面反射的光原路返回。
实施例3
在本实施例中单模光纤3的几何形状为第一圆柱和圆台及第二圆柱的组合体，第一圆柱外径与圆台小端外径相同，第一圆柱外径为100μm，圆台大端外径与第二圆柱外径相同，第二圆柱段为标准单模光纤，单模光纤3纤芯直径为8.2μm，单模光纤3第一圆柱段从刚玉管2的一端伸入到刚玉管2内并用高温陶瓷胶密封固定，位于刚玉管2内单模光纤3第一圆柱段的纤芯上刻有热再生光栅4，栅区长度为15mm，中心波长为1553nm，刚玉管2的内径为200μm、外径为500μm，空心光纤1的一端从刚玉管2的另一端伸入到刚玉管2内并用高温陶瓷胶密封固定，空心光纤1的端面与单模光纤3第一圆柱段端面之间留有宽度为45μm的间隙，形成法布里珀罗干涉腔，空心光纤1内径为40μm、外径为130μm，空心光纤1的另一端面为斜面，防止经过该端面反射的光原路返回。
实施例4
在上述实施例1～3中，刚玉管2替换为蓝宝石管，其他零部件及零部件的连接关系与相应的实施例相同。
本实用新型的工作原理如下：
光由单模光纤第二圆柱端面进入，经过热再生光栅、空心光纤左右端面、单模光纤第一圆柱端面反射，入射光一部分通过热再生光栅反射原路返回、另一部分经过热再生光栅透射在法布里珀罗干涉腔和空心光纤左端面，由于空心光纤左端面斜切，因此该端面的反射光不会反射回热再生光栅，对干涉光谱无影响，而透射在法布里珀罗干涉腔的光经空心光纤左端面和单模光纤第一圆柱端面反射形成两束反射光相互干涉并返回热再生光栅，根据热再生光栅的干涉光谱和透射光谱波长的漂移反演得到压力和温度的参数。
在实用新型的法布里珀罗干涉光谱中，第m阶干涉峰中心波长λm为：
式中，n为干涉微腔的折射率，L3为刚玉管内封闭腔长度，L2为刚玉管内单模光纤第一圆柱段长度；
当压力作用于法布里珀罗干涉腔时，第m阶干涉峰波长漂移的压力灵敏度Sp为：
式中，P为微腔所受压力，A为光纤横截面积，L1为法布里珀罗实际干涉腔的长度；由此可见压力灵敏度Sp与法布里珀罗实际干涉腔长度L1成反比。
当外界环境的温度变化时，法布里珀罗干涉腔长度L1与温度变化的关系为：
ΔL1＝[αc(L2+L1)-αfL2]·ΔT
式中，ΔL1为法布里珀罗干涉腔长度改变量，αc为刚玉管的热膨胀系数，αf为单模光纤第一圆柱段的锥度，ΔT为温度变化量；
法布里珀罗干涉微腔波长随温度变化表示为：
式中Δλ为法布里珀罗干涉腔波长变化量，λ0为初始波长，ST为法布里珀罗干涉腔的温度灵敏度；
由于热再生光栅的压力灵敏度是温度的函数，因此，本实用新型的波长随温度和压力的变化表示如下
式中，Δλi(i＝1，2)为热再生光栅谐振波长位移，αi是热再生光栅温度灵敏度，kPTi是热再生光栅在不同温度下的压力灵敏度，bPi是热再生光栅压力灵敏度，T0是初始温度，ΔT为温度变化量、ΔP为压力变化量。
由于法布里珀罗干涉腔对温度、压力敏感，而封装到刚玉管的热再生光栅对温度响应度较高，对压力响应度较低，因此本实用新型结构可以利用灵敏度系数矩阵实现高灵敏度压力测量和温度补偿。
当外界环境的压力和温度同时变化时，法布里珀罗干涉腔和热再生光栅的波长漂移分别为：
ΔλFP＝SP·ΔP′+ST·ΔT′
Δλi＝bPi·ΔP′+αi·ΔT′
式中，ΔP′为压力实际总的变化量，ΔT′为温度实际总的变化量，ΔλFP为法布里珀罗干涉腔的波长飘移，Δλ′i为热再生光栅的波长漂移，SP和bPi分别为F-P腔和RFBG的压力灵敏度，ST和αi分别为F-P腔和RFBG的温度灵敏度。
温度补偿的系数矩阵为：
本实用新型实现在1100℃以上温度下同时区分测量温度压力参量。
Claims (7)
1.一种温度补偿式光纤法布里珀罗高温压力传感器，其特征在于：单模光纤(3)的几何形状为第一圆柱和圆台及第二圆柱的组合体，第一圆柱外径与圆台小端外径相同，第二圆柱外径与圆台大端外径相同，单模光纤(3)第一圆柱段的纤芯上刻有热再生光栅，单模光纤(3)第一圆柱段从刚玉管(2)的一端伸入到刚玉管(2)内并用耐高温胶固定，使热再生光栅位于刚玉管(2)内，空心光纤(1)的一端从刚玉管(2)的另一端伸入到刚玉管(2)内并用耐高温胶固定，空心光纤(1)的端面与单模光纤(3)第一圆柱段端面之间留有间隙形成法布里珀罗干涉腔，空心光纤(1)另一端面加工为斜面。
2.根据权利要求1所述的温度补偿式光纤法布里珀罗高温压力传感器，其特征在于：所述的空心光纤(1)的端面与单模光纤(3)第一圆柱段端面之间间隙宽度为15μm～80μm。
3.根据权利要求1所述的温度补偿式光纤法布里珀罗高温压力传感器，其特征在于：所述的单模光纤(3)纤芯直径为8.2μm、第一圆柱外径为80μm～100μm。
4.根据权利要求1或2所述的温度补偿式光纤法布里珀罗高温压力传感器，其特征在于：所述的空心光纤(1)内径为5μm～40μm、外径为110μm～130μm。
5.根据权利要求1所述的温度补偿式光纤法布里珀罗高温压力传感器，其特征在于：所述的热再生光栅的栅区长度为5～15mm，中心波长为1553nm。
6.根据权利要求1所述的温度补偿式光纤法布里珀罗高温压力传感器，其特征在于：所述的刚玉管(2)的内径为150μm～200μm、外径为300μm～500μm。
7.根据权利要求1或6所述的温度补偿式光纤法布里珀罗高温压力传感器，其特征在于：所述的刚玉管(2)还可以是蓝宝石管。
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Cited By (2)
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| CN114279353B (zh) * | 2021-12-28 | 2023-08-29 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种蓝宝石光纤f-p腔级联sfbg的高温应变传感器 |
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