一种非本征型光纤法珀干涉压力传感器

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别是一种非本征型光纤法珀干涉压力传感器。

背景技术

压力测量在工程技术、日常生活中具有广泛的需求，具有最为广阔的市场。大家最为熟悉的是“大气压力”和“真空”，就是最典型的压力表述方式。为了满足不同的场所下压力的测量需求，产生了各种先进的压力测量传感器，有机械结构指针式、机电式、压阻式、谐振式等类型。

但现有的传统机械式指针干涉压力传感器无法实现数据的自动采集和读取，精度也不够高；机电式、压阻式压力传感器远距离传送信号衰减大、结构设计复杂、生产工艺要求也较高；谐振式传感器对测量介质敏感，不能满足对液体和气体同时监测的能力；而现有的法珀光纤传感器也存在着对介质敏感、抗干扰能力差和测量精度不够高等问题；所以现有的传感器普遍存在着精度不够高、对测量介质敏感和工艺结构复杂等缺点。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种对测量介质不敏感的非本征型光纤法珀干涉压力传感器。

本发明提供的基础方案：一种非本征型光纤法珀干涉压力传感器，其特征在于,包括应力筒、外壳、支撑环以及带有光纤的插芯；

所述应力筒的一个端面与外壳通过螺纹连接，该端面深入外壳内部并与支撑环固定连接，所述深入外壳内部的端面与支撑环之间留有空腔，插芯固定于支撑环的中心孔处；其中，插芯内部的光纤与应力筒的端面垂直，应力筒端面、插芯内部的光纤以及两者之间的间隙组成了非本征型法珀干涉压力传感器的法珀腔。

本发明的原理及优点在于：本方案中的主要敏感元件为应力筒，主要通过光干涉测量应力筒端面形变产生的位移，测量原理和结构简单，相对于传统的机电式压力传感器，减少了敏感元件为了获得较大形变而进行的复杂加工工艺，以及从机械位移转换为电阻、电感或者电容等电信号转换的复杂机构；相对于目前市场最为火热的硅压阻式干涉压力传感器，减少了硅芯体MEMS加工工艺的投入和研发，技术难度大大降低；整个非本征型光纤法珀干涉压力传感器的压力只传递至应力筒内部，不存在压力和测量介质泄露风险；同时非本征型光纤法珀干涉压力传感器的法珀腔端面在应力筒的外端面并处于密封状态，与测量介质和外界环境不接触，所以该非本征型光纤法珀干涉压力传感器还对测量介质不敏感。

进一步，所述应力筒采用高低温下具有恒弹性模量的耐腐蚀的金属材料。

有益效果：本方案中应力筒采用高低温下具有恒弹性模量的耐腐蚀的金属材料可以保证应力筒的恒灵敏度系数，让非本征型光纤法珀干涉压力传感器可适用于高温高压以及腐蚀环境。

进一步，所述应力筒的端面的粗糙度范围为Ra0.2～Ra0.05。

有益效果：研磨光滑提高端面的反射率和测量的精度。

进一步，所述应力筒端面对应于支撑环中心孔处设有圆形凸台。

有益效果，所述应力筒可通过改变其端面的直径、厚度以及挠度，制成不同量程的压力传感器，在应力筒的端面设置圆形凸台，工作人员在制造不同量程的压力传感器时便只需对圆形凹台进行操作，并且只在对入射的光进行反射的区域设置圆形凸台工作人员在对应力筒进行打磨时就可以只对圆形凸台进行打磨，方便了工作人员的操作。

进一步，所述应力筒的端面与支撑环通过螺纹连接。

有益效果：通过螺纹来连接应力筒的端面和支撑环，拆卸过程简单，方便了工作人员更换不同量程的非本征型光纤法珀干涉压力传感器进行测量。

进一步，所述支撑环处还设置有通孔。

有益效果：在支撑环处设有通孔，可以形成通气表压压力传感器。

进一步，所述支撑环表面还设置有压力连接接头。

有益效果：在支撑环表面设置压力连接接头可以形成差压压力传感器。

进一步，所述应力筒未深入外壳内部的端面还设有螺纹接口。

有益效果：通过应力筒上的螺纹接口，可以在对水压进行测量时进行螺纹连接，使得连接稳定，测量准确的也更高。

进一步，还包括光电解调仪和传输光缆；

所述光电解调仪包括波长扫描激光器、光隔离器、光耦合器、电信号处理模块、第一光电检测模块、第二光电检测模块和CPU；

所述波长扫描激光器、光隔离器和光耦合器依次通过光路连接，第一光电检测模块、第二光电检测模块均与光耦合器光路连接，第一光电检测模块、第二光电检测模块均与电信号处理模块电连接，电信号处理模块与CPU电连接；

所述光耦合器通过传输光缆与插芯相接。

有益效果：本方案中的光电解调仪为波长扫描型解调仪，在从低波段连续扫描至高波段时，相干光在某些频率光谱下满足干涉级次为整数倍时光强增加，干涉级次为整数倍加0.5 时光强相消，所以在光谱频域范围内按光强绘制一条曲线时会形成一条包含法珀腔腔长相关变化特征的非等周期的类似正弦曲线，光电解调仪通过提取相关信息实现绝对腔长计算；通过传输光缆来将光电解调仪连接到插芯，只有光信号在光纤内传输，不需要电压、电流、电容、电感等电信号的激励，也不会有任何电信号的产生，应用于石油、化工、矿山、地下管廊、核辐射等领域具有本质安全、可靠、寿命长等优点。

进一步，所述光电解调仪还用于多通道同步测量，所述光电解调仪能够将多个传感器与多通道的光电解调仪连接成光纤传感网络。

有益效果：米格传感器通过单根光纤与广电解调仪连接，传输距离可达近20km，多个传感器共用一台光电解调仪，减少了传统电传感器的解调模块和通信基站等，易于传感器的在线监测以及组网形成传感器网络。

附图说明

图1为本发明实施例一种非本征型光纤法珀干涉压力传感器的法珀干涉装置的结构示意图。

图2为图1中的A部放大图。

图3为本发明实施例一种非本征型光纤法珀干涉压力传感器的光电解调仪结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：应力筒1、支撑环2、外壳3、FC/UPC陶瓷插芯4、光纤5、传输光缆6、法珀腔7。

实施例基本如附图1所示：

具体实施过程如下：

实施例一

一种非本征型光纤法珀干涉压力传感器,包括法珀干涉装置、传输光缆6和光电解调仪。

所述法珀干涉装置包括应力筒1、外壳3、支撑环2、带有单模光纤5的FC/UPC陶瓷插芯4；

如附图1所示，所述应力筒1的一个端面与外壳3通过螺纹连接，该端面深入外壳3内部并与支撑环2固定连接，所述端面与支撑环2之间留有空腔，FC/UPC陶瓷插芯4通过胶粘剂固定于支撑环2的中心孔处；其中，如附图2所示，FC/UPC陶瓷插芯4内部的光纤5与应力筒1的端面垂直，应力筒1端面、FC/UPC陶瓷插芯4内部的光纤5以及两者之间间隙的空气组成了法珀干涉装置的法珀腔7；当应力筒1在有压力增加或减小的情况下，应力筒1的端面会发生弯曲变形以致引起法珀腔7腔长的增大或缩小，法珀腔7腔长的变化量与压力变化成正比例关系，本方案中的应力筒1在零压力到满量程压力变化情况下，端面会发生几微米至几十微米的微小形变。

其中，本实施例中的应力筒1端面对应于支撑环2中心孔处设有圆形凸台，圆形凸台表面经过打磨后粗糙度为Ra0.2，应力筒1采用高低温下具有恒弹性模量的耐腐蚀的金属材料高温合金(GH4145)：(美标ASTM):Inconel x-750/W.Nr.2.4669。

所述光电解调仪包括波长扫描激光器、光隔离器、光耦合器、电信号处理模块、第一光电检测模块、第二光电检测模块和CPU；

如附图3所示，所述波长扫描激光器、光隔离器和光耦合器依次通过光路连接，第一光电检测模块、第二光电检测模块均与光耦合器光路连接，第一光电检测模块、第二光电检测模块均与电信号处理模块电连接，电信号处理模块与CPU电连接；

所述传输光缆6连接到光耦合器并插入FC/UPC陶瓷插芯4，使得光电解调仪发出的光能有效传输至法珀干涉装置中，同时接受法珀干涉装置反射回来的光信号。

本实施例中的光电解调仪属于波长扫描形解调仪，可以同时分别与40个法珀干涉装置通过单根光纤5进行连接，传输距离可达20km；其波长扫描光信号由波长扫描激光器产生，波长扫描激光器在扫描驱动电压的驱动下，输出的窄带波长随时间单调变化，实现波长扫描，将光束分配至每个通道上，这样以时间为变量，按时间顺序扫描多个通道的各个法珀干涉装置；其中，入射的光经过光耦隔离器和耦合器，光信号沿传输光缆6输出至法珀干涉装置处并反射，光电探测器探测法珀干涉装置反射回来的光信号强度；由此，波长扫描激光器每扫描一次，光电探测器就会得到反射光光谱信号，这组反射光光谱信号中不同波长对应的光的强弱组合即包含着法珀干涉装置的压力信息，光电解调仪对法珀干涉装置中的法珀腔7的各个参数进行设置和保存，进而解读出压力。

具体的，光电解调仪发出的入射光沿传输光缆6传输至FC/UPC陶瓷插芯4处光纤5的端面，一定比例强度的光会沿原光纤5反射形成第一反射光，剩余的光会透射出去，透射的光经过几百微米的空气间隙后入射至应力筒1的圆形凸台上，凸台表面经打磨后可形成镜面反射，入射的光经反射后再次射入FC/UPC陶瓷插芯4内部的光纤5内形成第二反射光，在第一反射光与第二反射光相遇的时刻，光电解调仪反射的波长还属于同频光，第二反射光与第一反射光具有光程差，光程差为2倍法珀腔7的腔长，这两束反射光满足平行光束干涉条件，形成相干光。

其中，在法珀腔7固定的情况下，所述光电解调仪从低波段连续扫描至高波段时，扫描速率高于500kHz，其用时非常短，远远低于干涉压力传感器在动态范围内压力变化引起腔长改变的时间，可以精准测量两反射光端面相对距离变化，精确测量精度可达0.01μm；此外，相干光在某些频率光谱下满足干涉级次为整数倍时，光强相增；干涉级次为整数倍加0.5倍时，光强相消；此时，在整个光谱频域范围内按光强绘制一条曲线，该曲线就会形成一条包含法珀腔7腔长相关变化特征的费等周期的类似正弦曲线，光电解调仪通过提取相关信息实现绝对腔长计算。

此外，本方案中的应力筒1仅需通过改变应力筒1的直径和端部厚度，根据压力范围设计端部的挠度就可制成不同量程的非本征型光纤法珀干涉压力传感器，将应力筒1与外壳3 通过螺纹进行连接可以更为方便更换其他量程的非本征型光纤法珀干涉压力传感器。

实施例二

实施例二与实施例一的区别仅在于所述支撑环2表面设有通孔，进而使得环境压力进入法珀干涉装置，排除了因温度变化造成的法珀干涉装置内部空气膨胀形成的初始压力，从而形成通气表压压力传感器。

实施例三

实施例三与实施例一的区别仅在于所述支撑环2表面设置有压力传感器接头，进而使得法珀干涉装置能够测得介质的压力与大气压的压力之差，形成差压压力传感器。

实施例四

实施例四与实施例一的区别仅在于本实施例中的应力筒1端面对应于支撑环2中心孔处设有圆形凸台，圆形凸台表面经过打磨后粗糙度为Ra0.05,所述应力筒1的另一端面还设有螺纹接口，该接口可用于接入水管，通过螺纹连接进行固定，可以使得测量水压的结果精准度更高。

以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。