專利名稱：一種微型壓力傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種可置于小尺寸空間里對作用于光纖布喇格光柵橫向的壓力進行測量的微型壓力傳感器及其制備方法。
背景技術(shù)：
壓力是一個表征物體狀態(tài)的重要的物理參數(shù)，它的測量涉及到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，經(jīng)濟建設(shè)的各個方面。壓力傳感器是一種應(yīng)用范圍很廣，需求非常量大的傳感器，具有十分廣泛和重要的應(yīng)用前景。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對壓力的測量也提出了精度高、響應(yīng)快、壽命長等要求。
光纖光柵傳感器是近十多年發(fā)展起來的一種新型傳感器，由于其獨特的優(yōu)點而受到廣泛地關(guān)注，并得到快速地發(fā)展。光纖光柵可分為光纖布喇格光柵(Fiber Bragg Grating，簡稱FBG)和長周期光纖光柵(Long Period Fiber Grating，簡稱LPFG)。FBG是一種光纖纖芯折射率沿光纖軸向受到周期性調(diào)制的光纖內(nèi)器件，它能夠選擇性地將入射的寬帶光中某一窄帶波長光耦合成反向，形成反射，窄帶反射光的中心波長稱之為布喇格波長。布喇格波長由光柵常數(shù)(光柵的有效折射率和光柵條紋周期)決定，而光柵常數(shù)對光柵處光纖的應(yīng)變變化和溫度變化敏感，通過檢測光柵反射的布喇格波長就可以知道光柵處光纖的應(yīng)變和溫度情況，所以可以將FBG用于應(yīng)變傳感和溫度傳感。由于FBG傳感器是利用波長信號進行測量，因此除了具有傳統(tǒng)光纖傳感器的本質(zhì)安全、抗電磁干擾、抗腐蝕、傳輸距離長、體積小、重量輕等優(yōu)點外，還具有以下獨特的優(yōu)點(1)測量信號不受光源起伏、光纖彎曲損耗、連接損耗和探測器老化等因素的影響，而光源起伏、光纖彎曲損耗、連接損耗和探測器老化等因素的影響是傳統(tǒng)的“光強型”光纖傳感器難以克服的；(2)避免了一般干涉型傳感器中相位測量的不清晰和對固有參考點的需要，而相位測量的不清晰和對固有參考點的需要是傳統(tǒng)的“干涉型”光纖傳感器固有的弱點；(3)可方便地使用波分復(fù)用技術(shù)在一根光纖中串接多個布喇格光柵進行分布式測量，這是傳統(tǒng)的光纖傳感器不能實現(xiàn)的。
所以光纖光柵傳感器測量精度更高、長期穩(wěn)定性更好、適用范圍更廣。
用FBG制作壓力傳感器一般是將FBG和壓力形變體剛性地固定在一起(將FBG貼在壓力形變體表面或埋進壓力形變體內(nèi))，使壓力形變體的形變能有效地轉(zhuǎn)變成FBG的應(yīng)變，當壓力作用于壓力形變體之上時，壓力形變體發(fā)生變形，從而引起FBG的應(yīng)變變化，這樣光柵反射光的布喇格波長發(fā)生變化，通過檢測光柵反射的布喇格波長就可以知道壓力情況。例如，有一種方法是采用將FBG封裝于聚合物基底中，聚合物做成10*15*50mm的長方體形裝，F(xiàn)BG位于聚合物基底中央，利用聚合物放大外界對光柵的作用力，從而改善了光柵的壓力靈敏系數(shù)，可以制作出對高靈敏度的壓力傳感器。但是由于這種壓力傳感器是利用FBG的縱向應(yīng)變特性來測量壓力的，因此這種傳感器在厚度尺寸(壓力方向)上不可能做得很小，從而限制了這種傳感器在特殊場合的應(yīng)用。
在許多應(yīng)用場合都需要測量作用于光纖橫向的壓力，因為只有這樣才能將傳感器厚度尺寸(壓力方向)做得很小(百微米量級)，從而可以將其置于很小的空間對壓力進行測量。但是直接用FBG測量作用于光纖橫向的壓力很困難，這主要是因為FBG對橫向應(yīng)變不敏感，裸FBG在70MPa的壓強下，波長移動僅為0.22nm，這樣就很難獲得很高的測量分辨率。
針對這種現(xiàn)象，有人提出利用FBG的雙折射效應(yīng)來研制壓力傳感器。這種測量的原理是當FBG受到橫向壓力時，會產(chǎn)生雙折射效應(yīng)，雙折射效應(yīng)導(dǎo)致光譜中的模式分離，并且分離模式之間的波長間隔和光纖所受到的橫向壓力有關(guān)。用這種方法可以測量直接施加在光纖橫向的壓力。但是由于FBG的雙折射偏振分離間距比較小，這就給解調(diào)帶來了很大的難度。有一些研究者提出用LPFG研制壓力傳感器，用于光纖橫向壓力的測量。因為LPFG的雙折射特性對橫向壓力比較敏感，它的雙折射偏振分離波長間距為FBG的數(shù)百倍。但是目前LPFG的信號不穩(wěn)定，而且LPFG透射譜線帶寬比較寬，因此測量精度很難提高。另外采用雙折射效應(yīng)制作傳感器，整個傳感系統(tǒng)的復(fù)雜性提高，器件成本也大幅提高。目前這方面的研究還處于實驗室研究階段，并沒有相應(yīng)的產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種可以測量FBG的橫向壓力，重量輕，尺寸小的微型壓力傳感器及其制備方法。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案是一種微型壓力傳感器，包括光纖布喇格光柵(FBG)和壓力形變體，光纖布喇格光柵(FBG)和壓力形變體柔性地連接在一起。
壓力形變體由一個剛性薄片、凸起的彈片和柔性鉸鏈組成，凸起的彈片一端通過柔性鉸鏈與剛性薄片中間連接，其另一活動端點則與光纖布喇格光柵(FBG)中心點連接，光纖布喇格光柵(FBG)的兩端固定在剛性薄片上。
一種微型壓力傳感器的制備方法，以下是簡要步驟1、根據(jù)待測情況，進行形變體的尺寸設(shè)計2、計算柔性鉸鏈和彈片設(shè)計參數(shù)3、加工形變體4、將光柵固定在形變體側(cè)面5、進行加壓實驗，優(yōu)化調(diào)試器件6、標定工作曲線當彈片受到的橫向壓力時，彈片產(chǎn)生形變，彈片的活動端點頂?shù)紽BG的中心點，由于FBG的兩端固定在剛性薄片上，從而使FBG沿縱向產(chǎn)生張力，這樣就將作用于光纖橫向的壓力轉(zhuǎn)化為垂直于壓力方向的作用力，這個作用力施加于FBG造成其產(chǎn)生縱向的應(yīng)變，引起FBG反射波長變化，使得受到的橫向壓力和光柵的反射波長之間發(fā)生關(guān)系，最終達到測量的目的。在彈片結(jié)構(gòu)中我們引入柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)，柔性鉸鏈是一種簡單、可靠而靈巧的機械結(jié)構(gòu)，具有類似于普通鉸鏈功能，既可以提供位移又可按杠桿式放大或縮小位移，能較好地解決普通彈片回復(fù)性差，位移分辨率低的問題。由于可以對FBG的橫向壓力進行測量，所以整個傳感器的可以制作成厚度只有數(shù)百微米，寬度只有幾十毫米的微型器件。
本發(fā)明具有分辯率高、重復(fù)性好、響應(yīng)時間短、測量范圍大、器件小型化等特點，適用于各種需要壓力測量尤其是對傳感器尺寸和結(jié)構(gòu)有苛刻要求的應(yīng)用環(huán)境。


圖1為本發(fā)明應(yīng)用于壓力傳感器測量系統(tǒng)示意2為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意3為本發(fā)明截面示意中，1-光源；2-解調(diào)裝置；3-3dB耦合器；4-壓力傳感探頭；5-連接光纖； 6-布喇格光柵6-布喇格光柵；7-彈片； 8-柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)；9-剛性薄片具體實施方式
如圖2、3所示，彈片7、柔性鉸鏈8和剛性薄片9組成形變體，光纖布喇格光柵(FBG)6兩端緊密粘貼在剛性薄片9側(cè)面，中間部分則和彈片7固定在一起；剛性薄片9的中間部分彈片7彎成一個弧形，當彈片7突起部分受到橫向壓力時，彈片7便會變形伸直，彈片7的活動端側(cè)向頂?shù)紽BG6中心，從而使其沿縱向產(chǎn)生張力，這樣就將光纖橫向壓力有效轉(zhuǎn)化為垂直于壓力方向的作用力，這個作用力施加于FBG6造成其產(chǎn)生縱向的應(yīng)變，使得FBG6的反射波長移動，通過檢測波長變化便可以知道所受到的壓力狀況。傳感探頭4中可布置FBG6，光源1整個傳感系統(tǒng)提供光波。光源1通過Y型分路器3將光耦合入布喇格光柵，Y型分路器3的另一個分路端口連接解調(diào)裝置2，5為連接光纖。
下面對本發(fā)明中的傳感和結(jié)構(gòu)原理做簡單介紹。
FBG的傳感原理由耦合模理論可知，光纖FBG可將其中傳輸?shù)囊粋€導(dǎo)模耦合到另一個沿相反方向傳輸?shù)膶?dǎo)模而形成窄帶反射，峰值反射波長(Bragg波長)為λB＝2neffΛ(1)式(1)中neff為導(dǎo)模的有效折射率，Λ為光柵周期。
由式(1)可知，Bragg波長是隨neff和Λ而改變的。當光柵所處的外界環(huán)境發(fā)生變化時，可能導(dǎo)致光纖光柵本身的溫度、應(yīng)力應(yīng)變、壓力等發(fā)生變化，當光纖光柵只受應(yīng)變ε作用時，其中心反射波長的相對變化為ΔλB/λB＝(1-Pe)ε(2)式中Pe＝n[P11-ν(P11+P12)/2為有效彈光系數(shù)，P11、P12為彈光系數(shù)，ν為纖芯材料的泊松比，ε為外力產(chǎn)生的軸向應(yīng)變量。
由(2)式可知，當FBG發(fā)生軸向應(yīng)變時，將引起光柵的布喇格波長變化，我們利用此關(guān)系對待測量進行測量。
作為一種新型的FBG微型壓力傳感器，它的主要特征是采用一種特殊設(shè)計的壓力轉(zhuǎn)化裝置，使得我們可以實現(xiàn)對作用于光纖橫向的壓力進行測量。由于是測量光纖橫向的壓力，所以進行壓力轉(zhuǎn)化的形變體的厚度(壓力方向)非常小，在這么小的尺度上，如何加工出有效的進行壓力轉(zhuǎn)化的形變體，并保證其工作的重復(fù)、穩(wěn)定，這些是整個傳感器研制過程的主要問題。因此，首先我們先要了解待測情況，然后根據(jù)實際測量情況和測量范圍設(shè)計形變體的形狀尺寸和彈片的參數(shù)。接著為了保證測量過程中形變體的工作性能，我們將彈片的一端和剛性薄片用柔性鉸鏈連接起來，這樣可以提高彈片的回復(fù)性，保證彈片工作穩(wěn)定、重復(fù)。在加工好形變體之后，將FBG固定在形變體的側(cè)面，這個過程必須保證兩者之間在一個平面內(nèi)，平行、緊密地連接。這樣就完成了壓力傳感器的初步設(shè)計和制作，在此基礎(chǔ)上我們就對壓力傳感器進行反復(fù)的加壓實驗，在不斷的實驗過程中，對傳感器的一些參數(shù)進行調(diào)試優(yōu)化；最后完成FBG微型壓力傳感器的標定，應(yīng)用。
以下是生產(chǎn)的簡要步驟1、根據(jù)待測情況，進行形變體的尺寸設(shè)計；2、計算柔性鉸鏈和彈片設(shè)計參數(shù)；3、加工形變體；4、將光柵固定在形變體側(cè)面；5、進行加壓實驗，優(yōu)化調(diào)試器件；標定工作曲線。
權(quán)利要求
1.一種微型壓力傳感器，包括光纖布喇格光柵和壓力形變體，其特征在于將光纖布喇格光柵和壓力形變體柔性地連接在一起。
2.如權(quán)利要求1所述的壓力傳感器，其特征在于所述的壓力形變體由一個剛性薄片、凸起的彈片和柔性鉸鏈組成，凸起的彈片一端通過柔性鉸鏈與剛性薄片中間連接，其另一活動端點則與光纖布喇格光柵中心點連接，光纖布喇格光柵的兩端固定在剛性薄片上。
3.一種生產(chǎn)如權(quán)利要求1所述微型壓力感器的生產(chǎn)方法，其特征在于其步驟如下A據(jù)待測情況，進行形變體的尺寸設(shè)計B算柔性鉸鏈和彈片設(shè)計參數(shù)C形變體D光柵固定在形變體側(cè)面
全文摘要
一種微型壓力傳感器，包括光纖布喇格光柵和壓力形變體，光纖布喇格光柵和壓力形變體柔性地連接在一起，其制備方法如下根據(jù)待測情況，進行形變體的尺寸設(shè)計；計算柔性鉸鏈和彈片設(shè)計參數(shù)；加工形變體；將光柵固定在形變體側(cè)面。當本發(fā)明的彈片受到的橫向壓力時產(chǎn)生形變，彈片的活動端點頂?shù)紽BG的中心點，由于FBG的兩端固定在剛性薄片上，從而使FBG沿縱向產(chǎn)生張力，這樣就將作用于光纖橫向的壓力轉(zhuǎn)化為垂直于壓力方向的作用力，這個作用力施加于FBG造成其產(chǎn)生縱向的應(yīng)變，引起FBG反射波長變化，使得受到的橫向壓力和光柵的反射波長之間發(fā)生關(guān)系，最終達到測量的目的。本發(fā)明具有分辯率高、重復(fù)性好、響應(yīng)時間短、測量范圍大、器件小型化等特點，適用于各種需要壓力測量尤其是對傳感器尺寸和結(jié)構(gòu)有苛刻要求的應(yīng)用環(huán)境。
文檔編號G01L1/24GK1632487SQ200410061338
公開日2005年6月29日 申請日期2004年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月14日
發(fā)明者姜德生, 何偉, 王昌 申請人:武漢理工大學(xué)