波紋膜片式法布里－珀羅型光纖壓力傳感器及其制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種波紋膜片式法布里一珀羅型光纖壓力傳感器，可利用反射光譜的波長變化對信號進行解調。
【背景技術】
[0002]光纖傳感器具備傳輸頻帶寬、動態(tài)測量范圍大、易于組成分布式測量網(wǎng)的優(yōu)點。光纖法布里-珀羅傳感器結構的不同主要體現(xiàn)在構成其F-P腔的介質的區(qū)別。非本征型法布里-珀羅光纖傳感器如圖1所示，它的傳感頭是由兩根端面平行的光纖和與光纖外徑匹配的毛細管構成，兩根固定光纖的垂直端面和空氣隙形成F-P腔，當傳感頭外界溫度、壓力等環(huán)境因素發(fā)生變化時，引起F-P空氣腔長度改變，通過檢測F-P干涉返回光強變化特性實現(xiàn)傳感。但這類傳感器只能測量物體的應變而不能測量壓力。
[0003]微型法布里-珀羅壓力傳感器通常有毛細管結構和膜片結構兩種，毛細管結構的壓力傳感器對壓力感知敏感度低，可用于大壓強范圍的測量，但不適于對精度要求高的微壓測量。膜片式F-P腔結構理論上可以獲得較高的靈敏度，但目前能夠在光纖端面上制作高靈敏度膜片的技術仍存在諸多問題，比如工藝復雜，重復性弱，材料溫度和力學特性差等。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明提供了一種波紋膜片式法布里一珀羅型光纖壓力傳感器，其優(yōu)化的參數(shù)及性能大大提高了傳感器的精度和靈敏度，且重復性高、線性度好。同時提出一種該傳感器的實際制備方法。
[0005]本發(fā)明的目的通過下述技術方案實現(xiàn):
[0006]波紋膜片式法布里一珀羅型光纖壓力傳感器，包括波紋膜片、玻璃圓環(huán)、光纖法蘭盤和光纖插頭，所述玻璃圓環(huán)的一個端面與波紋膜片粘結，其另一端的外壁與光纖法蘭盤的凹槽粘結；所述光纖插頭與光纖法蘭盤耦合，光纖插頭位于玻璃圓環(huán)的內部，且光纖插頭的端面與波紋膜片的表面形成法布里一珀羅腔。
[0007]進一步地，所述波紋膜片采用厚度為30 μm、波高為60 μπι的316L不銹鋼波紋膜片。
[0008]進一步地，所述波紋膜片的同心圓圓心與玻璃圓環(huán)的圓心重合。
[0009]本發(fā)明上述波紋膜片式法布里一珀羅型光纖壓力傳感器的制造方法，步驟如下:
[0010](I)選定厚度為30 μm、波高為60 μπι的316L不銹鋼波紋膜片；
[0011](2)將內徑為8mm、外徑為Icm的玻璃圓管割成高度為3.2毫米的圓環(huán)，然后將切割后的玻璃圓環(huán)的端面進行拋光；
[0012](3)將波紋膜片與玻璃圓環(huán)的一個端面粘結，使波紋膜片的同心圓圓心與玻璃圓環(huán)的圓心重合，用365nm的紫外燈將粘結材料快速固化；
[0013](4)在玻璃圓環(huán)另一端的外壁上均勻涂上粘結材料，將其粘結到光纖法蘭盤的凹槽中并將其封裝固化；
[0014](5)將光纖插頭旋接于光纖法蘭盤上，光纖插頭的端面與波紋膜片的下表面形成法布里一珀羅腔；
[0015](6)最后將法蘭盤安裝到封裝套管基座上，即完成了傳感器的制作。
[0016]從上述的傳感器加工步驟可看出，光纖插頭的端面和波紋膜片的下表面形成了F-P腔，光經(jīng)過光纖直接進入F-P腔，避免了其他介質對光路的影響；采用316L不銹鋼作為波紋膜與法蘭盤的制備材料，這樣就有效的降低了由于構成傳感器的材料熱膨脹系數(shù)不匹配而產(chǎn)生的熱應力，又由于316L不銹鋼(又稱鈦鋼)中含鉬，所以和其他不銹鋼相比，該不銹鋼的性能優(yōu)于其他不銹鋼。另外，光纖法蘭盤本身就是用來對準光纖的，本發(fā)明的設計可保證光能垂直進入F-P腔，且與現(xiàn)有的光通訊設備相兼容。因此，借助本發(fā)明可以實現(xiàn)線性度好，靈敏度高，重復性強的光纖壓力傳感器，且制作成本低、步驟簡單、易于實現(xiàn)。
[0017]本發(fā)明的波紋膜片式法布里-珀羅壓力傳感器是對現(xiàn)有的壓力傳感器技術的提高和補充，能夠滿足科學研究和生產(chǎn)需求，有望解決傳感器向微型化發(fā)展和批量生產(chǎn)時遇到的問題，適用于強電磁干擾、易燃易爆等惡劣環(huán)境，在石油化工和航空航天領域有廣泛應用前景。
【附圖說明】
[0018]圖1是非本征型法布里-珀羅光纖傳感器的結構示意圖，其中，1-2X1耦合器，2-EFPI傳感器，3-入射光纖，4-準直毛細管，5-空氣隙，6-熔接點；
[0019]圖2是本發(fā)明膜片式法布里一珀羅型光纖壓力傳感器結構示意圖，其中，7-法蘭盤，8-凹槽，9-玻璃圓環(huán)，10-波紋膜片，11-光纖插頭；
[0020]圖3是傳感器壓力測試系統(tǒng)，其中12-計算機，13-光傳感分析儀，14-膜片式光纖壓力傳感器，15-光纖親合器；
[0021]圖4是本發(fā)明膜厚為30 μm、腔長為137.11 μm的傳感器實驗結果。
【具體實施方式】
[0022]下面結合具體實施例和附圖，對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0023]如圖2所示，本發(fā)明的波紋膜片式法布里一珀羅型光纖壓力傳感器，包括波紋膜片10、玻璃圓環(huán)9、光纖法蘭盤7和光纖插頭11，玻璃圓環(huán)9的一個端面與波紋膜片10粘結，其另一端的外壁與光纖法蘭盤的凹槽8粘結；光纖插頭11與光纖法蘭盤7耦合，光纖插頭11位于玻璃圓環(huán)9的內部，且光纖插頭11的端面與波紋膜片10的下表面形成法布里一珀羅腔。
[0024]本實施例制備波紋膜片式法布里一珀羅型光纖壓力傳感器的步驟如下:
[0025](I)選定厚度為30 μ m，波高為60 μ m的316L不銹鋼波紋膜片10 ;
[0026](2)將內徑為8mm，外徑為Icm的玻璃圓管切割成高度為3.2毫米長的圓環(huán)，然后將切割后的玻璃圓環(huán)9的端面進行拋光；
[0027](3)將波紋膜片10與玻璃圓環(huán)9的一個端面粘結，使波紋膜片10的同心圓圓心與玻璃圓環(huán)9的圓心重合，用365nm的紫外燈將粘結材料快速固化；
[0028](4)在玻璃圓環(huán)9另一端的外壁上均勻涂上粘結材料，將其粘結到光纖法蘭盤7的凹槽8中并將其封裝固化；
[0029](5)將光纖插頭11旋接于光纖法蘭盤上7，光纖插頭11的端面與波紋膜片10的下表面形成法布里一珀羅腔。
[0030](6)最后將法蘭盤7安裝到封裝套管基座上，即完成了傳感器的制作。
[0031]如圖3所示，利用本發(fā)明膜片式光纖壓力傳感器14搭建了光纖法布里-珀羅微壓傳感器測試系統(tǒng)。光源輸出的光通過一個2X2光纖親合器15被分成強度相等的兩束光，一束光被接回到CH2檢測通道，作為入射參考光，另一束傳輸經(jīng)過光纖壓力傳感器14的F-P微腔形成干涉信號，再通過光纖耦合器15接回到CHl檢測通道，作為反射測量光，兩束光同時在光纖傳感分析儀13中進行掃描并傳輸入計算機12。光纖壓力傳感器14腔長的改變會使反射譜的相位發(fā)生移動，腔長的大小可由波紋膜片10上的施壓而引起波紋膜片的形變量所控制，通過解調反射光譜，可得出作用于波紋膜上的壓力。本發(fā)明傳感器的結構提高了微壓傳感器的靈敏度和精度。
[0032]如圖4所示，用YS-2.5型活塞壓力計對本發(fā)明傳感器從O至0.1MPa進行均勻升壓，每隔0.0lMPa標定一次，并用Labview軟件仿真得到傳感器的腔長隨壓力變化曲線及擬合直線。實驗結果表明，本傳感器在O?0.1MPa的壓力范圍內，線性度好、靈敏度高，靈敏度達到了 518.02 μ m/MPa ο
【主權項】
1.波紋膜片式法布里一珀羅型光纖壓力傳感器，包括波紋膜片、玻璃圓環(huán)、光纖法蘭盤和光纖插頭，其特征在于，所述玻璃圓環(huán)的一個端面與波紋膜片粘結，其另一端的外壁與光纖法蘭盤的凹槽粘結；所述光纖插頭與光纖法蘭盤耦合，光纖插頭位于玻璃圓環(huán)的內部，且光纖插頭的端面與波紋膜片的表面形成法布里一珀羅腔。2.根據(jù)權利要求1所述的波紋膜片式法布里一珀羅型光纖壓力傳感器，其特征在于，所述波紋膜片采用厚度為30 μm、波高為60 μπι的316L不銹鋼波紋膜片。3.根據(jù)權利要求1所述的波紋膜片式法布里一珀羅型光纖壓力傳感器，其特征在于，所述波紋膜片的同心圓圓心與玻璃圓環(huán)的圓心重合。4.如權利要求1所述波紋膜片式法布里一珀羅型光纖壓力傳感器的制造方法，其特征在于，制作步驟如下: (1)選定厚度為30μm、波高為60 μπι的316L不銹鋼波紋膜片； (2)將內徑為8mm、外徑為Icm的玻璃圓管割成高度為3.2毫米的圓環(huán)，然后將切割后的玻璃圓環(huán)的端面進行拋光； (3)將波紋膜片與玻璃圓環(huán)的一個端面粘結，使波紋膜片的同心圓圓心與玻璃圓環(huán)的圓心重合，用365nm的紫外燈將粘結材料快速固化； (4)在玻璃圓環(huán)另一端的外壁上均勻涂上粘結材料，將其粘結到光纖法蘭盤的凹槽中并將其封裝固化； (5)將光纖插頭旋接于光纖法蘭盤上，光纖插頭的端面與波紋膜片的下表面形成法布里一珀羅腔； (6)最后將法蘭盤安裝到封裝套管基座上，即完成了傳感器的制作。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種波紋膜片式法布里－珀羅型光纖壓力傳感器及其制作方法。光纖壓力傳感器包括波紋膜片、玻璃圓環(huán)、光纖法蘭盤和光纖插頭，其中，玻璃圓環(huán)的一個端面與波紋膜片粘結，其另一端的外壁與光纖法蘭盤的凹槽粘結；光纖插頭與光纖法蘭盤耦合，光纖插頭位于玻璃圓環(huán)的內部，且光纖插頭的端面與波紋膜片的表面形成法布里－珀羅腔。本發(fā)明的波紋膜片式法布里-珀羅壓力傳感器是對現(xiàn)有的壓力傳感器技術的提高和補充，能夠滿足科學研究和生產(chǎn)需求，有望解決傳感器向微型化發(fā)展和批量生產(chǎn)時遇到的問題，適用于強電磁干擾、易燃易爆等惡劣環(huán)境，在石油化工和航空航天領域有廣泛應用前景。
【IPC分類】G01L11/02, G01L1/24
【公開號】CN105092122
【申請?zhí)枴緾N201510571383
【發(fā)明人】王鳴, 陳露, 朱佳利, 沈萌
【申請人】南京師范大學
【公開日】2015年11月25日
【申請日】2015年9月9日