超高溫光纖F‑P溫度壓力複合傳感器與系統的製作方法

2023-06-06 15:33:43

本發明涉及光纖傳感器技術領域，具體指超高溫光纖F-P溫度壓力複合傳感器與系統。

背景技術：

微機電系統(MEMS)，也叫做微電子機械系統、微系統、微機械等，是在微電子技術(半導體製造技術)基礎上發展起來的，融合了光刻、腐蝕、薄膜、LIGA、矽微加工、非矽微加工和精密機械加工等技術製作的高科技電子機械器件。MEMS是一個獨立的智能系統，具有微型化、智能化、多功能、高集成度和適於大批量生產等基本特點。其系統尺寸在幾毫米乃至更小，其內部結構一般在微米甚至納米量級。光纖傳感技術作為一種新型的傳感技術，具有傳統電學傳感無法比擬的優勢，如：測量精度高、測量動態範圍大、響應速度快、不受電磁幹擾、防爆防燃、防腐蝕、易於遠距離測量和復用、尺寸小、結構簡單、機械強度高等。因此，光纖傳感器在化工、橋梁、航空、軍事等得到廣泛的應用。將MEMS技術和光纖傳感技術結合製作的光纖MEMS傳感器具有尺寸小、易於工業化生產、測量精度高、耐腐蝕耐高溫等諸多優勢，具有巨大的應用前景。

高溫傳感器一直是傳感器應用領域的難點，同時也是研究的重點。目前，傳統電類傳感器如熱電偶等測量溫度一般為幾百度，特殊材料製作的可以達到1000多度，但其成本較高，且在上述易燃易爆環境下並不適用，也存在電磁幹擾導致測量精度不高等問題，普通光纖光柵類傳感器如公開號CN101046412，公開了一種光纖光柵高溫傳感系統，採用兩個熱膨脹係數不同、長度不同的金屬條和光纖光柵製作成傳感探頭，其有效提高了光纖光柵本身溫度測量的局限性，且具有抗電磁幹擾和本徵防爆的特點，但最高測量溫度只達到600°，無法滿足超高溫環境下物理參數測量的需求。因此，現有技術還有待於改進和發展。

技術實現要素：

針對以上問題，本發明提供了一種結構合理、穩定可靠、精確度高的超高溫光纖F-P溫度壓力複合傳感器與系統。

為了實現上述目的，本發明採用的技術方案如下：

本發明所述的超高溫光纖F-P溫度壓力複合傳感器與系統,包括寬帶光源、複合探頭、耦合器、信號解調單元和處理終端，所述耦合器通過石英光纖分別與寬帶光源和信號解調單元連接，信號解調單元與處理終端連接，耦合器與複合探頭之間通過藍寶石光纖連接；所述複合探頭包括耐高溫殼體和光學校準器，耐高溫殼體內設有藍寶石基底製作的溫壓複合諧振腔，光學校準器的前端穿入耐高溫殼體進而與溫壓複合諧振腔對應設置，藍寶石光纖的前端穿設於光學校準器內。

進一步而言，所述耐高溫殼體的前端設有安裝槽，溫壓複合諧振腔嵌設於安裝槽內，且溫壓複合諧振腔與耐高溫殼體之間粘接有耐高溫無機膠；所述光學校準器從耐高溫殼體後端穿入安裝槽且與溫壓複合諧振腔對應設置，耐高溫殼體上設有與光學校準器固定連接的合金螺釘。

進一步而言，所述溫壓複合諧振腔包括溫敏腔和壓敏腔，溫敏腔和壓敏腔均為藍寶石基製備而來；所述溫敏腔的前後兩端均為光學平面進而構成本徵型藍寶石F-P腔，壓敏腔的後端面為光學平面，壓敏腔的後端面上設有凹槽，且溫敏腔的前端面與壓敏腔的後端面鍵合連接從而使凹槽構成非本徵型空氣F-B腔。

進一步而言，所述藍寶石光纖的前端穿設於光學校準器內且與溫敏腔的後端面對應設置，藍寶石光纖的前端具有拋磨成型面，拋磨成型面為5-8°的光學斜面或曲面透鏡結構。

本發明還提供了一種藍寶石基F-P諧振腔的製備工藝，其步驟如下：

步驟1，將藍寶石基底切割出溫敏腔和壓敏腔所需的規格毛片，再在壓敏腔毛片上腐蝕一個凹槽，將兩個毛片分別進行拋磨；

步驟2，對兩個溫敏腔和壓敏腔進行親水預處理；

步驟3，將溫敏腔的前端光學平面與壓敏腔後端面對接；

步驟4，將溫敏腔和壓敏腔進行低溫預鍵合；

步驟5，將經過預鍵合的溫敏腔和壓敏腔進行高溫擴散鍵合。

本發明有益效果為：本發明結構合理，複合探頭採用耐高溫材料封裝製作，藍寶石基底採用MEMS工藝製作的本徵型藍寶石F-P腔和非本徵型空氣F-B腔，可實現結構的微型化和批量加工，滿足1200℃以上超高溫環境的溫度和壓力測量，純光探測反饋信號採用相位解調方式解析，溫度測定值可以補償壓力腔的腔長變化，可以有效提高壓力值測定的精確度。

附圖說明

圖1是本發明的整體結構示意圖；

圖2是本發明的複合探頭內部放大結構示意圖。

圖中：

1、寬帶光源；2、耦合器；3、信號解調單元；4、耐高溫殼體；5、溫壓複合諧振腔；21、石英光纖；22、藍寶石光纖；23、拋磨成型面；31、處理終端；41、光學校準器；42、合金螺釘；43、耐高溫無機膠；44、合金螺釘；51、溫敏腔；52、壓敏腔；53、凹槽。

具體實施方式

下面結合附圖與實施例對本發明的技術方案進行說明。

如圖1、圖2所示，本發明所述的超高溫光纖F-P溫度壓力複合傳感器與系統,包括寬帶光源1、複合探頭、耦合器2、信號解調單元3和處理終端31，所述耦合器2通過石英光纖21分別與寬帶光源1和信號解調單元3連接，信號解調單元3與處理終端31連接，耦合器2與複合探頭之間通過藍寶石光纖22連接；所述複合探頭包括耐高溫殼體4和光學校準器41，耐高溫殼體4內設有藍寶石基底製作的溫壓複合諧振腔5，光學校準器41的前端穿入耐高溫殼體4進而與溫壓複合諧振腔5對應設置，藍寶石光纖22的前端穿設於光學校準器41內；上述部件構成本發明的主體結構，寬帶光源1發出的光依次經過石英光纖21、耦合器2、藍寶石光纖22進入溫壓複合諧振腔5產生幹涉信號，幹涉信號由溫壓複合諧振腔5反射依次經過藍寶石光纖22、耦合器2、石英光纖21傳輸給信號解調單元3進行腔長解調，再由處理終端31解析並顯示溫度和壓力測定值；所述複合探頭整體採用耐高溫材料製作，且溫壓複合諧振腔5由藍寶石基底製作，從而可在1200℃以上環境中實現溫度壓力檢測，F-P溫壓複合諧振腔5測定溫度值可以補償壓力腔受溫度影響產生的腔長變化，從而可獲得更精確的壓力測定值。

更具體而言，所述耐高溫殼體4的前端設有安裝槽42，溫壓複合諧振腔5嵌設於安裝槽42內，且溫壓複合諧振腔5與耐高溫殼體4之間粘接有耐高溫無機膠43；所述光學校準器41從耐高溫殼體4後端穿入安裝槽42且與溫壓複合諧振腔5對應設置，耐高溫殼體4上設有與光學校準器41固定連接的合金螺釘44，所述耐高溫殼體4、合金螺釘44和耐高溫無機膠43均可耐受1200℃以上的高溫高壓環境，所述安裝槽43用於嵌裝和定位溫壓複合諧振腔5從而使其與光學校準器41配對，光學校準器41通過合金螺釘44固定在耐高溫殼體4上。

更具體而言，所述溫壓複合諧振腔5包括溫敏腔51和壓敏腔52，溫敏腔51和壓敏腔52均為藍寶石基製備而來；所述溫敏腔51的前後兩端均為光學平面進而構成本徵型藍寶石F-P腔，壓敏腔52的後端面為光學平面，壓敏腔52的後端面上設有凹槽53，且溫敏腔51的前端面與壓敏腔52的後端面鍵合連接從而使凹槽53構成非本徵型空氣F-B腔；所述溫敏腔51和壓敏腔52均為藍寶石基材製備從而使其本身能耐受超過1200℃的環境，溫敏腔51和壓敏腔52為配對結構且分別通過MEMS工藝切割、拋磨、腐蝕而成，其中壓敏腔52的對接面上蝕刻有凹槽53，且溫敏腔51和壓敏腔52之間的對接面均拋磨呈光學平面，從而二者對接鍵合後形成內部含空腔的一體結構，所述寬帶光源1發出的光進入溫敏腔51構成的本徵型藍寶石F-P腔和壓敏腔52構成的非本徵型空氣F-B腔，產生的幹涉信號反射回信號解調單元3，通過對漫反射幹涉信號解析獲得相應的溫度測定值和壓力測定值，進而再對壓力腔受到的溫度幹涉造成的腔長變化進行彌補，從而獲得精確度更高的壓力值。

更具體而言，所述藍寶石光纖22的前端穿設於光學校準器41內且與溫敏腔51的後端面對應設置，藍寶石光纖22的前端具有拋磨成型面23，拋磨成型面23為5-8°的光學斜面或曲面透鏡結構；所述藍寶石光纖22的前端與溫敏腔51後端面相對從而構成光線的進出路徑，藍寶石光纖22的前端穿設於光學校準器41內且由耐高溫無機膠43固定，拋磨成型面23可消除藍寶石光纖22的端面與溫敏腔51之間形成F-P腔造成信號幹涉的問題。

本發明還提供了上述藍寶石基F-P諧振腔的製備工藝，其步驟如下：

步驟1，將藍寶石基底切割出溫敏腔51和壓敏腔52所需的規格毛片，再在壓敏腔52毛片上腐蝕一個凹槽53，將兩個毛片分別進行拋磨；

步驟2，對兩個溫敏腔51和壓敏腔52進行親水預處理；

步驟3，將溫敏腔51的前端光學平面與壓敏腔52後端面對接；

步驟4，將溫敏腔51和壓敏腔52進行低溫預鍵合；

步驟5，將經過預鍵合的溫敏腔51和壓敏腔52進行高溫擴散鍵合。

以上結合附圖對本發明的實施例進行了描述，但是本發明並不局限於上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的範圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬於本發明的保護範圍之內。