全石英光纖琺珀壓力傳感器的製作方法

2023-06-04 05:24:41 3

本實用新型涉及光纖傳感技術領域，具體是一種全新結構設計的全石英光纖琺珀壓力傳感器。

背景技術：

近年來，隨著國防、航空航天、能源、環境、電力、汽車等領域的迅猛發展，對傳感器的微型化、低耗能、耐惡劣環境等要求提出了更高的要求。光纖式傳感器因其具有較好的隱身性，較高的測量精度和靈敏度、較快的動態響應速度，測量範圍寬，本質安全，不受電磁幹擾等優點，受到越來越多的關注。

光纖琺珀傳感器因尺寸小、結構簡單、靈敏度高等特點，應用廣泛。光纖琺珀壓力傳感器是主要應用之一，被廣泛應用於國防安全、航空航天、石油勘測等領域。目前，光纖琺珀壓力傳感器的製作方法有MEMS技術、電弧焊光子晶體光纖技術等。但這些方法存在製作工藝複雜、成本高、耐高溫性能差等缺點。

技術實現要素：

本實用新型的目的是為了解決上述現有技術中存在的問題，而提供兩種全新結構設計且具有靈敏度高、耐高溫性能好、溫度係數低、加工方法簡單、成本低等特點的全石英光纖琺珀壓力傳感器。

本實用新型是通過如下技術方案實現的：

一種結構的全石英光纖琺珀壓力傳感器，包括光纖、中空石英管和石英球殼；中空石英管的一埠與石英球殼連接相通，光纖的一端（即內端）從中空石英管的另一埠插入並伸至石英球殼內，同時光纖與中空石英管熔接在一起，形成密閉空腔。其中，石英球殼為空心狀的球形殼體，其壁厚與所測試壓力的量程與靈敏度有關。

其中，光纖伸至石英球殼內的一端端面（即內端面）為垂直切平狀或半球狀（也可稱為半球輻射狀）。當光纖伸至石英球殼內的內端面為半球狀時，半球狀的焦點與石英球殼內表面的焦點重合。

光纖與中空石英管的熔接點距離光纖內端面的長度大於光纖內端面距離石英球殼內表面的長度（即大於實際琺珀腔的長度），其具體比值根據光纖材料的熱膨脹係數不同而變化，調整熔接點的位置，可以調整傳感器的溫度係數。

另一種結構的全石英光纖琺珀壓力傳感器，包括光纖、中空石英管和石英球殼；中空石英管的一埠與石英球殼連接相通；光纖外套裝並熔接有第一石英套管，中空石英管外套裝並熔接有第二石英套管，第一石英套管和第二石英套管外共同套裝並熔接有第三石英套管，以形成密閉空腔；第一石英套管位於第三石英套管的一端埠處，光纖的一端置於第三石英套管外、另一端置於第三石英套管內；第二石英套管位於第三石英套管的另一端埠處，中空石英管的管口朝外且石英球殼位於第三石英套管內；光纖置於第三石英套管內的一端端面與石英球殼相對而置。其中，石英球殼為空心狀的球形殼體，其壁厚與所測試壓力的量程與靈敏度有關。

其中，光纖置於第三石英套管內的一端端面（即內端面）為垂直切平狀。

光纖與第一石英套管的熔接點距離光纖內端面的長度大於光纖內端面距離石英球殼外表面的長度。

上述兩種結構的全石英光纖琺珀壓力傳感器中，光纖可選擇單模光纖、多模光纖、光子晶體光纖、粗芯光纖或邊孔光纖等。

本實用新型所述的兩種結構的全石英光纖琺珀壓力傳感器，其核心結構都是由光纖、中空石英管和石英球殼構成的，一種為光纖置於石英球殼內，另一種是光纖置於石英球殼外並與石英球殼相對而置，兩種結構的全石英光纖琺珀壓力傳感器的使用及測試原理是相同的，具體為：光纖的內端端面（垂直切平狀或半球輻射狀）與石英球殼內表面或外表面形成平行的反射面，構成琺珀腔。光經光纖內端面時，部分光反射回光纖，部分光透過光纖內端面，到達球殼內表面或外表面並反射耦合進入光纖。兩部分反射光形成幹涉光譜。當外界環境壓力變化時，石英球殼受到擠壓，石英球殼內表面或外表面反射回光纖的光程發生變化，從而改變幹涉光譜，解調幹涉光譜，從而達到測量外界環境壓力的效果。當傳感器應用於高溫環境的測量時，由於熔接點（第一種結構中指光纖與中空石英管的熔接點，第二種結構中指光纖與第一石英套管的熔接點）距離光纖內端面的長度大於光纖內端面距離球殼內表面或外表面的長度，光纖向內的熱膨脹會抵消球殼本向外的熱膨脹，從而降低傳感器的溫度漂移。

圖4為本實用新型傳感器的幹涉光譜圖，從圖中可以得出，本實用新型傳感器的光強達到-24dB,對比度達7dB；圖5為本實用新型傳感器的壓力響應曲線，從圖中可以得出，本實用新型傳感器對壓力有良好的線性響應，響應靈敏度達-6.61nm/MPa。

本實用新型具有以下有益效果：

（1）設計科學合理，結構簡單新穎；（2）成本低廉，製備工藝簡單，無需大型儀器；（3）信號耦合情況好，靈敏度高；（4）全石英結構耐高溫性能良好，溫度係數低。

附圖說明

圖1為本實用新型傳感器的結構示意圖一。

圖2為本實用新型傳感器的結構示意圖二。

圖3為本實用新型傳感器的結構示意圖三。

圖4為本實用新型傳感器的幹涉光譜圖。

圖5為本實用新型傳感器的壓力響應曲線。

圖中：1-光纖、2-中空石英管、3-石英球殼、4-垂直切平狀、5-半球狀、6-熔接點、7-第一石英套管、8-第二石英套管、9-第三石英套管。

具體實施方式

為了使本實用新型的目的及優點更加清楚明白，以下結合實施例對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，並不用於限定本實用新型。

如圖1至圖3所示，本實用新型提供了一種全石英光纖琺珀壓力傳感器，包括光纖1、中空石英管2和石英球殼3，光纖1可選擇單模光纖、多模光纖、光子晶體光纖、粗芯光纖或邊孔光纖等；石英球殼3為空心狀的球形殼體，其壁厚與所測試壓力的量程與靈敏度有關，中空石英管2的一端與石英球殼3連接相通；

所述傳感器的一種結構如圖1、2所示，具體為：光纖1的一端從中空石英管2的另一端插入並伸至石英球殼3內；光纖1插入石英球殼3內的內端面為垂直切平狀4或半球狀5，當光纖內端面為半球狀5時，半球狀5的焦點與石英球殼3內表面的焦點重合；光纖1與中空石英管2熔接在一起，形成密閉空腔，光纖1與中空石英管2的熔接點6距離光纖1內端面的長度大於光纖1內端面距離石英球殼3內表面的長度，其具體比值根據光纖材料的熱膨脹係數不同而變化；調整熔接點位置，以調傳感器的溫度係數。

所述傳感器的另一種結構如圖3所示，具體為：光纖1外套裝並熔接有第一石英套管7，中空石英管2外套裝並熔接有第二石英套管8，第一石英套管7和第二石英套管8外共同套裝並熔接有第三石英套管9，形成密閉空腔；第一石英套管7位於第三石英套管9的一端埠處，光纖1的一端置於第三石英套管9外、另一端置於第三石英套管9內；第二石英套管8位於第三石英套管9的另一端埠處，中空石英管2的管口朝外且石英球殼3位於第三石英套管9內；光纖1置於第三石英套管9內的一端端面為垂直切平狀4且該端面與石英球殼3相對而置。光纖1與第一石英套管）的熔接點6距離光纖1內端面的長度大於光纖1內端面距離石英球殼3外表面的長度，其具體比值根據光纖材料的熱膨脹係數不同而變化；調整熔接點位置，以調傳感器的溫度係數。

本具體實施的原理為：垂直切平狀4或半球狀5光纖1內端面與石英球殼3內表面或外表面形成平行的反射面，構成琺珀腔。光經光纖1內端面時，部分光反射回光纖1，部分光透過光纖1內端面，到達球殼3內表面或外表面並反射耦合進入光纖1。兩部分反射光形成幹涉光譜。當外界環境壓力變化時，石英球殼3受到擠壓，石英球殼3內表面或外表面反射回光纖1的光程發生變化，從而改變幹涉光譜。解調幹涉光譜，從而達到測量外界環境壓力的效果。當傳感器應用於高溫環境的測量時，由於熔接點6距離光纖1內端面的長度應大於光纖1內端面距離石英球殼3內表面或外表面的長度，光纖1向內的熱膨脹會抵消球殼本向外的熱膨脹，從而降低傳感器的溫度係數。

實施例1

一種全石英光纖琺珀壓力傳感器：光纖1使用康寧公司生產的普通單模光纖，其外直徑為125μm，內端部為垂直切平狀4；中空石英管2內外徑分別為126μm和200μm，石英球殼3外直徑280μm，壁厚約為5μm。光纖1內端面距離石英球殼3內表面的長度為200μm，熔接點6位置距離光纖1內端面的長度為2000μm左右。

實施例2

一種全石英光纖琺珀壓力傳感器：光纖1使用康寧公司生產的普通多模光纖，其外直徑為125μm，內端面為半球狀4；中空石英管2內外徑分別為135μm和200μm，石英球殼3外直徑350μm，壁厚約為3μm；光纖1內端面距離石英球殼3內表面的長度為110μm，熔接點6位置距離光纖1內端面的長度為1125μm左右。

實施例3

一種全石英光纖琺珀壓力傳感器：光纖1使用康寧公司生產的普通多模光纖，其外直徑為125μm，內端面為垂直切平狀4；中空石英管2內外徑分別為125μm和80μm，石英球殼3外直徑200μm，壁厚約為3μm；第一石英套管7和第二石英套管8內外直徑均為135μm和250μm，第三石英套管9內外直徑分別為260μm和350μm。光纖1內端面距離石英球殼3外表面的長度為50μm，熔接點6位置距離光纖1內端面的長度為550μm左右。

以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護範圍。