一种光纤温度压力复合传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种光纤温度压力复合传感器，具体涉及一种光纤温度压力复合传感器，该传感器可用于液体、气体的温度、绝对压力或相对压力的同时测量，属于光纤传感技术领域。该传感器通过较为简单的两层结构实现温度和压力的同时测量，利用端面安装有准直微透镜的传输光纤提高传感器的信号质量，利用包含有厚度不同光楔的两个光谱分析模块分别对感压腔长和感温腔长进行解调，通过光楔厚度与腔长的一一对应实现对两个腔的干涉信号的分离，从而简化了数据处理的步骤，提高了解调速度，有利于实现动态压力和温度信号的测量。

A fiber optic temperature pressure composite sensor

The invention relates to an optical fiber temperature and pressure composite sensor, in particular to an optical fiber temperature and pressure composite sensor, which can be used for simultaneous measurement of temperature, absolute pressure or relative pressure of liquid and gas, and belongs to the field of optical fiber sensing technology. The sensor by measuring the relatively simple two layer structure to realize the temperature and pressure at the same time, the end is installed to improve the quality of signal transmission optical fiber sensor with micro lens collimation, contains two spectra of different thickness of the wedge analysis module respectively on the pressure cavity length and temperature of cavity length demodulation by wedge thickness with the cavity length corresponding to separate the interference signal of two cavity, which simplifies the steps of data processing, improve the demodulation speed, to achieve dynamic measurement of pressure and temperature signal.

【技术实现步骤摘要】
一种光纤温度压力复合传感器
本专利技术涉及一种光纤温度压力复合传感器，具体涉及一种光纤温度压力复合传感器，该传感器可用于液体、气体的温度、绝对压力或相对压力的同时测量，属于光纤传感

技术介绍
基于Fabry-Perot干涉原理的光纤压力传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高等特点，尤其是利用MEMS工艺制造的膜片式光纤压力传感器是近年来的研究热点。该类传感器的基本测量原理通常是通过光纤端面与膜片表面形成Fabry-Perot干涉腔，当压力作用使得膜片发生变形时，Fabry-Perot干涉腔的腔长发生变化，通过对腔长的解调，从而实现压力测量。但是在实际测量过程中，传感器材料受到温度影响，会使得干涉腔的腔长、膜片的力学性能等参数发生变化，从而导致传感器压力响应特性发生变化，影响测量精度。同时，各领域也都提出了温度和压力参数同时测量的应用需求，因此国内外研究人员进行了相关研究。授权公告号CN102721492B的专利引入了光纤光栅温度传感器用作温度测量和补偿，需要对光纤光栅温度传感器进行无应力封装，增加了整体结构的复杂程度。授权公告号CN102607761B的专利提供了一种温度自校正式双法-珀光纤压力传感器，利用MEMS工艺制作出涉及两种材料四层结构的双法-珀腔式传感器，实现对温度和压力的同时测量，该方法的制作工艺和结构复杂，层数过多会导致传感器信号质量下降，不利于实现高精度测量。Oxsensis公司(FabriceF.M.Maillaud*,RalfD.Pechstedt,High-accuracyopticalpressuresensorforgasturbinemonitoring,Proc.ofSPIEVol.84218421AF)提出了一种蓝宝石光纤压力传感器，利用基底来直接实现温度测量从而实现对压力结果的温度补偿，但该结构是将传输光纤直接接触基底，受到光纤数值孔径的影响，基底的厚度会使得前端压力腔的有效信号弱，影响后续信号解调。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术存在信号质量下降，很难实现高精度测量的问题，提供一种法珀式光纤温度压力复合传感器，该传感器利用比较简单紧凑的结构同时实现对温度和压力的高精度测量。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种光纤温度压力复合传感器，包括：感压腔体、感温基底、石英中空管和传输光纤；在传输光纤的端面安装准直微透镜1)所述的光纤温度压力复合传感器由感压腔体、感温基底、石英中空管和传输光纤构成；2)所述的感压腔体由单晶硅制成，感压腔体上表面为进行漫反射处理的平面，感压腔体下表面加工成圆形浅坑的感压腔，感压腔体上表面和感压腔底面构成了感压膜片的上下表面，感压腔的深度d即为感压腔长；3)所述的感温基底由双面抛光的石英片制成，其外部尺寸与感压腔体相同，感温基底上表面与感压腔体下表面固连。感温基底上表面和感温基底下表面构成了传感温度的感温腔，其光学厚度l即为感温腔长，感温腔长是感压腔长的2倍以上；4)所述的石英中空管外径与感温基底相同，其上端为平面，与感温基底下表面固连，石英中空管中心有一个通孔，其直径与传输光纤匹配，用于穿入传输光纤；5)所述的传输光纤的端面安装有准直微透镜，带有准直微透镜的一端穿入石英中空管的通孔中，准直微透镜端面与感温基底下表面的距离在1mm～2mm之间，传输光纤与石英中空管固连。一种光纤温度压力复合传感器，采用如下方法实现对温度和压力的同时测量，1)宽带光源发出的光经由环形器耦合到传感器的传输光纤中，光经过传输光纤端面的准直微透镜准直出射，依次被感温基底下表面、感温基底上表面和感压腔底面反射，反射的光束再经由准直微透镜耦合进入传输光纤，再次通过环形器进入1×2的3dB耦合器，经分光后分别进入压力光谱分析模块和温度光谱分析模块的输入端口；2)由压力光谱分析模块的输入端口进入的光束经过测压整形光路后形成线光束，入射到测压光楔上，测压光楔的最大光学厚度比感压腔长略大，线光束在光楔的上下表面发生等厚干涉，在测压光楔的厚度与感压腔长相等的位置，反射条纹的光强最大，通过紧贴测压光楔的测压光电探测器可以获取光强的分布，搜索测压光电探测器最大输出光强所对应的像素就可以得到感压腔长。当外界压力作用于感压膜片时，使得感压膜片弯曲，感压腔长变小，测压光电探测器最大输出光强所对应的像素位置发生改变，从而求得当前的感压腔长，即可计算出外界压力的大小；3)由温度光谱分析模块的输入端口进入的光束经过测温整形光路后形成线光束，入射到测温光楔上，测温光楔的中间位置的光学厚度与感温腔长相等，线光束在光楔的上下表面发生等厚干涉，在测温光楔的厚度与感温腔长相等的位置，反射条纹的光强最大，通过紧贴测温光楔的测温光电探测器可以获取光强的分布，搜索测温光电探测器最大输出光强所对应的像素就可以得到感温腔长。当外界温度变化是作用于感温基底时，使得感温基底收缩或者膨胀，从而使得感温腔长变化，测温光电探测器最大输出光强所对应的像素位置发生改变，从而求得当前的感温腔长，即可计算出外界温度的大小；4)当温度和压力同时作用于传感器时，可通过温度光谱分析模块测得的温度对压力光谱分析模块测得的感压腔长值进行温度补偿，从而得到当前温度下准确的压力值。有益效果1、本专利技术所涉及的光纤温度压力复合传感器直接利用基底层实现温度的测量，不引入其他结构或元件，使得传感器整体结构简单；2、本专利技术所涉及的光纤温度压力复合传感器利用端面安装有准直微透镜的传输光纤来传输光信号，将光纤出射的发散光束整形为准直光束，使光束在感温腔和感压腔中接近垂直入射和反射，可大大提高反射光耦合回到传输光纤的效率，减少反射损耗，提高传感器有效信号的强度，有利于提高后端的解调精度；3、本专利技术所涉及的光纤温度压力复合传感器利用包含有厚度不同光楔的两个光谱分析模块分别对感压腔长和感温腔长进行解调，通过光楔厚度与腔长的一一对应实现对两个腔的干涉信号的分离，从而简化了数据处理的步骤，提高了解调速度，有利于实现动态压力和温度信号的测量。附图说明图1为本专利技术的传感器基本构成示意图；图2为本专利技术的传感器的四个主要构成模块的详细示意图；图3为本专利技术的传感器的光束传播的比较示意图；其中图3(a)为本专利技术的传感器的光束传播示意图，图3(b)为不安装准直微透镜的传感器光束传播示意图；图4为本专利技术的温度和压力的同时测量的系统示意图；图5为本专利技术实施例的中测压光电探测器测得光谱的仿真图；图6为本专利技术实施例的中测压光电探测器测得光谱的实测图；其中，1-感压腔体，2-感温基底，3-石英中空管，4-传输光纤，5-感压腔体上表面，6-感压腔体下表面，7-感压腔，8-感压腔底面，9-感压膜片，10-感压腔长，11-感温基底上表面，12-感温基底下表面，13-感温腔长，14-准直微透镜，15-宽带光源，16-环形器，17-3dB耦合器，18-压力光谱分析模块，19-温度光谱分析模块，20-测压整形光路，21-测压光楔，22-测压光电探测器，23-测温整形光路，24-测温光楔，25-测温光电探测器，26-光纤温度压力复合传感器。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。实施例1如图1所示，该光纤温度压力复合传感器26由感压腔体1、感温基底2、石英中空管3和传输本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光纤温度压力复合传感器，包括：感压腔体、感温基底、石英中空管和传输光纤；其特征在于：在位于石英中空管内部的传输光纤的端面安装准直微透镜。

【技术特征摘要】
1.一种光纤温度压力复合传感器，包括：感压腔体、感温基底、石英中空管和传输光纤；其特征在于：在位于石英中空管内部的传输光纤的端面安装准直微透镜。2.如权利要求1所述的一种光纤温度压力复合传感器，其特征在于：所述的准直微透镜端面与感温基底下表面的距离在1mm～2mm之间。3.如权利要求1或2所述的一种光纤温度压力复合传感器，其特征在于：所述传感器，采用如下方法实现对温度和压力的同时测量：1)宽带光源发出的光经由环形器耦合到传感器的传输光纤中，光经过传输光纤端面的准直微透镜准直出射，依次被感温基底下表面、感温基底上表面和感压腔底面反射，反射的光束再经由准直微透镜耦合进入传输光纤，再次通过环形器进入1×2的3dB耦合器，经分光后分别进入压力光谱分析模块和温度光谱分析模块的输入端口；2)由压力光谱分析模块的输入端口进入的光束经过测压整形光路后形成线光束，入射到测压光楔上，测压光楔的最大光学厚度比感压腔长略大，线光束在光楔的上下表面发生等厚干涉，在测压光楔的厚度与感压腔长相等的位置，反射条纹的光强最大，通过紧贴测压光楔的测压...

【专利技术属性】
技术研发人员：隋广慧，江琴，陈爽，张慧君，张欣颍，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11