一种埋入式法珀微腔超高压力光纤传感器及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种埋入式法珀微腔超高压力光纤传感器及其制作方法，包括光纤(1)、玻璃管(2)和法珀微腔(4)，所述法珀微腔(4)由Pyrex玻璃基底(3)和覆盖于所述Pyrex玻璃基底(3)开放端的弹性膜片(5)构成，光纤(1)与法珀微腔(4)通过玻璃管(2)进行轴向配置并固定，玻璃管(2)对光纤(1)及法珀微腔(4)进行可靠的支撑，使得传感器承受住超高压力冲击。与现有技术相比，本发明专利技术获得了较高的抗压强度和対正精度，因而能够实现超高压力测量；使光纤法珀超高压力传感器的设计更加简单灵活；避免了温度及环境波动带来的误差。

An Embedded Fabry-Perot Microcavity Ultra-High Pressure Optical Fiber Sensor and Its Fabrication Method

The invention discloses an embedded Fabry-Perot microcavity ultra-high pressure optical fiber sensor and its fabrication method, including optical fiber (1), glass tube (2) and Fabry-Perot microcavity (4). The Fabry-Perot microcavity (4) is composed of a Pyrex glass base (3) and an elastic diaphragm (5) covering the open end of the Pyrex glass base (3). The optical fiber (1) and Fabry-Perot microcavity (4) are axially arranged and fixed through a glass tube (2), and a glass tube (2) is fixed. The sensor can withstand the impact of ultra-high pressure by providing reliable support for the optical fiber (1) and the Fabry-Perot microcavity (4). Compared with the prior art, the invention obtains higher compressive strength and positioning accuracy, thus realizing ultra-high pressure measurement, making the design of the optical fiber Fabry-Perot ultra-high pressure sensor more simple and flexible, and avoiding the error caused by temperature and environmental fluctuations.

【技术实现步骤摘要】
一种埋入式法珀微腔超高压力光纤传感器及其制作方法
本专利技术涉及石化行业超高压力监测和全海深压力测量领域的超高压力光纤传感器，特别涉及一种埋入式法珀微腔超高压力光纤传感器的设计。
技术介绍
目前，深海、深地勘探以及石化行业超高压力监测对光纤压力传感器的工作范围提出了更高的要求，传统的电学超高压力传感器因受压元件易受到测量环境的化学腐蚀、传输信号易受电磁干扰等因素影响，且难以实现长距离传输和多路复用，所以不能满足在强腐蚀环境、不确定磁场环境下的超高压力监测的需求。光纤超高压力传感器，例如基于光纤光栅、光子晶体光纤、法珀微腔的光纤压力传感器，因其材料本身耐腐蚀、抗电磁干扰，且易于实现长距离传输和多路复用等特点逐渐得到应用和发展。光纤光栅、光子晶体光纤型压力传感器由于易受到温度、外部环境波动(如海洋浪涌、化工原料流动等)产生温度误差及扰动误差，所以需要额外的补偿算法或补偿结构而增加了解调算法或系统的复杂性。基于法珀微腔的光纤压力传感器由于其结构简单、设计灵活而最具商业化前景。目前光纤法珀微腔压力传感器的结构，主要通过环氧树脂或低熔点玻璃将微腔与光纤端面进行固定，这种结构虽然简单，但由于限于粘结材料强度不高、温度蠕变，以及光纤本身易断的特点，难以实现全海深环境以及复杂流体环境下超高压力监测。且不可靠传感结构在超高压力环境下容易失效而引发重大安全事故。
技术实现思路
鉴于现有技术及其存在的缺陷，本专利技术提出了一种埋入式法珀微腔超高压力光纤传感器及其制作方法，实现了采用同质材料焊接、基于埋入式法珀微腔结构的传感器设计。本专利技术的一种埋入式法珀微腔超高压力光纤传感器，包括光纤1、玻璃管2和法珀微腔4，所述法珀微腔4由Pyrex玻璃基底3和覆盖于所述Pyrex玻璃基底3开放一端的弹性膜片5构成，光纤1与法珀微腔4通过玻璃管2进行轴向配置并固定，玻璃管2对光纤1及法珀微腔4进行可靠的支撑，使得传感器承受住超高压力冲击。在传感器中，光信号在法珀微腔4的前表面发生部分反射，形成第一束反射光，剩余的光继续透过法珀微腔4，并在弹性膜片5表面发生第二次反射，形成第二束反射光；当压力改变时，压力的变化导致法珀微腔4的腔长发生变化，从而使得两束反射光产生光程差；当两束光相遇时，产生干涉。本专利技术的一种埋入式法珀微腔超高压力光纤传感器制作方法，具体包括以下工艺步骤：Pyrex玻璃基底3通过化学蚀刻方法加工微腔盲孔并与弹性膜片5进行阳极键合，玻璃管2一段加工方形沉槽用来固定法珀微腔4；用二氧化碳激光器对玻璃管2一端的沉槽边缘进行熔融处理，使熔融玻璃将法珀微腔埋入到玻璃管2内，玻璃管2对光纤1及法珀微腔4进行可靠的支撑，使得传感器承受住超高压力冲击，形成埋入式法珀微腔超高压力光纤传感器。与现有技术相比，本专利技术具有的优点和积极效果是：(1)通过玻璃管对Pyrex玻璃片及弹性硅片进行对中固定，使该传感器获得了较高的抗压强度和対正精度，因而能够实现超高压力测量；(2)基于埋入式法珀微腔结构的设计方法，使光纤法珀超高压力传感器的设计更加简单灵活；(3)采用同质材料焊接的方式，避免了温度及环境波动带来的误差。附图说明图1为本专利技术的一种埋入式法珀微腔超高压力光纤传感器结构示意图；图2为超高压力实验原理图；图3为传感器输出信号及信号包络；图4为传感器压力-绝对相位解调曲线；图5为传感器绝对误差曲线；附图标记：1、光纤，2、玻璃管，3、Pyrex玻璃片，4、法珀微腔，5、弹性膜片，6、滤波后传感器信号，7、信号包络，8、2Mpa原始信号，9、120Mpa原始信号，10、传感器1的压力-绝对相位拟合曲线，11、传感器2的压力-绝对相位拟合曲线，12、传感器1的绝对误差曲线，13、传感器2的绝对误差曲线，14、数据采集卡，15、控制电路，16、计算机，17、解调光路，18、耦合器，19、光源，20、埋入式法珀微腔压力传感器，21、活塞式压力机，22、封装后传感器。具体实施方式下面将结合示例对本专利技术的技术方案作进一步的详细描述。如图1所示，为本专利技术的一种埋入式法珀微腔超高压力光纤传感器结构示意图。其结构包括：光纤1、玻璃管2和法珀微腔4(本专利技术中选择单晶硅膜片)，其中法珀微腔4由弹性膜片5和Pyrex玻璃基底3构成；光纤1与法珀微腔4，通过玻璃管2进行轴向配置并固定；玻璃管2对光纤1及法珀微腔4进行可靠的支撑，使得传感器可以承受超高压力冲击。该结构可以在强腐蚀环境、强电磁等复杂环境下进行超高压力测量，又能避免温度、外部扰动带来的误差，同时又方便传感器的一致化设计、生产。本专利技术的一种埋入式法珀微腔传感器制作工艺过程如下：Pyrex玻璃基底3通过化学蚀刻方法加工微腔盲孔并与弹性膜片5进行阳极键合，玻璃管2一段加工方形沉槽用来固定法珀微腔4；用二氧化碳激光器对玻璃管2一端的沉槽边缘进行熔融处理，实现无胶化封装，使熔融玻璃将法珀微腔埋入到玻璃管2内，玻璃管2对光纤1及法珀微腔4进行可靠的支撑，使得传感器可以承受超高压力冲击，可以避免温度变化造成的连接点蠕变带来的失效；形成埋入式法珀微腔超高压力光纤传感器。设计工作压力为120Mpa的超高压力传感器。通过适应性金属化封装如22所示，并搭建如图2所示的实验原理图。光源19发出的光通过耦合器18被耦合进埋入式法珀微腔压力传感器20；在传感器中，光信号在法珀微腔4的前表面发生部分反射，形成第一束反射光，剩余的光继续透过法珀微腔4，并在弹性膜片5表面发生第二次反射，形成第二束反射光；当活塞式压力机21的压力改变时，压力的变化导致法珀微腔4的腔长发生变化，从而使得两束反射光产生光程差；当两束光相遇时，产生干涉现象，载有压力信息的干涉光再次通过耦合器18被导入到解调光路17，最终在解调光路17的CCD上形成如干涉信号的2Mpa原始信号8；通过数据采集卡14将模拟信号转换为数字信号并存储在计算机16上；利用解调算法解调传感器1的压力-绝对相位拟合曲线10和传感器2的压力-绝对相位拟合曲线11；如图5所示，传感器1的绝对误差曲线12和传感器2的绝对误差曲线13给出了通过本专利技术设计、加工的埋入式法珀微腔超高压力传感器在2～120Mpa内的绝对误差，发现通过本专利技术设计加工的超高压力传感器满量程误差优于0.089％F.S.。上面所述的传感器1和传感器2是按照本方法制作的两支超高压力传感器，并对它们进行了编号和实验验证，获得分别验证两只传感器的灵敏度、承压范围、以及回程误差，两支传感器的重复性误差。一种埋入式法珀微腔超高压力光纤传感器设计方法，该方法包括以下步骤：步骤一、根据应用需求(压力范围、灵敏度)确定法珀微腔半径a和硅膜厚度t的尺寸范围，但a/t需要满足公式(1)的要求；其中，E为单晶硅的弹性模量，υ为单晶硅的泊松比，σm为单晶硅的屈服强度；步骤二、根据脆性材料失效准则，对传感器进行安全性校验，即在设计压力P的β(β为大于1的安全系数)倍时，传感器正常工作。安全条件计算公式如式(2)所示：其中，DP为Pyrex基底厚度，aP为玻璃管中孔半径，[t]为微腔玻璃基底最大许可剪应力，P为环境压力，β为传感器的设计安全系数一般取(1.2～1.65)。步骤三、根据传感器的应用尺寸需求，确定玻璃管其他外形尺寸。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种埋入式法珀微腔超高压力光纤传感器，包括光纤(1)、玻璃管(2)和法珀微腔(4)，其特征在于，所述法珀微腔(4)由Pyrex玻璃基底(3)和覆盖于所述Pyrex玻璃基底(3)开放端的弹性膜片(5)构成，光纤(1)与法珀微腔(4)通过玻璃管(2)进行轴向配置并固定，玻璃管(2)对光纤(1)及法珀微腔(4)进行可靠的支撑，使得传感器承受住超高压力冲击。

【技术特征摘要】
1.一种埋入式法珀微腔超高压力光纤传感器，包括光纤(1)、玻璃管(2)和法珀微腔(4)，其特征在于，所述法珀微腔(4)由Pyrex玻璃基底(3)和覆盖于所述Pyrex玻璃基底(3)开放端的弹性膜片(5)构成，光纤(1)与法珀微腔(4)通过玻璃管(2)进行轴向配置并固定，玻璃管(2)对光纤(1)及法珀微腔(4)进行可靠的支撑，使得传感器承受住超高压力冲击。2.如权利要求1所述的一种埋入式法珀微腔超高压力光纤传感器，其特征在于，在传感器中，光信号在法珀微腔(4)的前表面发生部分反射，形成第一束反射光，剩余的光继续透过法珀微腔(4)，并在弹性膜片(5)表面发生第二次反射，形成第二束反射光；当压力改变时，压力的变化导致法珀微腔(4)的腔长发生变化，从而使得两束反射光产生光程差；当两束光相遇时，产生干涉。3.如权利要求1或2所述的一种埋入式法珀微腔超高压力光纤传感器，其特征在于，所述法珀微腔(...

【专利技术属性】
技术研发人员：江俊峰，王双，齐晓光，刘铁根，刘琨，吕致超，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12