布拉格光栅压力传感器制造技术

一个光纤光栅压力传感器包括一个光学传感元件２０、６００，光学传感元件２０、６００包括一个光纤１０，光纤１０内刻印有布拉格光栅１２，光纤１０被装在并被熔合到至少一部分玻璃毛细管２０，和／或一个大直径波导光栅６００，光栅６００有一个芯和一个宽覆层，它的外部横截尺寸至少为０．３毫米。光１４入射到光栅１２上，光１６以反射波长λ１从光栅１２被反射。传感元件２０、６００可以独自被用作传感器，或位于外壳４８、６０、９０、３００内。当外部压力Ｐ增大时，光栅１２被压缩，反射波长λ１改变。传感元件２０、６００的形状可以是其它几何形状，如“八字试块”形，以提高对由于施加的外部压力造成的λ１变化的灵敏度，并且可以被熔合到一个外壁５０。至少一部分传感元件在一对光栅１５０、１５２之间可以被掺杂，以形成一个压力可调的激光器，光栅１２或光栅１５０、１５２可以构成可调的ＤＦＢ激光器。也，光纤１０脱离管２０处的元件２０、６００的轴端可以有一个内锥形区２２和／或一个伸出的锥形（或长笛状）轴向区２７，以为光纤１０提供应力释放或提高光纤１０的拉力强度。一个温度光栅２７０可以用来测量温度，并允许一个温度校正的压力测量。传感器可以被流体、垫片或其它装置悬置在外壳１１２内。本发明专利技术也可以被用作一个力转换器。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光纤光学压力传感器，更具体地涉及布拉格光栅压力传感器。
技术介绍
用来测量各种物理参数如压力和温度的传感器常常依赖于从弹性结构(如，隔膜，风箱等)到传感元件的应力的传送。在压力传感器中，可以使用合适的粘合剂将传感元件与弹性结构结合在一起。也知道，如果附着不是非常稳固，传感元件到弹性结构的附着会是一个大的误差源。在测量静止的或非常慢变化的参数的传感器的情况下，到结构的附着的长期稳定是非常重要的。这种长期传感器不稳定的一个主要来源是已知为“漂移”的现象，即，施加在弹性结构的负载不变的情况下传感元件上的应力发生变化，这导致传感器信号中的直流变化或漂移误差。用来测量静止和/或准静止参数的特定类型的光纤光学传感器要求光纤非常稳定，非常低漂移地附着弹性结构。有许多用来将光纤附着到结构上以将漂移最小化的技术，例如胶粘、结合、用环氧树脂粘合、用水泥粘结和/或焊接。然而，随着时间的过去和/或高温情况下这些附着技术可能展示出漂移和/或滞后现象。基于光纤光学的传感器的一个例子是属于Robert J.Maron的、序列号为08/925,589、标题为“用于苛刻环境中的高灵敏度光栅光学压力传感器”的美国专利申请中描述的传感器，通过全面参考该申请被引入。在那种情况下，光纤在沿着光纤的一个位置被附着到一个可压缩的风箱上，在沿着光纤的另一个位置被附着到一个刚性结构上，嵌入光纤的布拉格光栅位于这两个光纤附着位置之间，光栅受拉。当由于一个外部压力变化风箱被压缩时，光纤光栅上的拉力被减小，这改变了光栅反射光的波长。如果光纤到结构的附着是不稳固的，光纤可能相对它附着的结构移动(或漂移)，前面提到的测量不准确出现。在另一个例子中，一个光纤布拉格光栅压力传感器被在Xu，M.G.，Beiger，H.，Dakein，J.P.；“使用玻璃泡外罩的具有增强灵敏度的光纤光栅压力传感器”，电子学信件，1996，Vol 32，pp.128-129中讨论，其中光纤被用UV水泥受拉固定到一个玻璃泡上。然而，如此前讨论的那样，随着时间的过去和/或高温情况下这些附着技术可能展示出漂移和/或滞后现象，或者可能制造困难或造价高。专利技术概述本专利技术的目标包括提供一个具有最小漂移的光纤光学压力传感器。依照本专利技术的一个压力传感器，包括一个光学传感元件，它具有至少一个沿传感元件纵长轴放置的压力反射元件，压力反射元件一个压力反射波长；由于外部压力的变化传感元件被向轴的方向拉紧，轴向拉力引起压力反射波长的变化，压力反射波长的变化表现出压力的变化；和至少部分传感器元件具有一个横向截面，该横向截面是连续的，并且基本上是由相同的材料组成，并且具有至少0.3mm的外部横向尺寸。进一步依照本专利技术，传感元件包括一个光纤，反射元件嵌入其中；和一个管，光纤和反射元件沿着管的纵长轴被包装在其中，管被熔合成至少一部分光纤。进一步依照本专利技术，传感元件包括一个大直径光学波导，其中配置有外部包层和内芯，外部波导尺寸至少0.3mm。更进一步依照本专利技术，反射元件是一个布拉格光栅。更进一步依照本专利技术，传感元件具有八字试决形。更进一步依照本专利技术，传感元件包括一个八字试块形和包括一个外部管，外部管在反射元件相对的轴两端熔合成八字试块形大区的一部分。本专利技术提供一个布置在一个光学传感元件中的光纤光栅，光学传感元件包括一个熔合成至少一部分玻璃毛细管(“管装光纤/光栅”)的光纤和/或一个具有光芯和宽包层的大直径波导光栅，它在施加的压力的基础上是有弹性地可变形的。本专利技术基本上消除了漂移和其它光纤附着问题。传感元件可以是用玻璃材料制造，例如石英或其它玻璃。并且，本专利技术提供了具有非常低滞后的传感器。本专利技术允许逆着传感元件的末端面施加力从而顾及高传感器灵敏度。当用于压力时本专利技术还提供了改善的可靠性。并且，一个或多个光栅、光纤激光器、或许多光纤可以被安放在元件中。通过在邻近光栅或离光栅一个预定的距离的光栅面和/或光栅面相对的轴面上将管和光纤熔合，光栅或激光器可以被“包装”在管中。光栅或激光器可以被熔合到管中，或部分熔合到管中，或熔合到管的外表面。并且，一个或多个波导和/或管装光纤/光栅可以被轴向熔合以形成传感元件。此外，本专利技术可以被用作一个单独(单点)传感器或用作许多分布的复合(多点)传感器。并且，本专利技术可以是一个馈通设计或一个非馈通设计。传感器元件可以有可选择的几何形状，例如，八字试块形，该形状对波长变化灵敏度提供增强的力，并且易于为期望的灵敏度伸缩。本专利技术可以被用于苛刻的环境中(高温和/或高压力)，例如在油和/或气井、发动机、燃烧室等等中。例如，本专利技术可以是能够在高压(＞15kpsi)和高温(＞150℃)下工作的全玻璃传感器。本专利技术也将独立于环境类型地在其它应用中同样令人满意地工作。根据下面对可效仿的实施例的详细描述，本专利技术的前述和其它目标、特点和优点将变得更加明显。附图说明图1是依照本专利技术的一个管装光纤光栅传感器的一个侧视图。图2是依照本专利技术的一个管装光纤光栅传感器的一种可选择的实施例的一个侧视图。图3是依照本专利技术的一个管装光纤光栅传感器的一种可选择的实施例的一个侧视图。图4是依照本专利技术的一个管装光纤光栅传感器的一种可选择的实施例的一个侧视图。图5是依照本专利技术的一个管装光纤光栅传感器的一种可选择的实施例的一个侧视图。图6是依照本专利技术的一个管装光纤光栅传感器的一种可选择的实施例的一个侧视图。图7是依照本专利技术的一个管装光纤光栅传感器的一种可选择的实施例的一个侧视图。图8是依照本专利技术的一个管装光纤光栅传感器的一种可选择的实施例的一个侧视图。图9是依照本专利技术的一个装到外壳的墙壁的管装光纤光栅传感器的一个侧视图。图10是依照本专利技术的一个悬挂在外壳内的管装光纤光栅传感器的一个侧视图。图11是依照本专利技术的一个装在管中的光纤内有两个光栅的管装光纤光栅传感器的一种可选择的实施例的一个侧视图。图12是依照本专利技术的一个有两个毛细管的管装光纤光栅传感器的一种可选择的实施例的一个侧视图。图13是依照本专利技术的一个管装光纤光栅传感器的一种可选择的实施例的一个侧视图，该传感器的毛细管塌陷并熔合到光栅的相对面上的光纤。图14是依照本专利技术的图13的管装光纤光栅传感器的一种可选实施例的一个侧视图。图15是依照本专利技术的具有长轴向凸出部分的一个管装光纤光栅传感器的一种可选实施例的一个侧视图。图16是依照本专利技术的具有隔膜的一个管装光纤光栅传感器的一种可选实施例的一个侧视图。图17是依照本专利技术的具有长轴向凸出部分但是一部分没有塌陷到光纤上的一个管装光纤光栅传感器的一种可选实施例的一个侧视图。图18是依照本专利技术的具有圆形外壳截面的一个管装光纤光栅传感器的一种可选实施例的一个侧视图。图19是依照本专利技术的一个管装光纤光栅传感器的一种可选实施例的一个侧视图，该传感器有一个活塞，该活塞有一个空心部分ported to压力。图20是依照本专利技术的图19的可选实施例的一个侧视图。图21是依照本专利技术的串联连接的许多管装光纤光栅传感器的一个方框图。图22是依照本专利技术的在同一管中装有两个分离的光纤的管装光纤光栅传感器的一个侧视图。图23是依照本专利技术的图21的实施例的一个端视图。图24是依照本专利技术的在同一管中装有两个分离的光纤的管装光纤光栅传感器的一个端视图。图25是依本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压力传感器，包括： 一个光学传感元件，其中配置有至少一个压力反射元件，所述的压力反射元件具有一个压力反射波长； 由于外部压力的变化所述的传感元件被轴向拉紧，所述的轴向拉力引起所述的压力反射波长发生变化，所述的压力反射波长的所述的变化指示所述的压力变化；和 所述传感元件的至少一部分具有连续的、基本由相同的材料造成的横截面，并具有至少０．３毫米的外部横截尺寸。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：MR菲尔纳尔德，TJ拜利，MB米勒，JM沙利文，JR敦菲，MA达维斯，AD克西，CJ赖特，MA普特纳姆，RN布鲁卡托，PE桑德尔斯，
申请(专利权)人：塞德拉公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]