光纤压力传感器(及变型)和制作柔性反射膜片的方法技术

本发明专利技术涉及用光学系统进行压力测量的技术领域，并可以用在医药等领域。本发明专利技术的压力传感器包括Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ谐振子干涉仪。该干涉仪设置在具有４％菲涅耳反射的单模态光纤的一个端面上。谐振子的可动反射镜由安装在一个毛细管端面的弹性膜片构成。这个反射镜也可以由光纤段的端面构成。其中，所述光纤接合到一个弹性膜片的中心，而该膜片在毛细管内气密封了一个气体体积。形成Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ谐振子的光纤端面设置在另一个毛细管内。制造这种传感器的方法包括：向毛细管中插入一段光纤，将聚合液体从所述毛细管端面侧送入其内，其中所述液体形成堵塞毛细管端面的薄膜。光纤段的端部插进另一个毛细管，并形成一个间隙，其中，所述另一个毛细管包括一个单模态光纤并插入第一毛细管中。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用光学装置对流体静压力和/或快速变化压力进行的测量。常规的光纤压力传感器包括毛细管和安装在毛细管一端的膜片，光纤沿毛细管的轴向安装在该毛细管中。在该光纤传感器中，用于测量膜片偏移的光信号施加到一个芯直径50μm、包层直径120μm的多模态传输光纤，从压力偏移膜片反射的光被六个类似的多模态光纤收集，这些光纤围绕该传输光纤并形成具有致密均匀的光纤填充物的束。传感器的感测件是一个厚25.4μm的镀有聚酯薄膜的膜片，这不利于传感器的高频率特性。这种传感器的缺点是由于使用了多模态光纤，而使其灵敏度不高。这些多模态光纤阻碍形成测量压力用的干涉仪，并且当收集由膜片反射的光时，在没有紧密靠近光场的光纤芯中产生非常大的光损，而且，输出信号部分密切依赖于膜片尺寸和光纤束端部与膜片之间的距离。上述的压力传感器基本上是一个具有低的膜片变形-光信号转换传导性的模拟器件。最相关的已有技术是一个包含毛细管的常规光纤压力传感器，在毛细管中装设的单模态态光纤能沿毛细管轴向移动。这种干涉仪传感器基于低Q-因数的Fabry-Perot干涉仪，该干涉仪由具有4％单模态态光纤菲涅耳反射的破碎端面和用环氧树脂固定在玻璃毛细管内的多模态光纤的端面形成的。该传感器对改变端面之间间隔(腔长度)的压力变化产生正弦波干涉响应，并显示出高的压力-腔长度(以及相应的传感器输出的)转换传导特性。上述传感器的缺点是，由于用作可动反射镜的多模态光纤段在结构上被固定，所以传感器不能高精度地检测气体或液体的压力，并且也没有解决将多模态光纤连接到膜片和膜片配置本身的问题。本专利技术的目的是改进压力传感器的灵敏度，增大其动态范围，并提高它的温度和振动稳定性。上述目的可基于以下事实而实现，在压力传感器的第一变型中，干涉仪的可动反射镜是金属的或镀金属的柔性膜片，柔性膜片的直径明显地大于光纤外径，这可以在膜片中心处大于激光辐射波长的数量级范围内，提供精确的位移，并增大压力测量的动态范围；在压力传感器的第二变型中，柔性膜片是带有粘贴在膜片中的短长度多模态光纤的有机硅聚合物，该多模态光纤段具有扁平的端面、并用作测量干涉仪的可动反射镜。另外，还提供了一个制作用于高灵敏度传感器的具有内粘接光纤段的柔性膜片的方法。包括设备的各种变型和用于制作设备部件的方法的本专利技术统一于一个单一的专利技术构思。下面结合附图对本专利技术进行具体说明，将使本专利技术的这些及其它特征和优点变得更加清楚。在附图中附图说明图1和2是光纤压力传感器的变型；图3是压力传感器测量系统的框图；图4是传感器对压力变化ΔP的干涉响应图；图5是在模拟和数字测量中基于压力传感器的校准图；图6是压力传感器制作过程的基本步骤图。参看附图，用于根据膜片的小振幅位移来测量高频压力变化的光纤传感器(图1)包括单模态光纤1、毛细管2、第二毛细管3、柔性膜片4、环氧接合部5、和由光纤1的端面7与膜片4构成的Fabry-Perot干涉仪6。能够以更高灵敏度测量压力的光纤传感器(图2)包括单模态光纤1、毛细管2、第二毛细管3、柔性膜片8、带有反射端面10的多模态光纤段9、环氧接合部5、和由光纤1和9的相应端面7和10构成的Fabry-Perot干涉仪6。在压力传感器中(图2)，毛细管2的内径比多模态光纤段9的外径大20-30μm，以允许光纤段9沿纵向自由位移。光纤段9的另一端与单模态光纤7的内粘接端轴对称地内粘接到柔性聚合物膜片8中心，使得干涉仪能够精确测量腔长度的变化、进而精确测量压力P的变化。根据本专利技术设计的、用于测量0.5-1.5atm范围内流体静压力的灵敏的防干扰光纤传感器，具有两个测量标定标度灵敏度为0.01atm的模拟标度、和分辩率及最小灵敏度为10-4atm的高灵敏干涉仪标度。使用测量腔长度的光学方法和探测光的激光源能够改善灵敏度、提高压力传感器的温度和振动稳定性、并使传感器基本上完全不受电磁干扰的影响，该压力测量方法是不连续的(persistence-free)。压力传感器(图2)是在单模态光纤1端部的低Q-因数Fabry-Perot腔/干扰仪6，在二氧化硅玻璃/空气界面进行4％菲涅耳反射。腔的另一个可动反射镜是短(1-3mm)光纤段9的端面10，短光纤段9具有小的惯性质量、并内粘接到直径为500-700μm的柔性膜片8的中心，柔性膜片8在第二毛细管3内紧密封闭一个小的空气体积(1-3mm3)，外径为0.5-0.9mm。形成Fabry-Perot腔6的光纤1和9的端面7和10以大约50μm的间隙设置在内径为145-170μm的毛细管2的内部。这使严格设置在中心的可动光纤段9基本无摩擦地沿轴向自由移动，因此，在横向的机械振动的情况下，能够提供干涉仪6的不变的几何形状和振幅。柔性膜片8的材料的小惯性质量和内粘接的短光纤段9针对纵向加速度产生的惯性力，提供了非常大的结构稳定性，而且沿横向，加速度力不破坏干扰仪6的几何形状，并且基本上不影响压力传感器的工作。石英毛细管2和3的高热阻(线性膨胀系数小于10-61/℃)和毛细管内的小体积空气可增大传感器在温度变化下指示和标定的稳定性。计算和实验表明，本专利技术传感器的温度稳定值是ΔP/ΔT≈0.001 atm/℃。将作为干线光纤的光纤1的端面7反射的单模态辐射与从可动光纤段9的端面10简单反射并返回输入到光纤1的、相同几何形状的光进行组合(干涉)，产生了干涉仪信号，这时，由于干涉仪6的腔由具有4％菲涅耳反射的光纤1和9的破碎端面7和9形成，因此，在长光纤1端部产生了传感器工作时的正弦波干涉响应的再现性。当压力作用在柔性膜片8上时，其变形值被(转变)转换成干涉仪6的腔长度L的变化。长度L是光纤1和9的端面7和10之间的距离。该长度变化由干涉仪6正弦波响应的相位和/振幅来测定。I=I0(1+sinφ)，这里，拍频波形相位φ=4πL/λ,λ是测量系统中(图3)激光源11的工作波长。激光源11可以是带有输出光纤12的激光器组件。图3还示出了方向性的X或Y型耦合器13，以将激光源11的光输入到单模态光纤1、并将光输出到光检测器14和压力传感器的干涉仪6。除了上述的部件之外，压力传感器测量系统(图3)还包括激光激励/调制系统(未示出)、(如果需要的话)内部光隔离器、前置放大器和可向记录设备(记录器，计算机)输出的处理电路(在简单的情况下，为解调器或相位检测器)。由于通常用于精确测量的是超模态激光器，而超模态激光器的辐射频谱会因组合腔作用所产生的返回光而变形，因此组件中必需使用光隔离器。测量系统中的正弦波形在光检测器14中产生，光检测器14中的光电二极管(锗，硅或四组件光电二极管)用作从腔端面反射的二个光场的全光场的平均率检波器。用于传感器干涉响应的公式从已知的Eiry函数得出，同时在这个例子中设定腔反射镜的次反射系数值R=0.04＜＜1。测量压力P正比于腔长度变化ΔL，所以可根据干涉响应相位变化Δφ，按适当的响应标定确定测量压力PP～ΔL=λΔφ/4π一旦在标定过程中建立了可基于校准过程中建立了比例系数或设备函数，上述表示腔长度与相位变化之间简单(线性)关系的公式就能够用于绝对压力测量。目前已经很好地实现了正弦波形的相位测量，并且可在对寄生和其它相关物理影响(温度等)进行充分隔离的前提下设计出本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光纤压力传感器，包括Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ干涉仪，Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ干涉仪的一个反射表面是一个单模态光纤的端面，该单模态光纤沿一个毛细管的轴线安装并固定在所述毛细管中，其特征在于，该传感器还包括一个第二毛细管和安装到所述第二毛细管一个端面的柔性膜片，所述膜片的一个表面形成Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ干涉仪的第二反射表面，所述毛细管沿所述第二毛细管的轴线安装并固定在所述第二毛细管的另一端面侧。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：伊夫哥尼M迪亚诺夫，米克黑尔I贝洛沃洛夫，米克黑尔M巴布诺夫，瑟盖L西米诺夫，
申请(专利权)人：俄罗斯科学院物理研究所光导纤维研究中心，
类型：发明
国别省市：RU[俄罗斯]