光纤法布里-珀罗压力传感器及其利记博彩app

专利名称：光纤法布里-珀罗压力传感器及其利记博彩app
光纤法布里-珀罗压力传感器及其利记博彩app技术领域：
本发明涉及光纤压力传感器领域，该传感器可以用于检测液体、气体的相对压力和绝对压力，也可用于声波，超声波信号等的探测。
背景技术：
光纤法布里-珀罗压力传感器是光纤压力传感器中的一种，它通常由光纤端面和 膜片端面构成法布里_珀罗微谐振腔，当压力作用在膜片上时将使膜片变形，而使得法珀 腔长发生变化，从而实现传感。近年来提出了一些设计方案，如2001年Don C. Abeysinghe 等(DonC. Abeysinghe, Samhita Dasgupta, Joseph Τ. Boyd, Howard Ε. Jackson, A Novel MEMSpressure sensor fabricated on an optical fiber, IEEE Photonics Technology Letters, 2001,13(9) 993-995)在包层直径分别为200微米和400微米，芯径为190微米 和360微米的多模光纤端面刻蚀出微腔，然后在该端面键合上硅片构成传感器；2005年 Juncheng Xu 等(Juncheng Xu, Xingwei Wang, Kristie L Cooper，Anbo Wang, Miniature all-silicafiber optic pressure and acoustic sensors, Optics Letters,2005, 30(24) 3269-3271)利用氢氟酸蚀刻大芯径的石英光纤获得石英膜片，石英膜片熔接于毛 细管端面处，切割的单模光纤端面伸入到该毛细管中就与石英膜片构成了光纤法布里-珀 罗压力传感器；2006年Xiaodong Wang等(Xiaodong Wang,Baoqing Li,Onofrio L. Russo, et. al.，Diaphragm design guidelines and an optical pressure sensor based on MEMStechnique, Journal of microelectronics, 2006, 37 50-56)在 500 微米厚的 Pyrex 玻璃微加工出微腔体，然后硅片键合在Pyrex玻璃上，并和伸入腔体的光纤端面构成了光 纤法布里_珀罗腔；2006年王鸣等(王鸣，陈绪兴，葛益娴等，法布里-珀罗型光纤压力传 感器及其利记博彩app，专利申请号=200610096596. 5)利用单晶硅片，玻璃圆管，光纤法兰盘 和光纤插头构建了光纤法布里-珀罗腔。但是作为压力膜片的硅片变形过大时，硅片将不 能保持平面，而造成较大的光能损失，影响到法布里-珀罗腔的性能。因此在实际使用时， 法布里-珀罗腔限制在较小范围，硅片变形往往不允许过大，例如不能大于厚度的25%。为 了提高测量满量程的测量精度，我们需要在同样的压力范围下，膜片变形范围比较大，这就 使得膜片非平面变形问题必须考虑和克服。为了克服这一问题点，我们提出新型结构的光 纤法布里-珀罗传感器。
发明内容本发明目的是克服现有技术中存在的上述问题，提供一种新型的光 纤法布里_珀罗压力传感器及其利记博彩app。该传感器可以避免传统光纤法布里_珀罗传感 器膜片变形不能过大的缺陷，可得到更高的测量精度。本发明提供的第一种光纤法布里_珀罗压力传感器包括3个部分传感器体光纤法布里_珀罗压力传感器体是传感器的支撑结构和光纤滑动时的 引导结构，其形状可以为圆柱形或长方体形，传感器体的两端相对位置各开有一个盲孔，其 中一个盲孔的外端开有一个凹坑形成阶梯孔；传感器体的制作材料可以是Pyrex玻璃或熔 融石英材料；弹性膜片用来感受压力的变化，弹性膜片的一侧粘接有一段光纤，该光纤的端面作为法布里-珀罗腔所需的反射面，粘接有光纤的弹性膜片置入传感器体一端的凹坑中并 固定，光纤的端面与盲孔孔底面不接触构成法布里-珀罗腔；弹性膜片的材料可以是单晶 硅片，石英薄片，聚合物薄片，和金属膜片。传输光纤放置于传感器体另一端的盲孔中并固定，该传输光纤端面与盲孔孔底 面紧密接触，传输光纤和弹性膜片上粘接的光纤可以是单模光纤，也可以是多模光纤。光纤 端面可以是切割后直接使用，也可以镀上反射膜。本发明提供的第二种光纤法布里_珀罗压力传感器同样包括3个部分传感器体光纤法布里_珀罗压力传感器体是传感器的支撑结构和光纤滑动时的 引导结构，其形状为圆柱形或长方体形，传感器体中间开有一个贯通孔，贯通孔的一端开有 一个凹坑形成阶梯孔；弹性膜片用来感受压力的变化，弹性膜片的一侧粘接有一段光纤，光纤的端面作 为法布里-珀罗腔所需的反射面，粘接有光纤的弹性膜片置入传感器体一端的凹坑中并固 定；
传输光纤从传感器体另一端放置于贯通孔中并固定，该传输光纤端面与弹性膜 片上粘接的光纤的端面之间不接触以构成法布里-珀罗腔。本发明中的第一种光纤法布里-珀罗压力传感器制作如下，以单晶硅片和Pyrex 玻璃材料为例1、弹性膜片制作利用激光切割出所需大小的硅膜片，并用激光在硅膜片两面制 作微小条纹，以破坏掉该面的反射，膜片厚度根据压力测量范围，可为ΙΟμπι 300μπι ；2、利用光纤切割刀切割光纤获得好的光纤端面，然后用笔式切割刀在显微镜下切 取光纤至所需长度(约1 3mm)，将该小段光纤利用环氧树脂胶垂直固定在膜片上；3、传感器体的制作利用Pyrex玻璃或熔融石英材料制作传感器体，以Pyrex玻璃 材料为例，首先将传感器体制成外径为Imm 5mm，长度为5 15mm的圆柱体，分别从传感 器体两头钻出直径为127 μ m的盲孔，随后进一步将盲孔端面加工平整，在传感器体一头加 工深度约为500 μ m，直径为0. 6 4. 5mm的浅坑，作为弹性膜片的受力支撑；4、将粘有小段光纤的弹性膜片从带浅坑的传感器体一头插入直径127 μ m的盲孔 中，此时光纤端面和传感器体上的盲孔孔底端面不接触，构成法布里_珀罗腔，另一根光纤 作为传输光纤从传感器体的另一头插入，与传感器体内盲孔端面紧密接触后利用环氧树 脂胶固定，以便输入输出信号光通过，利用光谱仪或低相干干涉仪实时控制粘在硅膜片上 的光纤的插入深度，当到达设计位置时(即该段光纤的光纤端面距玻璃柱内孔端面20 400μπι处)，通过胶粘合的方式将硅膜片固定在玻璃柱的浅坑上。在电热箱中60°C的温度 下固化一小时，或常温下固化24小时，即制作完成传感器。本发明中的第二种光纤法布里-珀罗压力传感器制作如下，以单晶硅片和Pyrex 玻璃材料为例1、弹性膜片制作利用激光切割出所需大小的硅膜片，并用激光在硅膜片两面制 作微小条纹，以破坏掉该面的反射，膜片厚度根据压力测量范围，可为ΙΟμπι 300μπι ；2、利用光纤切割刀切割光纤获得好的光纤端面，然后用笔式切割刀在显微镜下切 取光纤至所需长度(约1 3mm)，将该小段光纤利用环氧树脂胶垂直固定在膜片上；3、传感器体的制作利用Pyrex玻璃或熔融石英材料制作传感器体，以Pyrex玻璃材料为例，首先将传感器体制成外径为Imm 5mm，长度为5 15mm的圆柱体，在传感器 体上钻出直径为127 μ m的通孔，然后在传感器体一头加工深度为500 μ m,直径为0. 6 4. 5mm的浅坑，作为弹性膜片的受力支撑；4、将粘有小段光纤的弹性膜片从带浅坑的传感器体一头插入直径127mm的通孔 中，通过胶粘合或阳极键合的方式将弹性膜片固定在传感器体的浅坑上；然后将另一根光 纤作为传输光纤从传感器体的另一头孔中插入，两段光纤的光纤端面不接触以构成法布 里_珀罗腔，利用光谱仪或低相干干涉仪实时控制光纤的插入深度，当两段光纤端面距离 达到20 400 μ m的设计位置时，利用环氧树脂胶固定，在电热箱中60°C的温度下固化一小 时，或常温下固化24小时，即制作完成光纤法布里_珀罗压力传感器。光纤法布里_珀罗压力传感器的工作过程如下当压力作用时，弹性膜片(如硅片)发生变形，弹性膜片将带动粘在其上的小段光 纤在圆柱形传感器体上的孔中滑动，从而改变了该光纤端面与传输光纤端面之间的距离， 即法布里_珀罗腔的腔长。当接入宽带光源后， 通过对光纤法布里_珀罗压力传感器的光 谱扫描或者低相干干涉条纹的提取，可提取出腔长变化，从而获取压力信息。本发明的优点和积极效果1.本发明提出的光纤法布里_珀罗传感器允许弹性膜片具有较大的变形而不影 响法布里_珀罗腔的性能。对于传统的法布里_珀罗腔，当弹性膜片感受到的压力变化不 均勻或变形较大时，膜片的变形就会破坏平面法布里-珀罗腔，从而影响传感精度。本发明 中弹性膜片不起反射面作用，反射面由与之粘接在一起的一小段光纤提供，因此在整个膜 片弹性变形过程中，光纤法布里-珀罗腔的两个反射面始终保持平行，大大减小了由于法 布里_珀罗腔性能下降引起的测量误差。2.本发明结构小巧灵活，传感器外部直径尺寸可小至1mm，而且由于光纤法布 里_珀罗腔的两个反射面始终保持平行，在不镀反射膜的情况下，允许的法布里_珀罗腔也 可长达550 μ m，这就使得传感器制作起来很容易。3.提出的光纤法布里-珀罗传感器可以采用全石英材料结构，即石英膜片，石英 传感器体，光纤，此时各部分均可以采用激光焊接而实现无胶封装，可用在对传感器温度特 性要求高和对电磁辐射敏感的应用领域。

图1是本发明中一种光纤法布里_珀罗压力传感器示意图；图2是本发明中另一种光纤法布里_珀罗压力传感器示意图；图3是光纤法布里_珀罗压力传感器的解调系统示意；图4是获取的低相干干涉具体实施方式实施例1 一种光纤法布里_珀罗压力传感器的
具体实施例方式一种光纤法布里-珀罗压力传感器如图1所示，它由弹性膜片1，传感器体6，光 纤2和传输光纤7组成。弹性膜片1采用单晶硅片由激光加工而成，光纤2采用单模光纤 切割而成，光纤2通过环氧树脂胶固定在弹性膜片1上。传感器体6采用Pyrex玻璃加工，在其上钻出盲孔8和盲孔9后，加工出平面4和平面5，再在图中传感器体6左侧加工一个 500 μ m浅坑10，作为弹性膜片1的支撑。光纤2由传感器体6的左侧插入到盲孔9中，光 纤2的端面3与传感体6的平面4构成法布里-珀罗腔，腔长的初始长度通过光谱扫描或低 相干干涉条纹实时测量确定，当腔长达到设计长度后，将弹性膜片1用胶固定在传感器体6 上。光纤7与传感器体6的平面5紧密贴合，用于信号光的输入输出。当压力作用弹性膜 片1时，弹性膜片1发生变形，带动光纤2在传感器体6的盲孔9中滑动，从而改变光纤2 的端面3与传感器体6的平面4之间的距离，即法布里-珀罗腔腔长。从而将压力信息转 化为腔长传感信息。本发明的光纤法布里_珀罗压力传感器中1.弹性膜片也可以采用石英薄片，聚合物薄片，或金属膜片；2.传感器体也可以采用熔融石英材料；3.光纤也可以采用标准多模光纤，或其它大芯径光纤。实施例2 另一种光纤法布里_珀罗压力传感器的
具体实施例方式另一种光纤法布里_珀罗压力传感器如图2所示，它由弹性膜片1，传感器体6，光 纤2和传输光纤7组成。弹性膜片1采用单晶硅片由激光加工而成，光纤2采用单模光纤切 割而成，光纤2通过环氧树脂胶固定在弹性膜片1上。传感器体6采用Pyrex玻璃加工，在 其上钻出通孔12，再在图中传感器体6左侧加工一个500 μ m浅坑10，作为弹性膜片1的支 撑。光纤2由传感器体6的左侧插入到通孔12中，然后将弹性膜片1用胶固定在传感器体 6上。传输光纤7经切割形成端面11，从传感器体6的右侧插入，此时光纤2的端面3与光 纤7的端面11构成法布里-珀罗腔，腔长的长度通过光谱扫描或低相干干涉条纹实时测量 确定，当腔长达到设计长度后，将光纤7用胶固定在传感器体6上。光纤7同时也用于信号 光的输入输出。当压力作用弹性膜片1时，弹性膜片1发生变形，带动光纤2在传感器体6 的通孔12中滑动，从而改变光纤2的端面3与光纤7的端面11之间的距离，即法布里-珀 罗腔腔长。从而将压力信息转化为腔长传感信息。本发明的光纤法布里_珀罗压力传感器中1.弹性膜片也可以采用石英薄片，聚合物薄片，或金属膜片；2.传感器体也可以采用熔融石英材料或陶瓷材料；3.光纤也可以采用标准多模光纤，或其它大芯径光纤。实施例3 光纤法布里_珀罗压力传感器的腔长解调光纤法布里-珀罗压力传感器的传感系统如图3所示，腔长解调宽带光源13发 出的光通过光纤耦合器14分成两束光，其中一路直接被光纤法拉第旋光镜15反射，另外 一路先经过光纤时延线17再被光纤法拉第旋光镜16反射，两路反射光再经光纤耦合器14 合束，经环形器21入射到光纤法布里-珀罗压力传感器20，光纤法布里-珀罗压力传感器 20反射回的光信号经环形器21到达探测器19，由测控系统18进行模数转换和数据处理。 测控系统在18控制光纤时延线17进行光程差扫描，从而获得低相干干涉条纹，通过测取零 级干涉条纹包络和1级干涉条纹包络的峰值距离，即可获得光纤法布里_珀罗压力传感器 的腔长信息，进而可转化为压力信息。图4是采用厚为30 μ m硅膜片和单模光纤的光纤法 布里_珀罗压力传感器在加压和减压过程时的气体压力测量结果，有较好的线性度和重复 性。
权利要求
一种光纤法布里-珀罗压力传感器，其特征在于该传感器包括如下三部分传感器体光纤法布里-珀罗压力传感器体是传感器的支撑结构和光纤滑动时的引导结构，其形状为圆柱形或长方体形，传感器体的两端相对位置各开有一个盲孔，其中一个盲孔的外端开有一个凹坑形成阶梯孔；弹性膜片用来感受压力的变化，弹性膜片的一侧粘接有一段光纤，该光纤的端面作为法布里-珀罗腔所需的反射面，粘接有光纤的弹性膜片置入传感器体一端的凹坑中并固定，光纤的端面与盲孔孔底面不接触构成法布里-珀罗腔；传输光纤放置于传感器体另一端的盲孔中并固定，该传输光纤端面与盲孔孔底面紧密接触。
2.一种光纤法布里_珀罗压力传感器，其特征在于该传感器包括如下三部分传感器体光纤法布里_珀罗压力传感器体是传感器的支撑结构和光纤滑动时的引导 结构，其形状为圆柱形或长方体形，传感器体中间开有一个贯通孔，贯通孔的一端开有一个 凹坑形成阶梯孔；弹性膜片用来感受压力的变化，弹性膜片的一侧粘接有一段光纤，光纤的端面作为法 布里_珀罗腔所需的反射面，粘接有光纤的弹性膜片置入传感器体一端的凹坑中并固定；传输光纤从传感器体另一端放置于贯通孔中并固定，该传输光纤端面与弹性膜片上 粘接的光纤的端面之间不接触以构成法布里_珀罗腔。
3.根据权利要求1或2所述的光纤法布里_珀罗压力传感器，其特征在于所述的弹性 膜片的材料为单晶硅片，石英薄片，聚合物薄片或金属膜片；弹性膜片的两面制作有微小条 纹，以破坏掉该面的反射。
4.根据权利要求1或2所述的光纤法布里_珀罗压力传感器，其特征在于所述的传感 器体的材料为Pyrex玻璃或熔融石英材料。
5.根据权利要求1或2所述的光纤法布里_珀罗压力传感器，其特征在于所述的传输 光纤和弹性膜片上粘接的光纤为单模光纤或多模光纤，光纤端面可以是切割后直接使用， 也可以镀上反射膜。
6.一种权利要求1所述的光纤法布里_珀罗压力传感器的利记博彩app，其特征在于该方 法包括如下步骤第1、弹性膜片制作利用激光切割出所需大小的硅膜片，并用激光在硅膜片两面制作 微小条纹，以破坏掉该面的反射，膜片厚度根据压力测量范围，为10 y m 300 y m ；第2、利用光纤切割刀切割光纤获得好的光纤端面，然后用笔式切割刀在显微镜下切取 光纤至所需长度，将该小段光纤利用环氧树脂胶垂直固定在弹性膜片上；第3、传感器体的制作利用Pyrex玻璃或熔融石英材料制作传感器体，首先将传感 器体制成外径为1mm 5mm、长度为5 15mm的圆柱体，分别从传感器体两头钻出直径为 127 u m的盲孔，随后进一步将盲孔端面加工平整，在传感器体一头加工深度为500 y m，直 径为0. 6 4. 5mm的浅坑，作为弹性膜片的受力支撑；第4、将粘有小段光纤的弹性膜片从带浅坑的传感器体一头插入盲孔中，此时光纤端面 和盲孔孔底端面不接触，构成法布里_珀罗腔，另一根光纤作为传输光纤从传感器体的另 一头插入，与传感器体内孔端面紧密接触后利用环氧树脂胶固定，以便输入输出信号光通 过，利用光谱仪或低相干干涉仪实时控制粘在弹性膜片上的光纤插入深度，当该段光纤的光纤端面距传感器体上的盲孔底面20 400 y m处的设计位置时，通过胶粘合的方式将弹 性膜片固定在传感器体的浅坑上；在电热箱中60°C的温度下固化一小时，或常温下固化24 小时，即制作完成光纤法布里_珀罗压力传感器。
7. —种权利要求2所述的光纤法布里_珀罗压力传感器的利记博彩app，其特征在于该方 法包括如下步骤第1、弹性膜片制作利用激光切割出所需大小的硅膜片，并用激光在硅膜片两面制作 微小条纹，以破坏掉该面的反射，膜片厚度根据压力测量范围，为10 y m 300 y m ；第2、利用光纤切割刀切割光纤获得好的光纤端面，然后用笔式切割刀在显微镜下切取 光纤至所需长度，将该小段光纤利用环氧树脂胶垂直固定在弹性膜片上；第3、传感器体的制作利用Pyrex玻璃或熔融石英材料制作传感器体，首先将传感器 体制成外径为1mm 5mm、长度为5 15mm的圆柱体，在传感器体上钻出直径为127 y m的 通孔，然后在传感器体一头加工深度为500 u m，直径为0. 6 4. 5mm的浅坑，作为弹性膜片 的受力支撑；第4、将粘有小段光纤的弹性膜片从带浅坑的传感器体一头插入通孔中，通过胶粘合或 阳极键合的方式将弹性膜片固定在传感器体的浅坑上；然后将另一根光纤作为传输光纤从 传感器体的另一头孔中插入，两段光纤的光纤端面不接触以构成法布里-珀罗腔，利用光 谱仪或低相干干涉仪实时控制光纤的插入深度，当两段光纤端面距离达到20 400 y m的 设计位置时，利用环氧树脂胶固定，在电热箱中60°C的温度下固化一小时，或常温下固化 24小时，即制作完成光纤法布里_珀罗压力传感器。
全文摘要
一种光纤法布里-珀罗压力传感器及其利记博彩app。传感器可以用于检测液体、气体的相对压力和绝对压力，也可用于探测声波，超声波信号等。本结构主要由光纤、弹性膜片、传感器体三部分组成。可以采用两种方式来形成法珀腔。弹性膜片直接与光纤连接，光纤插入传感器体上的孔中，当外界压力变化致使弹性膜片变形时，光纤就会在传感器体中做轴向移动，从而改变了光纤法珀腔的长度，当接入宽带光源后，通过对通过光纤法布里-珀罗压力传感器中的光的光谱扫描或者低相干干涉条纹的提取，可提取出腔长变化，从而获取压力信息。本结构可以避免传统光纤法布里-珀罗传感器膜片变形不能过大的缺陷，可得到更高的测量精度。
文档编号G01L1/24GK101832832SQ20101018546
公开日2010年9月15日 申请日期2010年5月28日 优先权日2010年5月28日
发明者刘宇, 刘琨, 刘铁根, 姜丽娟, 江俊峰 申请人:天津大学