全石英光纖琺珀壓力傳感器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了兩種新型全石英光纖琺珀壓力傳感器，包括光纖、石英球殼、連接在石英球殼尾部的中空石英管組成；其中一種結構為光纖插入中空石英管并伸至石英球殼內，中空石英管與光纖熔接在一起，使琺珀腔密閉；另一種結構是光纖、中空石英管外分別熔接石英套管，兩個石英套管外再共同熔接大石英套管，光纖一端面及石英球殼都位于大石英套管內且相對而置。兩種傳感器的工作原理都為當外部壓力作用于石英球殼上時，引起琺珀腔腔長改變，干涉信號隨之發生變化。本發明成本低廉，制備工藝簡單，無需大型儀器；信號耦合情況好，靈敏度高；全石英結構耐高溫性能良好，溫度系數小，適于高溫環境下應用。
【專利說明】
全石英光纖琺珀壓力傳感器
技術領域
[0001]本發明涉及光纖傳感技術領域，具體是一種全新結構設計的全石英光纖琺珀壓力傳感器。【背景技術】
[0002]近年來，隨著國防、航空航天、能源、環境、電力、汽車等領域的迅猛發展，對傳感器的微型化、低耗能、耐惡劣環境等要求提出了更高的要求。光纖式傳感器因其具有較好的隱身性，較高的測量精度和靈敏度、較快的動態響應速度，測量范圍寬，本質安全，不受電磁干擾等優點，受到越來越多的關注。
[0003]光纖琺珀傳感器因尺寸小、結構簡單、靈敏度高等特點，應用廣泛。光纖琺珀壓力傳感器是主要應用之一，被廣泛應用于國防安全、航空航天、石油勘測等領域。目前，光纖琺珀壓力傳感器的制造方法有MEMS技術、電弧焊光子晶體光纖技術等。但這些方法存在制作工藝復雜、成本尚、耐尚溫性能差等缺點。
【發明內容】

[0004]本發明的目的是為了解決上述現有技術中存在的問題，而提供兩種全新結構設計且具有靈敏度高、耐高溫性能好、溫度系數低、加工方法簡單、成本低等特點的全石英光纖琺珀壓力傳感器。
[0005]本發明是通過如下技術方案實現的:一種結構的全石英光纖琺珀壓力傳感器，包括光纖、中空石英管和石英球殼；中空石英管的一端口與石英球殼連接相通，光纖的一端(即內端)從中空石英管的另一端口插入并伸至石英球殼內，同時光纖與中空石英管熔接在一起，形成密閉空腔。其中，石英球殼為空心狀的球形殼體，其壁厚與所測試壓力的量程與靈敏度有關。
[0006]其中，光纖伸至石英球殼內的一端端面(即內端面)為垂直切平狀或半球狀(也可稱為半球輻射狀)。當光纖伸至石英球殼內的內端面為半球狀時，半球狀的焦點與石英球殼內表面的焦點重合。
[0007]光纖與中空石英管的熔接點距離光纖內端面的長度大于光纖內端面距離石英球殼內表面的長度(即大于實際琺珀腔的長度)，其具體比值根據光纖材料的熱膨脹系數不同而變化，調整熔接點的位置，可以調整傳感器的溫度系數。
[0008]另一種結構的全石英光纖法泊壓力傳感器，包括光纖、中空石英管和石英球殼；中空石英管的一端口與石英球殼連接相通;光纖外套裝并熔接有第一石英套管，中空石英管外套裝并熔接有第二石英套管，第一石英套管和第二石英套管外共同套裝并熔接有第三石英套管，以形成密閉空腔;第一石英套管位于第三石英套管的一端端口處，光纖的一端置于第三石英套管外、另一端置于第三石英套管內；第二石英套管位于第三石英套管的另一端端口處，中空石英管的管口朝外且石英球殼位于第三石英套管內；光纖置于第三石英套管內的一端端面與石英球殼相對而置。其中，石英球殼為空心狀的球形殼體，其壁厚與所測試壓力的量程與靈敏度有關。
[0009]其中，光纖置于第三石英套管內的一端端面(即內端面)為垂直切平狀。
[0010]光纖與第一石英套管的熔接點距離光纖內端面的長度大于光纖內端面距離石英球殼外表面的長度。
[0011]上述兩種結構的全石英光纖琺珀壓力傳感器中，光纖可選擇單模光纖、多模光纖、 光子晶體光纖、粗芯光纖或邊孔光纖等。
[0012]本發明所述的兩種結構的全石英光纖琺珀壓力傳感器，其核心結構都是由光纖、 中空石英管和石英球殼構成的，一種為光纖置于石英球殼內，另一種是光纖置于石英球殼外并與石英球殼相對而置，兩種結構的全石英光纖琺珀壓力傳感器的使用及測試原理是相同的，具體為:光纖的內端端面(垂直切平狀或半球輻射狀)與石英球殼內表面或外表面形成平行的反射面，構成琺珀腔。光經光纖內端面時，部分光反射回光纖，部分光透過光纖內端面，到達球殼內表面或外表面并反射耦合進入光纖。兩部分反射光形成干涉光譜。當外界環境壓力變化時，石英球殼受到擠壓，石英球殼內表面或外表面反射回光纖的光程發生變化，從而改變干涉光譜，解調干涉光譜，從而達到測量外界環境壓力的效果。當傳感器應用于高溫環境的測量時，由于熔接點(第一種結構中指光纖與中空石英管的熔接點，第二種結構中指光纖與第一石英套管的熔接點)距離光纖內端面的長度大于光纖內端面距離球殼內表面或外表面的長度，光纖向內的熱膨脹會抵消球殼本向外的熱膨脹，從而降低傳感器的溫度漂移。
[0013]圖4為本發明傳感器的干涉光譜圖，從圖中可以得出，本發明傳感器的光強達到-24dB，對比度達7dB;圖5為本發明傳感器的壓力響應曲線，從圖中可以得出，本發明傳感器對壓力有良好的線性響應，響應靈敏度達-6.61nm/MPa。[〇〇14]本發明具有以下有益效果:(1)設計科學合理，結構簡單新穎；(2)成本低廉，制備工藝簡單，無需大型儀器；(3)信號耦合情況好，靈敏度高；(4)全石英結構耐高溫性能良好，溫度系數低。【附圖說明】
[0015]圖1為本發明傳感器的結構示意圖一。
[0016]圖2為本發明傳感器的結構示意圖二。[〇〇17]圖3為本發明傳感器的結構示意圖三。[〇〇18]圖4為本發明傳感器的干涉光譜圖。[〇〇19]圖5為本發明傳感器的壓力響應曲線。
[0020]圖中:1-光纖、2-中空石英管、3-石英球殼、4-垂直切平狀、5-半球狀、6-熔接點、7-第一石英套管、8-第二石英套管、9-第三石英套管。【具體實施方式】[〇〇21]為了使本發明的目的及優點更加清楚明白，以下結合實施例對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0022]如圖1至圖3所示，本發明提供了一種全石英光纖琺珀壓力傳感器，包括光纖1、中空石英管2和石英球殼3,光纖1可選擇單模光纖、多模光纖、光子晶體光纖、粗芯光纖或邊孔光纖等;石英球殼3為空心狀的球形殼體，其壁厚與所測試壓力的量程與靈敏度有關，中空石英管2的一端與石英球殼3連接相通；所述傳感器的一種結構如圖1、2所示，具體為:光纖1的一端從中空石英管2的另一端插入并伸至石英球殼3內；光纖1插入石英球殼3內的內端面為垂直切平狀4或半球狀5，當光纖內端面為半球狀5時，半球狀5的焦點與石英球殼3內表面的焦點重合;光纖1與中空石英管2 熔接在一起，形成密閉空腔，光纖1與中空石英管2的熔接點6距離光纖1內端面的長度大于光纖1內端面距離石英球殼3內表面的長度，其具體比值根據光纖材料的熱膨脹系數不同而變化;調整熔接點位置，以調傳感器的溫度系數。
[0023]所述傳感器的另一種結構如圖3所示，具體為:光纖1外套裝并熔接有第一石英套管7,中空石英管2外套裝并熔接有第二石英套管8,第一石英套管7和第二石英套管8外共同套裝并熔接有第三石英套管9，形成密閉空腔;第一石英套管7位于第三石英套管9的一端端口處，光纖1的一端置于第三石英套管9外、另一端置于第三石英套管9內；第二石英套管8位于第三石英套管9的另一端端口處，中空石英管2的管口朝外且石英球殼3位于第三石英套管9內；光纖1置于第三石英套管9內的一端端面為垂直切平狀4且該端面與石英球殼3相對而置。光纖1與第一石英套管)的熔接點6距離光纖1內端面的長度大于光纖1內端面距離石英球殼3外表面的長度，其具體比值根據光纖材料的熱膨脹系數不同而變化;調整熔接點位置，以調傳感器的溫度系數。
[0024]本具體實施的原理為:垂直切平狀4或半球狀5光纖1內端面與石英球殼3內表面或外表面形成平行的反射面，構成琺珀腔。光經光纖1內端面時，部分光反射回光纖1，部分光透過光纖1內端面，到達球殼3內表面或外表面并反射耦合進入光纖1。兩部分反射光形成干涉光譜。當外界環境壓力變化時，石英球殼3受到擠壓，石英球殼3內表面或外表面反射回光纖1的光程發生變化，從而改變干涉光譜。解調干涉光譜，從而達到測量外界環境壓力的效果。當傳感器應用于高溫環境的測量時，由于熔接點6距離光纖1內端面的長度應大于光纖1 內端面距離石英球殼3內表面或外表面的長度，光纖1向內的熱膨脹會抵消球殼本向外的熱膨脹，從而降低傳感器的溫度系數。[〇〇25] 實施例1一種全石英光纖琺珀壓力傳感器:光纖1使用康寧公司生產的普通單模光纖，其外直徑為125_，內端部為垂直切平狀4;中空石英管2內外徑分別為126mi和200mi，石英球殼3外直徑280M1，壁厚約為5wii。光纖1內端面距離石英球殼3內表面的長度為200mi，熔接點6位置距離光纖1內端面的長度為2000wii左右。
[0026] 實施例2一種全石英光纖琺珀壓力傳感器:光纖1使用康寧公司生產的普通多模光纖，其外直徑為125M1，內端面為半球狀4;中空石英管2內外徑分別為135_和200_，石英球殼3外直徑 350mi，壁厚約為3wii;光纖1內端面距離石英球殼3內表面的長度為llOwn，恪接點6位置距離光纖1內端面的長度為1125wii左右。[〇〇27] 實施例3一種全石英光纖琺珀壓力傳感器:光纖1使用康寧公司生產的普通多模光纖，其外直徑為125mi，內端面為垂直切平狀4;中空石英管2內外徑分別為125wii和80wii，石英球殼3外直徑200wii，壁厚約為3wn;第一石英套管7和第二石英套管8內外直徑均為135mi和250wii，第三石英套管9內外直徑分別為260wii和350mi。光纖1內端面距離石英球殼3外表面的長度為50y m，熔接點6位置距離光纖1內端面的長度為550mi左右。
[0028]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種全石英光纖琺珀壓力傳感器，其特征在于:包括光纖(1)、中空石英管(2)和石英 球殼(3);中空石英管(2)與石英球殼(3)連接相通，光纖(1)的一端從中空石英管(2)插入并 伸至石英球殼(3)內，同時光纖(1)與中空石英管(2)熔接在一起。2.根據權利要求1所述的全石英光纖琺珀壓力傳感器，其特征在于:光纖(1)伸至石英 球殼內的一端端面為垂直切平狀(4)或半球狀(5)。3.根據權利要求1或2所述的全石英光纖琺珀壓力傳感器，其特征在于:當光纖(1)伸至 石英球殼(3 )內的一端端面為半球狀(5 )時，半球狀(5 )的焦點與石英球殼(3 )內表面的焦點 重合。4.根據權利要求1或2所述的全石英光纖琺珀壓力傳感器，其特征在于:光纖(1)與中空 石英管(2)的熔接點(6)距離光纖(1)內端面的長度大于光纖(1)內端面距離石英球殼(3)內 表面的長度。5.根據權利要求3所述的全石英光纖琺珀壓力傳感器，其特征在于:光纖(1)與中空石 英管(2)的熔接點(6)距離光纖(1)內端面的長度大于光纖(1)內端面距離石英球殼(3)內表 面的長度。6.—種全石英光纖琺珀壓力傳感器，其特征在于:包括光纖(1 )、中空石英管(2)和石英 球殼(3);中空石英管(2)與石英球殼(3)連接相通，光纖(1)外套裝并熔接有第一石英套管(7)，中空石英管(2)外套裝并熔接有第二石英套管(8)，第一石英套管(7)和第二石英套管(8)外共同套裝并熔接有第三石英套管(9)，中空石英管(2)的管口朝外且石英球殼(3)位于 第三石英套管(9)內，光纖(1)的一端置于第三石英套管(9)內并與石英球殼(3)相對而置。7.根據權利要求6所述的全石英光纖琺珀壓力傳感器，其特征在于:光纖(1)置于第三 石英套管(9)內的一端端面為垂直切平狀(4)。8.根據權利要求6或7所述的全石英光纖法I自壓力傳感器，其特征在于:光纖(1)與第一 石英套管(8)的熔接點(6)距離光纖(1)內端面的長度大于光纖(1)內端面距離石英球殼(3) 外表面的長度。9.根據權利要求1或6所述的全石英光纖琺珀壓力傳感器，其特征在于:光纖(1)為單模 光纖、多模光纖、光子晶體光纖、粗芯光纖或邊孔光纖。
【文檔編號】G01L11/02GK105953958SQ201610550743
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年7月13日
【發明人】賈平崗, 熊繼軍, 房國成, 梁庭, 洪應平, 陳曉勇, 李哲
【申請人】中北大學