布拉格光栅压力传感器的制作方法

专利名称：布拉格光栅压力传感器的制作方法
技术领域：
本发明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。
背景技术：
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。
发明概述本发明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。
依照本发明的一个压力传感器，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。
进一步依照本发明，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。进一步依照本发明，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。
更进一步依照本发明，反射元件是一个布拉格光栅。更进一步依照本发明，传感元件具有八字试决形。更进一步依照本发明，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。
本发明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。本发明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，本发明提供了具有非常低滞后的传感器。本发明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。当用于压力时本发明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，本发明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，本发明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。
本发明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，本发明可以是能够在高压(＞15kpsi)和高温(＞150℃)下工作的全玻璃传感器。本发明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，本发明的前述和其它目标、特点和优点将变得更加明显。


图1是依照本发明的一个管装光纤光栅传感器的一个侧视图。
图2是依照本发明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是依照本发明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是依照本发明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是依照本发明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是依照本发明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是依照本发明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是依照本发明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是依照本发明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是依照本发明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是依照本发明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是依照本发明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是依照本发明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是依照本发明的图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是依照本发明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是依照本发明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是依照本发明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是依照本发明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是依照本发明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是依照本发明的图19的可选实施例的一个侧视图。
图21是依照本发明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是依照本发明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是依照本发明的图21的实施例的一个端视图。
图24是依照本发明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是依照本发明的一个管装光纤光栅传感器的一个侧视图，其中管只在光栅的长度塌陷在光纤上。
图26是依照本发明的一个管装光纤光栅传感器的一种可选择的图27是一个依照本发明的一个管装光纤光栅传感器，它的一部分装在一个外壳的增压区，管子的一部分位于增压区之外。
图28是依照本发明的一个管装光纤光栅传感器的一种可选实施例，该传感器有一个压力隔离温度光栅。
图29是依照本发明的一个管装光纤光栅传感器的一种可选实施例，该传感器有一个暴露在压力中的温度光栅。
图30是依照本发明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，该传感器有一个装在管中的可调分布反馈(DFB)光纤激光器。
图31是依照本发明的其中放置有光栅的一个大直径光波导的一个侧视图。
本发明的优选实施例参考图1，一个光纤布拉格光栅压力传感器包括一个已知的光学波导10，例如，一个标准的远程通讯单模光纤，光纤10内压印(或嵌入或印刻)有布拉格光栅12。光纤10的外径约为125微米，并包括具有适当掺杂物的石英玻璃(SiO2)，众所周知，以允许光14沿着光纤10传播。布拉格光栅12，众所周知，在光波导的有效折射系数和/或有效光学吸收系数方面是一个周期或非周期变化，与Glenn等人的、定名为“在纤维光学器件中压印光栅的方法”的、序号为4725110和4807950的美国专利，和Glenn的、定名为“在光纤中形成非周期光栅的方法和设备”、序号为5388173的美国专利中描述的类似，参考理解本发明的延伸需要这些专利因此被引入。然而，如果想要可以使用在光纤10中嵌入、蚀刻、或这以其它方式形成的任意波长可调的光栅或反射元件。如在这里使用的，术语“光栅”意思是任何这种反射元件。此外，反射元件(或光栅)12可以用在光的反射和/或透射中。
如果想要，可以使用其它材料和尺寸的光纤或波导10。例如，光纤10可以由任何玻璃、石英、磷酸盐玻璃或其它玻璃造成、或由玻璃和塑料、或塑料、或用于制造光纤的其它材料造成。对于高温应用，由玻璃材料造成的光纤是合乎需要的。同样，光纤10可以具有80微米的外径或其它直径。此外，除光纤外，可以使用任何光学波导，例如，多模、双折射、偏振保持、偏振、多芯或多覆层光学波导，或一个平或平面波导(这里波导是矩形的)，或其它波导。如这里使用的，术语“光纤”包括上面描述的波导。
光14入射到光栅12上，光栅12如线16指示的那样反射其中的一部分中心波长为λ1，预定波长带宽的光，并通过其余波长的入射光14(在预定波长范围内)，如线18指示的那样。其中带有光栅12的光纤10被装入并熔合到至少一部分弹性可变形的压力传感元件20，例如一个圆筒形的玻璃毛细管，此后成为管。管20可以具有约2毫米的外径d1，和约12毫米的长度L1。光栅12具有约5毫米的长度Lg。作为选择，管20的长度L1可以和光栅12的长度Lg基本上相等，例如，通过使用一个较长的光栅或一个较短的管。管20和光栅12可以使用其它尺度和长度。另外，光纤10和光栅12不需要熔合在管20的中心而可以熔合在管20中的任意位置。另外，管20不需要在管20的整个长度上与光纤10熔合。
管20由玻璃材料造成，例如自然的或合成的石英、熔凝石英、石英(SiO2)、Pyrex麻粒耐热玻璃(硼硅盐酸)、或麻粒Vycor玻璃(约95％的石英和5％的其它成分例如氧化硼)、或其它玻璃。管20应由这样的材料造成，以至于管20(或管20中的钻孔的内径表面)能被熔合到(即，创造一个分子键，或熔化到一起)光纤10的外表面(或覆层)，从而管20的内径和光纤10的外径间的界面基本上被消除(即，管20的内径无法与光纤10的覆层区分开，并成为后者的一部分)。
为了管20和光纤10在大温度范围内得到最好的热膨胀匹配，管20的材料的热膨胀系数(CTE)应基本上匹配光纤10的材料的CTE。通常，玻璃材料的熔化温度越低，CTE越高，例如，一个熔凝石英管和光纤。因此，对于一个石英光纤(具有高溶解温度和低CTE)和一个由另一种玻璃材料造成的管，例如Pyrex或Vycor(具有较低的溶解温度和较高的CTE)，导致管20和光纤10之间在温度上产生温度膨胀系数的失配。然而，本发明不要求光纤10的CTE与管20的CTE匹配(在下文中将更进行更多的讨论)。
代替管20由玻璃材料造成，只要管20能被熔合到光纤10，可以使用其它弹性可变形材料。例如，对于由塑料造成的光纤，可以使用由塑料造成的管。
光纤10脱离管20处的管20的轴的末端可以有一个内部区22，该区从光纤10向内逐渐变细(或张开)，以为光纤10提供应变释放或为了其它原因。在那种情况下，一个位于管20和光纤10之间的一个区域19可以用应变释放填充材料填充，填充材料有，例如，聚酰亚胺、硅酮、或其它材料。另外，管20可以有向外逐渐变细的(或成斜角的或角形的)壁角或边缘24，以为管20匹配其它部分(下文讨论)提供一个座和/或以校正管20上的力角，或为了其它原因。成斜角的壁角24的角被设置以获得期望的功能。管20可以有圆形以外的侧截面形状，例如正方形、长方形、椭圆形，蛤壳形、或其它形状，并且可以具有矩形以外的侧视(或横截的)截面形状，例如，圆形、正方形、椭圆形、蛤壳形、或其它形状。
此外，外部环或套29可以被放在管20的内部逐渐变细的区22的外径周围，以帮助防止光纤10在管20和光纤10的结合处破裂，破裂是当轴向力被施加给管20时由于泊松效应(下文讨论)或其它力效应引起的。套29由刚性的、硬材料造成，如金属。
作为选择，代替具有内部锥形区22，光纤10脱离管20处的管20的轴的末端可以有一个外部锥形(或长笛状的，圆锥形的、或乳头状突起)区，如虚线27所示，它具有一个减小到光纤10的外部几何形状(下文参考图12进一步讨论)。在那种情况下，环29是不需要的。我们发现使用长笛状的部分27，当光纤10沿它的纵长轴受拉时，在和接近光纤10和管20的界面的地方提供了增强的拉力，例如，6磅或更多。
在光纤10脱离管的地方，光纤10可以有外部的保护缓冲层21以保护光纤10的外表面避免受到损害。缓冲21可以由聚酰亚胺、硅酮、Teflon(聚四氟乙烯)、碳、黄金、和/或镍造成，厚度约为25微米。缓冲层21可以使用其它厚度和缓冲材料。如果内部锥形轴区22被使用并且足够大，缓冲层21可以被插入到区域22中以提供从无包装的光纤到缓冲的光纤的转换。作为选择，如果该区域有外部锥形27，缓冲21将在光纤脱离管20的地方开始。如果缓冲开始于光纤脱离点之后，光纤10可以被再涂一个外部缓冲层(没有显示)，该缓冲层覆盖熔合区以外的任何裸露光纤，并且与缓冲21重叠，也可以和区域27的一部分或管20的末端重叠。
玻璃装光纤光栅20可以单独使用，或作为测量压力的一个较大配置中的一部分进行使用。例如，图1所示的实施例的玻璃装光栅管20可以直接作为一个压力传感器单独使用(在下文中参考图9，10讨论)。在那种情况下，管20的直径、长度和材料决定光栅12反射波长λ1是否上移或下移，并决定波长移动的数量。另外，管20的材料特性例如泊松比(由于外力，杆的长度变化对直径变化的关系)和杨氏模量(即，作为杆长的函数的杆的轴向可压缩性)帮助决定波长的变化。
特别地，如果管20被放在一个具有压力P的环境中，将有轴向压力26和径向压力28。压力P可以是流体压力(其中流体是液体或气体或它们的混合物)。依赖于管20的泊松比和杨氏模量(或轴向可压缩性)和其它材料特性，管20可以随着压力的增加轴向压缩或拉长。对于由玻璃或金属材料(和其它具有低泊松比的材料)造成的管20，随着压力增加，L1将减小，即，轴向压缩(独立于管20的长度L1和直径d1)，对于围绕管20的均匀轴向压力场，这引起光栅12反射波长λ1减小。反之，如果轴向压力26是一个低于轴向压力28的预定的量，管20将轴向伸长或拉长，引起L1减小，这引起光栅12反射波长λ1增大。对于给定的压力P(或每单位面积的力)轴向长度变化的数量也由管20的轴向可压缩性决定。特别地，管20的材料越可以轴向压缩，对于给定的初始长度管20的长度L1变化越大(ΔL1/L1)。也，随着温度变化，管20的长度基于一个已知的热膨胀系数(CTE或aL)变化。
下面的表1提供了用于管20的特定玻璃材料的泊松比、杨氏模量和热膨胀系数(CTE)的典型近似值。
表1

在毛细管20被装在光纤10和光栅12周围之前或之后，光栅12可以被压印在光纤10中。
如果光栅12在管20被装在光栅12周围之后被压印到光纤10中，光栅12可以通过管20被写到光纤10中，如1998年12月4日提出的、标题为“生成管装布拉格光栅的方法和设备”的、序号为(CiDRA Dochet No.CC-0130)的共同未决的美国专利申请描述的那样。
为将光纤10装入到管20中，管20可以被激光器、灯丝、火焰等加热，塌陷和熔合到光栅12，如同时提出的、标题为“管装光纤光栅”的、序号为(CiDRA Dochet No.CC-0078B)的共同未决的美国专利申请描述的那样，此专利作为参考被引入。可以使用将管20熔合到光纤10的其它技术，例如，Duck等人的、定名为“光纤的方法和包装”的、序号为5745626的美国专利，和/或Berkey的、定名为“制造具有完整精确连接井的光纤连接器的方法”的、序号为4915467的美国专利所描述的，参考理解本发明的延伸需要这些专利因此被引入，或者其它技术。
作为选择，可以使用其它技术将光纤10熔合到管20，例如使用高温玻璃焊料，例如石英焊料(粉末或固体)，从而光纤10、管20和焊料将相互熔合到一起，或者使用激光器焊接/熔合或其它熔合技术。也，光纤可以被熔合到管内，或部分被熔合到管内、或被熔合到管的外表面上(下文参考图24讨论)。
对于这里描述的任何实施例，光栅12可以被装入到管20中，光栅上具有预先应力(压力或张力)或没有预先应力。例如，如果管20使用的是Pyrex或其它具有比光纤10的热膨胀系数大的玻璃，当管20被加热并熔合到光纤，然后冷却时，光纤12被管20置入压力中。作为选择，在管加热和熔合过程中，通过将光栅置入张力中，光纤光栅12可以处于张力下被装入管20中。在那种情况下，当管20被压缩时，光栅12上的张力减小。另外，当没有外力施加到管20时，光纤光栅12可以被装入到管20中，导致光栅12上既没有张力也没有压力。
光纤10接触管20处的长笛状部分27可以用多种方式生成，例如前面提到的共同未决的序号为(Cida Docket No.CC-0078B)的美国专利申请中描述的方法。例如，管20可以被加热，然后管20和/或光纤10被在一端拉以形成长笛状部分27。作为选择，长笛状末端27可以使用其它玻璃形成技术形成，例如，蚀刻、磨光、研磨等。可以使用其它技术形成部分27。
另外，内部区22也可以被多种技术制造，例如前面提到的共同未决的序号为(Cida Docket No.CC-0078B)的美国专利申请中描述的方法。例如，不在区域22将管20塌陷到光纤10或制造一个比管20的内径大的区22，管20可以在要被扩大的期望区域被加热，然后内压施加给管20。
参考图2，在一种可选的实施例中，我们发现通过改变毛细管20的几何形状可以实现增加的灵敏度。特别地，管20可以具有“八字试块”形，具有一个窄的中心部分30和较宽大外部部分32(或活塞)。窄部分30的外径d2约为2毫米，长度L2约为9.25毫米。宽大部分32的外径d3约为4毫米，长度L3约为6.35毫米。部分30、32可以使用其它长度L2、L3，只要避免弯曲。例如长度L3可以长于6.36毫米(例如长于25.4毫米)或可以短于6.36毫米。管20的轴向端面的截面积(d2)和窄部分30的比提供一个力/面积增益4。
另外，管20的部分32在管20的末端可以有内锥形区22或外锥形区27，如此前讨论的那样。此外，部分32可以有锥形(或成斜角的)外部壁角24，如此前讨论的那样。宽大部分32的一个内部转换区33可以是一个尖的垂直的或成角的边，或可以如虚线39所示是弯曲的。一个弯曲的几何结构39具有比尖边或壁角小的应力梯级，从而减小了破裂的可能性。
另外，不要求八字试块几何形状是对称的，例如，如果期望两个部分32的长度L3可以不同。作为选择，八字试块可以是单侧八字试块，这里不是具有两个较宽大部分32，可以只在窄部分30的一侧有仅仅一个宽大部分32，另一侧可以具有一个直边31，该直边31可以有成斜角的壁角24，如此前讨论的那样。在那种情况下，八字试块在它的侧面具有“T”形。这样一个单侧八字试块在这里也应被称为“八字试块”形。代替八字试块几何形状，可以使用提供增强的应变灵敏度或校正管20上的力角或提供其它合意的特性的其它几何形状。
我们发现较大部分32的尺寸d3和窄部分30的尺寸d2间的尺寸变化通过应力放大为光栅波长变化灵敏度(或增益或标度因子)提供了增大的力。也，这里为八字试块提供的尺寸易于伸缩以提供期望的灵敏度。
代替八字试块几何形状，如果期望可以使用其它增加灵敏度或校正管20上的力角的几何形状。
尺寸d3和d2的差引起的应力放大提供了八字试块几何结构的增加的灵敏度。为了使八字试块几何结构的灵敏度最优化，较宽大部分32应与内部变换区33上的反向轴向力35隔离，并且窄部分30应与径向力37隔离。这可以通过用圆筒、膜、墙或其它界面围绕八字试块来完成，如此后讨论的那样。窄部分30上的径向力减去轴向力引起的变化，由于泊松效应，因此减小传感器的灵敏度。
八字试块几何结构可以通过蚀刻、磨光、研磨毛细管20的中间部分以获得窄直径d2来形成。使用化学蚀刻(例如，使用氢氟酸或其它化学腐蚀剂)，激光器蚀刻、或激光器增强的化学蚀刻是一些技术，它们减小外径而不施加磨光和研磨要求的直接接触力。可以使用其它技术去获得窄直径区30。八字试块(或其它几何形状)在管20中形成之后，管20的表面可以被烧边以去除表面杂质、增加强度，或为了其它原因。
参考图3，作为选择，八字试块几何结构可以使用多块形成，例如中间决40，类似于图1中的玻璃装光栅20，被两个端块42(类似于图2中的宽大部分32)包围着。端块42可以滑动到光纤10上，并且被压在中间块40上。中间块40可以被座或凹进在两个端块42中(如图3所示)或平躺着靠着端块42。
参考图4，将八字试块几何结构用作传感器48的一个方法是用一个外部圆筒或外部管50围绕八字试块。圆筒50阻止压力P在中间的窄部分30上施加直接径向力37，并阻止在宽大部分32上施加反向轴向力35。圆筒50的材料和特性可以在设备上施加其它力(轴向的和/或径向的)，对于期望的应用应对之进行估计和选择。圆筒50可以用和部分32相同的材料造成，例如，玻璃，或其它材料，例如，金属。如果部分32和圆筒50都是由玻璃材料造成，圆筒50可以被熔合到部分32，类似于管20被熔合到光纤10的方法。作为选择，可以用低温焊接、熔焊、熔融、粘附、或用环氧树脂粘合或其它合适的附着技术将圆筒50附着到管20的宽大部分32的外围。圆筒50在圆筒50和管20的窄部分30之间形成一个密封的室(或腔)34。当施加压力P时，如线26所示，径向压力28引起圆筒50径向偏斜到室34中，轴向压力26作用在部分32和圆筒50的外部轴端面上，引起部分30、32和圆筒50被轴向压缩。部分30、32、50的轴向压缩和径向偏斜的大小取决于它们的材料特性和尺寸。也，如讨论过的那样，八字试块形管20可以用一个或多个块形成。
作为选择，外部圆筒50的几何形状可以是直圆筒以外的其它形状，可以具有改变外部圆筒50的可塑性或弹性的几何形状。例如，外部圆筒50可以具有波纹(或风箱)形，如虚线49所示或一个预先建立的向内或向外的曲线，分别如虚线47、51所示，或者其它几何形状。风箱形允许轴向可塑性增加，同时不减小圆筒的最大径向断裂强度压力。
参考图26，作为选择，外部管50可以在远离内部转换区33和/或接近管20的轴端46的地方熔合到管20。在那种情况下，在圆筒50的内径和八字试块的宽大部分32(或活塞)之间将有一个约0.5毫米的缝隙g2。也，外管59的厚度T2约为0.5毫米。此外，八字试块的短部分30的长度L2约为7.0毫米，管50被熔合处到活塞32(2×L3＋L2)处的长度为3.56厘米，部分30、32的直径d2、d3分别是1.0毫米和3.0毫米。对于由玻璃材料(熔凝石英和天然石英)造成的这些尺寸，传感器48提供一个光栅波长变化对压力灵敏度比约为0.5皮米/psi(或2.0psi/皮米)，可以用作长期工作的0～5000psi传感器。我们发现图26的具有上述尺寸的结构在破裂之前可以承受的外部压力大于15kpsi。
对于一个0～15000psi工作范围，具有灵敏度0.3846皮米/psi(或2.6psi/皮米)的传感器，尺寸可以如下壁厚t1约为1毫米，直径d2约为1.12毫米，外径d9约为6毫米，长度L2约为7.4毫米，长度(2×L3＋L2)约为49毫米，纵长L1约为59毫米。对于这样一个15kpsi传感器，我们发现破裂压力大于约45kpsi。如果期望对于给定的尺寸可以使用其它工作范围。
作为选择，活塞32可以轴向延伸到外部管50的端部之外，如轴向延伸区44所示。在那种情况，区域44可以是轴对称的或不对称，取决于应用。对于一个单端15kpsi传感器，部分44的长度L20可以是约20毫米。也，在一个或两个轴端可以有轴向延伸区36(在下文中结合图8也进行了讨论)。轴向延伸部分36的长度L21可以是基于设计准则的任意期望的长度，例如，12毫米。可以使用其它长度。
作为选择，如前面关于单侧八字试块讨论的那样，八字试块的活塞32可以具有不等的长度，或可以在管/光栅30的一侧有一个具有两个活塞长度(2×L3)的一个活塞32和在另一侧有端盖46。在后一种情况下，由于它的增加的长度单活塞将有更多压缩。也，如果传感器不是一个馈通设计(即单端)，一端可以分开一定的角度以减小光的后向反射，例如，自垂直方向12度，如虚线59所示。可以使用其它角。
另外，这样一个构造允许通过改变总长L1(即，活塞32和外管50的长度L3)标度灵敏度(或分辨率)。特别地(对于一个给定的活塞32和外管50的长度)，对于由于压力改变长度L1的变化ΔL，变化ΔL的大部分ΔL’出现在横过光栅12所处的小区域30的长度L2的地方(其余的横过宽大的活塞32)。于是如果活塞32和外管50的长度增加，对于同样的压力变化(因为对于一个给定的力压缩的量对于长度标度)管50将压缩或偏斜更多(即一个较大的ΔL)。这个增加的ΔL横过同样的长度L2，因此增加了灵敏度ΔL/L2(下文参考图7进行更多讨论)。
取决于设计说明书和应用，如果期望缝隙g2和厚度T2、长度L1、L2、L3和直径d2、d3可以使用其它值。例如，有多种增加灵敏度(皮米/psi)的方法，例如减小壁厚T2(同时承受要求的最大外部压力)，增大缝隙g2，增加外部管50熔合到活塞32的总长L1(例如，增加管50长度和活塞长度L3)，减小八字试块的窄部分的直径d2，或增大八字试块的宽大部分32(或活塞)的直径d3。特别地，对于一个约0.6皮米/psi的灵敏度，总长可以从约3.56厘米(1.4英寸)增加到约5.08厘米(2.0英寸)。
另外，在那种情况下，室34将是一个I形(或旋转的H形)室。此外，在外部管50熔合到内部管20的地方可以有一个凸起52。
参考图5，本发明的一个可选实施例包括一个具有压力孔62和一个内部室64的外壳60。压力孔62将压力P1通入到室64中。光纤10经过一个密封的馈通67通过外壳60的一个前壁(或端帽)66，并经过一个密封的馈通69退出外壳60的一个后壁(或端帽)68。一个风箱70位于室64中，风箱的一端连接到后外壳壁68，风箱的另一端连接一个风箱盘72。管20位于风箱70中，位于后外壳壁68和风箱盘72之间，风箱盘可以在轴向自由运动。位于风箱70外的光纤10的一个孔73可以具有下垂部分以允许光纤10随着风箱70的压缩而伸缩，不将光纤10的孔73置于张力下。下垂部分可以通过弯曲或螺旋卷或其它用于光纤10的应力释放技术来提供。盘72和壁68对风箱70内的光栅/管20施加轴向的力。在管20和风箱70之间是一个风箱室74。对于绝对传感器或大气压力，例如，14.7psi(1标准大气压)或其它固定的压力，风箱室74中的压力P2可以是0psi，如果期望一个Δp压力传感器，可以提供一个压力孔76已将第二个压力p2通入到风箱室74中。管20的轴端可以凹进盘72和壁68中，如图5所示，或者可以与盘72和/或壁68平接。
当风箱70外边周围的压力p1增大时，引起风箱70变短或压缩(盘72向右移动)，它压缩管20和光栅12，并引起光栅12的反射波长度变短，选择的风箱70的弹性常数比管20的弹性常数小，但是足够大到在施加的压力下不破裂。这使得向管20传递最大量的源压力引起的蠕变引入的误差最小化。如果期望，管20也可以是八字试块几何形状或这里讨论的其它形状。作为选择，如果压力P2比P1大预定的量，管20(和风箱70)将轴向膨胀，从而光栅12的反射波长将增大。
参考图6，本发明的另一个实施例包括两个封装的推/拉配置的光栅，特别地，构造和图5所示的基本相同，第二个光栅80装在与第一个管20类似的第二个管82中，光栅80具有第二个反射波长λ2。光栅封装管82位于盘62和外壳60的前壁66之间。对于这种设计，在“0”施加压力P1时，应力被风箱70的弹力发展到横越第二光栅80，同时，第一个光栅12处于不受应力(或较低应力)状态。随着压力P1增加，风箱70压缩，释放第二光栅80上的应力，对第一个光栅12施加更多的压缩。如果期望，可以在光栅12、80上使用其它推-拉应力条件和配置。作为选择，如果压力P2比P1大预定的量，管20(和风箱70)将轴向伸展，光栅12的反射波长将增大。
在这个配置中，通过测量两个光栅12、80的反射波长的差确定压力，因为当压力改变时两个光栅的波长λ1、λ2向相反的方向移动。因此，要获得给定的波长变化(Δλ)要求的力是单光栅测量变换器的一半，或者，作为选择，对于一个给定的力，波长的变化是单光栅测量变换器的两倍。也，随着温度改变，两个光栅波长λ1、λ2向相同的方向变化。因此，通过测量两个反射波长λ1、λ2的变化的平均值，温度可以被确定，这允许进行温度补偿。也，如果存在蠕变，最大蠕变误差能被确定。特别地，对于给定的温度和压力，如果不存在蠕变，两个光栅间的平均反射波长应保持相同。
参考图7，本发明的另一个实施例，包括一个圆筒形外壳90，它包括一个外部圆筒形壁(或外部管)98，两个端帽95，和两个内部圆筒(或活塞)92，每个圆筒在一端连接一个端帽95。管20(其中装着光栅12)被放置在两个活塞92之间并靠着两个活塞92的另一端。如果期望，可以为外壳90的元件98、95、92使用其它截面和/或其它侧视截面形状。端帽95可以是独立的块或者是活塞92和/或外部圆筒98的一部分和与它们相连接。压力P(26、28)被施加到外壳90的外壁98、95。活塞92具有直径为d8的孔，光纤10从孔中穿过。外壳90的端帽95可以有锥形区96以提供应力释放，如上文讨论的那样。也，端帽95具有馈通106，光纤从此退出，并且可以是密封的馈通。馈通106可以使用任何已知的光纤密封馈通，例如，将光纤10镀上金属，然后将光纤与馈通106焊在一起。在管20和馈通106之间，光纤10可以有上文讨论过的外部保护缓冲层21以保护光纤10的外表面，使之免受损害。也，在光纤10和孔94内维之间的区域88可以用液体或固体材料填充，例如，硅酮凝胶，这进一步保护光纤10和/或是热传导的以允许温度光栅250(下文讨论)快速感觉到压力光栅12的温度变化，或为了其它用处。
在壁98的内维和管20和活塞92的外维之间是一个内部I形(或旋转H形)室100。另外，活塞92内可以有空心区99以允许位于管20和外壳90的端106之间的光纤10中的一些松弛或服务环101补偿活塞92的热膨胀或为了其它原因。活塞92、外部圆筒形壁98、端帽95和管20可以由相同的或不同的材料造成。此外，活塞92可以具有不等的长度，或者可以在管20的一侧只有一个具有两个活塞92长度的活塞，在另一侧有端帽95。在后一种情况下，由于增加的长度，每个活塞92将有更多的压缩。
外壳90的一些可能的尺寸的一个例子如下，可以使用其它尺寸。管20的外径d2约为2毫米(0.07英寸)，长度L1约为12.5毫米(0.5英寸)，每个活塞92的外壳d5约为19.1毫米(0.75英寸)，每个活塞92的长度L5约为6.25厘米(2.5英寸)，活塞92中的孔94的直径约为1毫米(1000微米)，外壳90的总长L4约为12.7厘米(5英寸)，外壁98的厚度t1约为1.0毫米(0.04英寸)，外壁98的内维和活塞92的外维之间的缝隙g1约为1.52毫米(0.06英寸)。壁98的材料和厚度应能够承受施加到外壳90的外部压力P。
壁98和活塞92的尺寸、材料和材料特性(例如，泊松比、杨氏模量、热膨胀系数和其它已知特性)如此选择以至于期望的应力以特定的压力P(或每单位面积的外力)被传递到毛细管20。通过控制这些参数，传感压力P的分辨率和范围被标度。例如，如果总长L4增加，灵敏度ΔL/L将提高。
特别地，随着压力P增大，由于外壁98的压缩和/或弯曲外壳90的轴向长度L4减小ΔL。由于管20的压缩管20发生了总轴向长度变化ΔL’的预定的一部分。管20的压缩将光栅12的布拉格反射波长λ1减小了一个预定的量，该量提供了指示压力P的波长变化。如果活塞92具有比玻璃管20高的弹性系数，对于一个给定的力，管20将比活塞92压缩的多。另外，对于一个给定的外力，预定量的力在外壁98上被减弱，剩余的力被管20承受。
外壳90可以由具有高强度、低泊松比和低扬氏模量的材料造成，如钛(Ti)。例如，当壁98、活塞92和端帽95都由钛造成并具有上文讨论的尺寸时，对于2200磅的外力，2000磅被在外壁98上减弱(或被用于压缩/弯曲)，200磅被消耗在管20上。圆筒形壁98的行为类似于膜或风箱，它由于增加的外部压力而压缩或弯曲。外壁90的一些或全部部分92、98、95可以使用其它金属和金属合金，例如不锈钢、钛、镍合金，例如Inconel、Incoloy、Nimonic(Inco合金国际公司的注册商标)包含多种等级的镍、碳、铬、铁、钼、和钛(例如，铬镍铁合金625)或其它高强度、或耐蚀、或高温或耐热金属或合金可以被使用，或者具有足够强度去压缩管20的其它材料可以被使用。取决于应用如果期望可以使用具有其它特性的其它材料。
钛的泊松比、杨氏模量和热膨胀系数(CTE)的典型近似值由下面的表2给出。
表2

作为选择，外壳90的一个或多个部分92、95、98可以由玻璃材料造成，在那种情况下，可以使用上文中表1中所示的一种或多种玻璃材料和特性。如果期望，取决于应用和设计要求，外壳90还可以使用其它材料。
管20可以具有上文结合图2、3讨论的八字试块形。也，传感器外壳90可以被横着分成两半，这两半如所示的那样在附着点104处被装配。作为选择，外壳90可以被纵向分开。此外，可以提供一个垫片或盘97以辅助装配、对准和/或在管20上设定预应力。如果期望可以使用其它装配技术。
另外，管20的轴端面和/或活塞92上的座可以镀一种材料，该镀层减小压力或增强管20与活塞92上的座面的配合。
为造一个ΔP传感器，可以提供一个压力孔102，通过一个或两个活塞92将第二压力P2传递到内部的I形室100中。
图7的配置不要求有风箱，因此比起基于风箱的设计可能易于制造并且造价便宜。也，它具有一个稳固的构造，能够忍耐苛刻的环境。
参考图8，作为选择，为帮助减小光纤10和管20之间的界面处光纤10上的应力，管20可以具有部分36，它沿着光纤10轴向伸展并且在一个位置处依附着光纤10，该位置压力(或力)通过活塞92(或者这里描述的其它端片)被施加造宽大部分32上。部分36的轴向长度根据应用设置，如上文参考图26讨论的那样。也，部分36不需要是轴对称的，不需要在管20的两个轴端上都有。部分32可以有内部锥形区22或外部长笛状区27，在那里光纤与管20面接，如上文讨论的那样。作为选择，可以有一个阶梯部分39作为区域36的一部分。在那种情况下，区域22可以位于阶梯部分39内或在其附近，如虚线38所示区域106可以是空的或者用粘性物质或填充剂填充。也，管20可以具有直的恒定的截面，如上文讨论的和虚线107所示，而不是八字试块形。此外，通过活塞92的孔94的全部或部分长度内可以具有较大的直径，如虚线109所示。
参考图12，一个以上同心的管可以被熔合到一起以形成本发明的管20，例如，一个直径d4约0.5毫米(0.02英寸)的细内部毛细管180可以位于一个较大的毛细管182中，管182的直径为上文中讨论过的d1，两个管180、182被熔合到一起。细管180的一端或两端可以被缩下去并与光纤10熔合以形成长笛状区27。如果期望，内管180和外管182的直径d1、d4可以使用其它值。也，可以使用两个以上的同心毛细管。管的材料可以是相同的以将对于温度的热膨胀失配最小化。也，外管182的形状可以是八字试块形，如虚线184所示，或者是上文中讨论的其它形状。作为选择，八字试块形可以通过在光栅12的相对轴端上将两个独立的管188、190熔合到内管180上来制造，如虚线186所示。
参考图13和14，作为选择，管20可以在光栅12的相对的轴端上邻近光栅12或距离光栅12一个预定距离L10处被熔合到光纤10。其中L10可以是任意期望的长度或在光栅12的边缘(L10＝0)。特别地，管20的区200被熔合到光纤10，并且在光栅12周围的管的中间区202没有被熔合到光纤10。在光栅12周围的区202可以包含周围空气或被排空(或处于其它压力下)，或者可以部分地或全部用粘合剂，例如环氧树脂，或其它填充材料，如聚合物或硅酮或其它材料填充。管20的内径d6比光纤10的直径约大0.1～10微米，例如，125.1～136微米。可以使用其它直径。然而，当管20被轴向压缩时为了帮助避免光纤弯曲，直径d6应尽可能地接近光纤10的外径，以限制熔合点之间的光栅12和光纤10的径向运动量。也，距离10不需要对称地在光栅12的周围。
参考图14，作为选择，通过在光栅12相对的两端上熔合两个独立的管210、212，然后熔合一个穿过管210、212的外部管214可以获得同样的结果。作为选择，管210、212可以延伸到外部管214的两端之外，如虚线216所示。作为选择，管20可以是一个具有指示管212、214形状的单段。
参考图7、8、15、17、19，众所周知，光栅12的反射波长随温度变化(Δλ/ΔT)。由于管20和光纤10之间的温度失配光栅12上的应力也随温度变化。也，由于外壳90随温度膨胀或收缩管20上的力可以随温度变化。在那种情况下，可以用一个独立的温度光栅250测量温度以校正温度引起的压力光栅12的反射波长的变化。温度光栅250可以具有不同于压力光栅12的反射波长的反射波长λ3，该波长随着温度的变化而变化，不随压力P的改变而改变。这可以通过将温度光栅250放置在热接近压力光栅12，而位于管20的压力应变区之外的地方获得，换句话说，它被与正在测量的压力隔离。特别地，温度光栅250可以被放在位于管和馈通106之间的光纤10内。参考图8，作为选择，温度光栅250可以位于光纤10的一部分，该部分被封装或熔合在玻璃管20的轴向伸出部分27、36、251内，位于被活塞92压缩的区域之外。作为选择，温度光栅250可以在位于传感器外壳90附近或之中的独立的光纤内(未显示)，并且可以与光纤10光耦合或与光纤10分隔开。作为选择，温度传感器250可以是在独立的管中(未显示)的应力隔离温度传感器，例如在共同拥有的、序号为(CiDRA Docket No.CC-0128B)的、标题为“应力隔离的光纤光栅温度传感器”的、同时提出的、共同未决的美国专利申请中描述的。也，对于这里所示的任何实施例，温度光栅250可以被装在管20中，光栅上有初始应力(压力或张力)或没有预应力。
参考图28，作为选择，在延伸部分251内的温度光栅250可以被装在第二个外部管40中以形成一个压力隔离的温度传感器，如在标题为“压力隔离的光纤光栅温度传感器”、序号为(CiDRA docket No.CC-0146B)的、这里作为参考被引入的、共同未决的美国专利申请中讨论的。特别地，第二个管400被熔合到部分251和管402的一个端帽的外径。管402可以由与管20相同的材料造成。类似于光纤10被熔合到管20的方式，光纤10被馈通并熔合到端管402。一个密封的室406存在于部分251、端管402和外部管400之间。也，光纤10有一些疏松以允许室406膨胀。当外部压力改变时，外部管400压缩或弯曲，端帽402和或部分251向对方移动，光纤10在室406内弯曲；然而，带有光栅250的部分251没被暴露在压力变化中。因此，温度光栅250的反射波长不由于压力的改变而变化。此外，外部管50和第二外部管400可以是一个管，它被熔合到内部管20、402。可以使用压力隔离的温度传感器的其它实施例和配置，例如，在先前提到的专利申请(CiDRA docket No.CC-0146B)中描述的那些。也，对于一个非馈通传感器，代替光纤10被馈通室406和端帽402，光纤10可以在温度光栅250的左边的部分251内结束。此外，代替端帽402，管400自身可以被塌陷以形成室406。
参考图29，作为选择，温度光栅250可以位于非压力隔离的区域，例如在八字试块结构的宽大区32中。在那种情况下，两个光栅12、250都遭受压力和温度变化，其中光栅12、250的压力导致的波长变化的灵敏度不同。这样，压力和温度可以被分析确定。作为选择，如果对于两个光栅12、250波长随温度的变化相同(或可预测)，而对于两个光栅12、250波长随压力的变化不相同，那么可以分析得到温度补偿的压力测量，例如，通过减去两个波长。作为选择，一个温度光栅450可以位于外管50与内管20相熔合的区域，或者一个温度光栅452可以位于轴向伸展部分251。在那些位置，温度光栅450、452比温度光栅250对压力变化将展现出较低的灵敏度，这增加了温度补偿的准确性。
作为选择，代替使用光纤光栅测量压力传感器12的温度，可以使用任何其它技术去确定压力光栅12的温度，例如，电子的、热电偶、光学的等。
再参考图7，外壳90可以被设计得将管10对温度的压缩的变化最小化。特别地，如果壁98和活塞92由相同的材料造成，例如，钛，并且管20是由不同的材料造成，如，玻璃，具有较低的CTE，当温度增加时，活塞92将增加的长度和外壁98一样多，除了在活塞92端部间的区域86(在那里将存在CTE失配)。作为结果，随着温度增加管20上的力减小。作为选择，在一个或两个活塞92上的区域230可以由一种材料造成，该材料的CTE补偿部分86的附加膨胀以在管20上保持一个关于温度基本恒定的力。作为选择，外壁98可以由一种材料造成，该材料的CTE使得在管20上保持一个关于温度基本恒定的力，或否则补偿一个预定量的力随温度的变化。
参考图15，毛细管20的一种可选的几何形状可以具有一个轴端251，该轴端比其它轴端长。在那种情况下，温度补偿光栅250可以位于长轴端251中的光纤10内。图15的管20的一些作为例子的尺寸如下，也可以使用其它尺寸。特别地，L6约为1.05英寸，L7约为0.459英寸，L8约为0.5英寸，L9约为0.09英寸，d7约为0.032英寸。长轴端251可以通过将部分251与部分32(在光纤10被装入管20之前或之后)在点253处熔合制造，或者可以用上文中讨论过的为管20制造八字试块或其它形状的方法制造。作为选择，图15中所示的带有部分251的管20可以使用两个管形成，一个具有长度L6的内部管滑过八字试块部分30、32，如虚线258所示，并熔合到部分30、32，类似于参考图12所讨论的。
参考图17，在温度光栅250所处的位置长轴端251可以被塌陷并熔合到光纤10，在接近部分251的末端的区域290处长轴端251不被塌陷到光纤10上。在那种情况下，区域290可以用环氧树脂或其它填充剂填充。在部分290内的管20的内径d6约为125～135微米，孔94的直径d8约为1毫米(1000微米)，如上文所讨论的那样。如果期望可以使用其它直径和尺寸。在光纤10脱离延伸区251的地方，光纤10可以有外部保护缓冲层21以保护光纤10的外表面不被损害，如上文所讨论的那样。
参考图19、20，一个或两个活塞92可以具有空心部分310，通过在端帽95中的孔311它被通向外部压力P。空心部分310具有外壁312和内壁314。这样的配置可以被用于帮助增加灵敏度，或为了其它原因。壁312、314的长度和厚度将决定存在的增加的灵敏度的量。例如，当压力P增大时，壁312、314将被置入张力中，活塞92将伸长。作为选择，内壁314可以是一根管，该管和活塞92的其余部分具有不同的材料，并在点318处附着到活塞92上，也，壁314可以具有凸起316以允许在光纤10内弯曲。作为选择，如果期望内壁314被除去。在那种情况下，光纤10将被暴露到压力P下。光纤10可以具有外部保护缓冲层21，如上文讨论的那样。参考图20，端帽95可以具有孔311或支撑梁320以使壁稳定和/或为光纤10提供一个稳定的脱离点。
参考图16，在一种可选的实施例中，外壳270具有一个被连接到管20一端的隔膜274。管20的另一端被连接到一个刚性的后壁278。刚性壁280连接后壁254和隔膜274。在外壳270内部是一个室(或腔)272。室272可以被排空，在空气压力下，或对于差别压力(或ΔP)测量，被与第二个压力P2连通。当压力P1增加时，隔膜274弯曲到室272中，如虚线277所示，这压缩管20和光栅12引起波长变化。作为选择，如果压力P2比P1大，隔膜274将向外弯曲，如虚线279所示。
参考图18，本发明的一个可选的实施例具有一个外壳300，外壳300具有圆形侧视截面和一个内室306。壁300的总的形状可以是一个球形或圆筒形或具有圆形截面的其它形状。其内装有光纤10和光栅12的管12被附着到外壳300的内径上。光纤10在馈通点316处脱离外壳300，馈通点316可以是密封的馈通，如上文讨论的那样。当外部压力P1增加时，外壳300的直径减小并且管20被压缩，这导致光栅12的反射波长发生变化，如上文讨论的那样。对于给定的压力变化波长变化的量取决于外壳300和管20的材料特性，例如，泊松比、杨氏模量等，如上文所讨论的那样。如果外壳300和管20是相同的材料，例如，玻璃，管20可以是外壳300的一部分或被熔合到外壳300，如虚线302所示。在那种情况下，外壳300和管20之间的应力可以同样较低。也，管20可以具有虚线304所示的八字试块形或这里讨论的其它形状。
参考图11，对于这里描述的任何实施例，代替单个封装在管20内的光栅，两个或多个光栅150、152可以被嵌入封装在管20内的光纤中。光栅150、152可以具有相同的反射波长和/或外形或不同的波长和/或外形。在已知的法布里珀罗配置中多个光栅150、152可以分别被使用。此外，一个或多个光纤激光器，例如标题为“主动式多点光纤激光器传感器”序号为“5513913”的美国专利、标题为“双折射主动式光纤激光器传感器”序号为“5564832”的美国专利、或标题为“压力可调的光纤激光器”序号为“5666372”的美国专利所描述的，可以被嵌入到管20内的光纤10中，参考理解本发明的延伸需要这些专利因此被引入。在那种情况下，光栅150、152形成一个光腔并且光纤10至少在光栅150、152(和如果期望，也可以包括光栅150、152，和/或光栅外的光纤10)之间将被搀入稀土掺杂剂，例如，铒和/或镱等，激光波长将随着压力的变化而变化。
参考图30，可以使用的另一种类型的可调光纤激光器是可调分布式反馈(DFB)光纤激光器154，例如在V.C.Lauridsen等人的“DFB光纤激光器设计”，Electron letters，1998年10月15日，Vol.34.No.21，pp2028-2030；P.Varming，等，“具有被UV后处理引入的永久的π/2相位变化搀铒的光纤DGB激光器”，IOOC’95，Tech.Digest，Vol.5 PD1-3，1995；Kringlebotn等人的、标题为“光纤分布式反馈激光器”的美国专利No.5771251；或D’Amato等人的标题为“偏振光纤激光器源”的美国专利No.5511083所描述的。在那种情况下，光栅12被写到搀有稀土的光纤内，被配置成在光栅12中心附近的一个预定的位置180处具有λ/2的相位变化(这里λ四激光波长)，它提供一个意义明确的谐振条件，该谐振条件在纵模工作方式下可以没有波型跳变地被连续调节，众所周知。作为选择，代替单个光栅，两个光栅150、152可以被放置足够近以形成具有(N＋1/2)λ波长的腔，其中N是一个整数(包括0)，光栅150、152位于搀有稀土的光纤内。
作为选择，DEB激光器154可以位于一对光栅150、152之间的光纤10上(图11)，其中光纤10至少在一部分沿着位于光栅150、152之间的距离的长度上搀有稀土掺杂剂，这样的配置被称为“交互式光纤激光器”，如J.J.Pan等的“具有低噪声和受控输出功率的交互式光纤激光器”，E-tek动力学公司，圣约瑟，加拿大，国际互联网网址www.e-tek.com/products/whitepapers.中所描述的。如果期望，可以将一个或多个光纤激光器配置放在光纤10上。
参考图21，这里描述的许多压力传感器20、110、112，每个中至少装有一个光栅12，可以被共同的光纤10串联连接，作为分布式传感器测量多个压力点。任何已知的多路复用技术可被用于将一个传感器信号与另一个传感器信号区别开来，例如，波分多路复用技术(WDM)或时分多路复用技术(TDM)或其它多路复用技术。在那种情况下，在每个传感器中的光栅12可以具有不同的反射波长。
参考图22和23，作为选择，两个或多个光纤10、350，每个中各自至少有一个光栅12、352，可以被装在管20中。在那种情况下，在加热和熔合之前，管20内的钻孔可以是圆形以外的其它形状，例如正方形、三角形等。也，管20的钻孔也不需要沿管20的中心线居中。
参考图24，作为选择，代替光纤10、350如图23所示那样相互接触，光纤10、350在管20内可以间隔开一个预定的距离。该距离可以是光纤10、350之间的任意期望的距离。也，对于这里所示的任何实施例，如上文中讨论的，部分或全部光纤和/或光栅可以被熔合在管20内或部分被熔合在管20内，或被熔合到管20的外表面上。如光纤500、502、504分别所示。
参考图25，作为选择，管20可以只在光栅12所处的位置被塌陷或熔合到光纤10上，在那种情况下，如果管20比光栅12长，上文中讨论的锥形或扩张的区22可以存在，并且在管20和光纤10之间的区域19可以被用填充材料填充，如上文中讨论的那样。
参考图9、10，这里描述的任何传感器配置(如传感器110集中所示)可以被放置在外壳112内，外壳112具有一个压力孔114，它将压力P1通到室116内，室116将传感器110暴露在压力P1下。如图9所示，传感器110可以附着到外壳112的至少一个壁118上。
参考图10，代替将传感器110的一侧附着到外壳112的一个壁上，传感器110可以通过支架120、122被悬挂在外壳112内，支架120、122连接外壳112的一个或多个壁和传感器110的一端(或从沿着传感器110的中间点或任何其它期望的点)。光纤10通过两个密封的馈通111，113被馈通连接。也，光纤10在传感器110和馈通111，113之间可以有一些松弛部分117。也，如线124所示，如果第二压力P2被通到传感器110，传感器110可以是一个ΔP传感器。作为选择，代替支架120、122，传感器110可以被液体悬置在室116内，例如，粘性液体。黄油、硅油或其它液体，它们提供冲击或振荡隔离，并防止传感器110碰撞外壳112的内壁。代替或除了用液体悬置传感器110以外，在传感器110和外壳112之间可以分别提供附加的径向和/或轴向垫片130、131。垫片130、131可以飘浮或附着到内部外壳壁。也，可以使用小的固体晶状球或凝胶盒(包含在小依从薄膜瓶内的液体)132。垫片130、131或球/盒132可以由依从材料造成，如Teflon、尼龙、硅酮或其它依从材料。作为选择，渔网或短袜状的网格支架134可以被附着到在传感器110相对的轴侧上的外壳112的相对的壁上。该支架134将传感器110保持在外壳112的内壁之间，但是它允许传感器110有一些运动并允许压力被传到传感器110。也，代替径向垫片130，如果期望，传感器110和外壳112的内壁之间的径向间隔Ds可以是小的(例如约3毫米)，其中有一层或一薄层液体作为保护层。可以使用任何其它悬置在外壳112内的传感器110，并提供冲击或振动隔离，并允许压力P1被传到传感器110的其它技术。
参考图27，作为选择，传感器110可以部分在受压室116之内，部分在受压室116之外。在那种情况下，传感器110的压力暴露通道48将被暴露在压力P1下，并且具有温度光栅250的轴向延伸部分251可以位于室116之外并与压力P1隔离。也，在那种情况下，可以有一个加到外壳112的选择性的附加部分121去保护轴向延伸部分251，延伸部分251创建了室125，并且光纤10通过一个馈通123脱离。作为选择，如上文讨论的那样，温度光栅250可以被暴露在压力P1下。
应当理解，本发明的玻璃封装的光纤光栅压力传感器可以被用于压缩或压缩应变(例如，随着压力增加轴向压缩出现)或张力或张力应变，例如，随着压力增加，取决于结构，轴向拉长(张力增大)或长度减小(张力减小)出现。一个基于张力的系统的例子是在管20被附着到一个基于张力的转换机构并被轴向拉的地方。例如，对于八字试块形几何结构(如图8)，部分32的内表面可以在相对的轴向被拉以将光栅12置入张力下。一个基于张力的配置在Robert J.Maron的标题为“用于苛刻环境的高灵敏度光纤光学压力传感器”的共有的共同未决的美国专利申请No.08/925598中也有描述。此专利申请在上文的背景技术部分被讨论过，这里作为参考并引入(在那种情况下，光栅预应变在张力中，并且随着压力增大张力减小)。可以使用其它使用这里的管装光栅的基于张力的配置。作为选择，对于轴向力比径向力小预定量(基于材料特性)的配置，管20可以工作在张力下(例如，当管20的轴端位于压力场之外时，参见关于图5、6和16的讨论)。
另外，如果这里讨论的弹性元件(如风箱或膜)具有比管20低的多的刚性，只有一小部分力将在弹性元件上被降低(或损耗)。在那种情况下，传感器可以被用作力转换器(1bf)。
此外，对于这里所示的任何实施例，代替光纤10穿过传感器外壳或管20，光纤10可以是单端的，即，只有光纤10的一端脱离外壳或管20。在那种情况下，光纤10的一端将在光纤10脱离管20处或在脱离点之前。作为选择，光纤10可以脱离管20的两端。但是光纤10的一端将在脱离外壳之前结束。
另外，应当理解本发明的光栅可以被用于反射和/或折射，取决于光栅的反射还是折射光被用于测量被测对象。也，这里用的术语“管”也可以意思是具有这里描述的特性的一块材料。
这里描述的室或区域34、64、74、100、116、202、306、406可以用周围的空气填充，或可以被抽空(或在其它压力下)，或者它们可以部分地或全部被用流体(液体或气体)填充，例如，油。填充流体的类型取决于基于期望应用的期望的温度时间常数，粘滞性或其它流体特性。
另外，应该理解，在工作中，一个连接到光纤10的仪器盒(未显示)，具有宽带源、一个扫描式激光器源、或其它合适的已知的光源，和具有合适的谱分析议或其它已知的光电子测量设备，在本技术领域都是众所周知的，可以被用于提供入射光14和解码和测量作为结果的、来自这里描述的传感器的、返回光的(反射16或折射18)的波长或其它光学参数的变化，例如，在美国专利5401956、5426297或5513913、或其它已知的光学设备技术中描述的。
参考图31，作为选择，一部分或全部管装光纤光栅20可以被大直径石英波导光栅600代替，例如，在标题为“大直径光学波导、光栅和激光器”的美国专利申请No.(CiDRA Docket No.CC-0230)中所描述的，那项专利申请在这里作为参考被引入。波导600具有芯612(和光纤10的芯等效)和覆层614(等效于熔合的管20和光纤10的覆层的结合物)，和嵌入其内的光栅12。波导600的总长L1和波导直径d2被设置的和管20的相同(即，从而管20在期望的光栅波长调节范围内不会弯曲)，和波导的外径至少为0.3毫米。具有覆层626和芯625的光纤622(等效于图1中的光纤10)传输光信号14，被与波导600的一个或两个轴端628连接或光耦合。使用的技术是任何已知的或还在研制中的将光纤连接或光耦合到较大的波导中的技术，为应用提供可接收的光损耗。
具有光栅600的大直径波导可以以管装光栅20在这里被使用的相同的方式被使用，其中光纤10类似于(并可与之交换)波导600的芯612。例如，波导600可以被蚀刻、研磨或磨光以获得上文结合管20描述的“八字试块”形状。作为选择，“八字试块”形可以通过加热和将两个外部管640、642熔合到波导600相对的两端上获得，和上文结合图2讨论的类似。在可行的地方，这里描述的为管20和管装光栅的所有其它可选实施例也可用于波导600，包括具有一个光纤激光器或一个DFB光纤激光器，多个光纤(或芯)、多种几何形状等。
管装光纤光栅20和大直径波导光栅600在这里可以分别被称为“光学传感元件”。在管20被熔合到光纤10的地方，管装光栅20和大直径波导光栅600具有基本相同的组成和特性，因为管装光栅20和大直径波导光栅600的端(或横)截面是连续的(或整体式的)，并且截面内由基本相同的材料造成，例如，玻璃材料、例如掺杂的或未掺杂的石英。也，在这些位置两者都有光芯和大的覆层。
另外，波导600和管装光栅20也可以共同被使用以形成这里描述的传感元件的任何给定实施例。特别地，传感元件的一个或多个轴向部分可以是管装光栅或光纤，和/或一个或多个轴向部分可以是波导600，它们被轴向连接或熔合或其它机械地和光学地连接在一起，以至于所述的波导的芯和熔合到管的光纤的芯对准。例如，传感元件的一个中间区可以是大波导，而一个或两个轴端可以是管装光纤，它们被熔合到一起，如虚线650、652所示，或者反之依然(图1、30、31)。
应当理解，为这里的任何实施例描述的尺寸、几何形状和材料，仅仅是用作举例性的目的，同样地，如果期望，可以使用任何其它尺寸、几何形状或材料，这取决于应用、尺寸、性能、制造或设计要求，或其它因素，这里按照教学的观点。
此外，应当理解，除非这里另外陈述，关于这里的一个特定实施例描述的任何特点、性质、选择或调整也可以被这里描述的任何其它实施例应用、使用或混合使用。也，这里所示的图不是定量画的。
尽管本发明根据其示范性实施例被描述和说明，但是不背离本发明的构思和范围，可以在这里或那里进行上述的和各种其它的补充和省略。
权利要求
1.一种压力传感器，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。
2.权利要求1中的设备，其中所述的传感元件包括一个光纤，所述的反射元件被嵌入其中；和一个管，其中沿着所述管的纵长轴装着所述的光纤和所述的反射元件，所述的管被熔合到至少一部分所述的光纤。
3.权利要求1中的设备，其中所述的传感元件包括一个大直径的光学波导，该波导内配置有外部覆层和内芯，并且具有至少0.3毫米的外部波导尺寸。
4.权利要求1中的压力传感器，其中所述的传感元件包括一个管，它沿着所述管的纵长轴被熔合到光纤的至少一部分；一个大直径光学波导，它其中配置有外部覆层和内芯；和所述的管和所述的波导被轴向熔合或光学耦合在一起。
5.权利要求4中的压力传感器，其中所述的反射元件被嵌入在所述的光纤中，并沿着所述的管的纵长轴被装在所述的管中。
6.权利要求4的压力传感器，其中所述的反射元件被放置在所述的光学波导中。
7.权利要求1中的压力传感器，其中所述的材料包括玻璃材料。
8.权利要求1中的压力传感器，还包括一个附着在所述传感元件的至少一部分上，由于所述的压力变化，它在所述的传感元件上施加一个轴向应力。
9.权利要求1中的压力传感器，其中所述的传感元件处于压力中。
10.权利要求2的压力传感器，其中所述的管被熔合到反射元件位于的所述的光纤中。
11.权利要求2的压力传感器，其中所述的管被熔合到在所述反射元件的相对轴侧上的所述的光纤。
12.权利要求1中的压力传感器，其中所述的反射元件是一个布拉格光栅。
13.权利要求1中的压力传感器，其中所述的反射元件具有一个特征波长，并且其中的所述的传感元件包括一个形状，该形状提供了对由于所述管上的力的变化引起的所述波长的变化的预定的灵敏度。
14.权利要求13中的压力传感器，其中所述的传感元件包括一个八字试块形状。
15.权利要求1中的压力传感器，其中所述的传感元件包括一个八字试块形，并包括在所述反射元件相对的轴端上被熔合到所述八字试块形的宽大部分的至少一部分的外部管。
16.权利要求1中的压力传感器，其中所述的传感元件的至少一部分包括一个圆筒形。
17.权利要求1中的压力传感器，其中所述的传感元件由石英造成。
18.权利要求1中的压力传感器，其中所述的传感元件在所述传感元件的至少一部分的周围包括一个套。
19.权利要求1中的压力传感器，其中所述的传感元件包括至少一个轴向伸展端。
20.权利要求1中的压力传感器，其中所述的传感元件包括至少一个外部锥形的轴向部分。
21.权利要求1中的压力传感器，其中所述的传感元件包括至少一个内部锥形的轴向部分。
22.权利要求1中的压力传感器，还包括一个放置在所述的传感元件内的一个温度反射元件，它与所述的压力反射元件热邻近，并具有随温度变化的一个温度反射波长。
23.权利要求22中的压力传感器，其中所述的温度反射波长不响应由于所述的压力的变化引起的所述压力波长的变化而变化。
24.权利要求22中的压力传感器，其中所述的温度反射波长响应由于所述压力以不同变化率变化引起的压力波长的变化而变化，而不是响应由于压力相同的变化引起的压力波长的变化。
25.权利要求2中的压力传感器，其中所述的管包括许多装在其中的光纤。
26.权利要求3中的压力传感器，其中所述的波导包括许多装在其中的光芯。
27.权利要求1中的压力传感器，其中所述的传感元件包括安排在其中的反射元件。
28.权利要求1中的压力传感器，其中所述的传感元件包括安排在其中的至少一对反射元件和所述传感元件的至少一部分在所述的一对形成激光器的元件之间被搀入稀土掺杂剂。
29.权利要求28的设备，其中所述的激光器在一个光激射波长产生激光，该波长随着所述传感元件上的力的变化而变化。
30.权利要求1的设备，其中在反射元件位置处所述传感元件的至少一部分被搀入稀土掺杂剂，并且所述的反射元件被配置成形成一个DFB激光器。
31.权利要求30的设备，其中所述的DFB激光器在一个光激射波长产生激光，该波长随着所述传感元件上的力的变化而变化。
32.权利要求1中的压力传感器，还包括一个外壳，该外壳围绕着所述的传感元件和安排在所述传感元件和所述外壳之间的悬置装置，用来将所述传感元件悬置在所述的外壳内。
33.权利要求32中的压力传感器，其中所述的悬置装置包括一种流体。
34.权利要求32中的压力传感器，其中所述的悬置装置包括流体中的垫片。
35.一种传感压力的方法，包括获得一种光学传感元件，其中沿着所述的传感元件的纵长轴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；和由于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。
36.权利要求35的方法，其中所述的传感元件包括一个光纤，所述的压力反射元件被嵌入其中；和一个管，其中沿着所述管的纵长轴装着所述的光纤和所述的反射元件，所述的管被熔合到至少一部分所述的光纤。
37.权利要求35的方法，其中所述的传感元件包括一个大直径的光学波导，该波导内配置有外部覆层和内芯，并且具有至少0.3毫米的外部波导尺寸。
38.权利要求35的方法，其中所述的应变步骤包括轴向压缩所述的传感元件。
39.权利要求36的方法，其中所述的管被熔合到反射元件位于的所述的光纤中。
40.权利要求36的方法，其中所述的管被熔合到在所述反射元件的相对轴侧上的所述的光纤。
41.权利要求35的方法，其中所述的反射元件是一个布拉格光栅。
42.权利要求35的方法，其中所述的反射元件具有一个特征波长，并且其中的所述的传感元件包括一个形状，该形状提供了对由于所述传感元件上的力的变化引起的所述波长的变化的预定的灵敏度。
43.权利要求35的方法，其中所述的传感元件包括一个八字试块形状。
44.权利要求35的方法，其中所述的传感元件包括一个八字试块形，并包括在所述反射元件相对的轴端上被熔合到所述八字试块形的宽大部分的至少一部分的外部管。
45.权利要求35的方法，其中所述的传感元件的至少一部分包括一个圆筒形。
46.权利要求35的方法，其中所述的传感元件由玻璃材料造成。
47.权利要求35的方法，其中所述的传感元件包括至少一个轴向伸展端。
48.权利要求35的方法，其中所述的传感元件包括至少一个外部锥形的轴向部分。
49.权利要求35的方法，其中所述的传感元件包括至少一个内部锥形的轴向部分。
50.权利要求35的方法，其中所述的传感元件包括一个放置在所述的传感元件内的一个温度反射元件，它与所述的压力反射元件热邻近，并具有随温度变化的一个温度反射波长。
51.权利要求50的方法，其中所述的温度反射波长不响应由于所述的压力的变化引起的所述压力波长的变化而变化。
52.权利要求50的方法，其中所述的温度反射波长响应由于所述压力以不同变化率变化引起的压力波长的变化而变化，而不是响应由于压力相同的变化引起的压力波长的变化。
53.权利要求33的方法，其中所述的传感元件包括许多装在其中的光纤。
54.权利要求34的方法，其中所述的波导包括许多装在其中的光芯。
55.权利要求32的方法，其中所述的传感元件包括安排在其中的反射元件。
56.权利要求32的方法，其中所述的传感元件包括安排在其中的至少一对反射元件和所述传感元件的至少一部分在所述的一对形成激光器的元件之间被搀入稀土掺杂剂。
57.权利要求53的方法，其中所述的激光器在一个光激射波长产生激光，该波长随着所述传感元件上的力的变化而变化。
58.权利要求32的方法，其中在反射元件位置处所述传感元件的至少一部分被搀入稀土掺杂剂，并且所述的反射元件被配置成形成一个DFB激光器。
59.权利要求55的方法，其中所述的DFB激光器在一个光激射波长产生激光，该波长随着所述传感元件上的力的变化而变化。
60.权利要求32的方法，还包括一个将所述的传感元件悬置在外壳内的步骤。
61.权利要求57的方法，其中所述的悬置步骤包括悬置在流体中。
62.权利要求57的方法，其中所述的悬置步骤包括悬置在流体中的垫片之间。
全文摘要
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。本发明也可以被用作一个力转换器。
文档编号G01J3/18GK1334920SQ99816042
公开日2002年2月6日 申请日期1999年12月6日 优先权日1998年12月4日
发明者M·R·菲尔纳尔德, T·J·拜利, M·B·米勒, J·M·沙利文, J·R·敦菲, M·A·达维斯, A·D·克西, C·J·赖特, M·A·普特纳姆, R·N·布鲁卡托, P·E·桑德尔斯 申请人:塞德拉公司