增敏型准分布光纤压力传感器的制作方法

本实用新型涉及光纤传感技术领域，尤其是一种增敏型准分布光纤压力传感器。

背景技术：

众所周知的：随着科学技术的飞速发展，由压力传感器制作的电子衡器也广泛地应用到各行各业，实现了对压力的快速、准确的称量，然而目前所广泛使用的基于电磁技术的压力传感器难以应用于如发电厂、变电站、油气井、化工厂等要求严格，条件复杂的环境中。由于光纤传感器具有灵敏度高，体积小，电绝缘性好，耐高温，抗电磁干扰，频带宽，可实现不带电的全光性探头等优点。光纤传感技术被广泛应用于强电磁环境及油、气、化工等生产销售场所。有效利用光纤传感器的这类特性所研制的压力传感器可以有效克服电磁技术压力传感器的不足，为加快建设智能化工厂、油气井、发电站提供有力的支持。

目前研究最多的光纤压力传感器主要可分为法布里-珀罗干涉式和光纤光栅式。这两种光纤压力传感器均具有较高的灵敏度，与较好的线性度，然而法布里-珀罗腔对环境的湿度、洁净度要求较高，无法适应恶劣的环境条件，且制作成本与精度要求都很高，较难实现准分布及大规模使用。光纤光栅式压力传感器主要存在测量范围较小，温度影响较大的问题。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种对温度不敏感，多路复用，受力面积、测量灵敏度、测量范围可调，成本低廉，性能稳定，易于更换的增敏型准分布光纤压力传感器。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：增敏型准分布光纤压力传感器，包括压力面板、缠绕光纤的弹性柱体、参考光纤固定槽、底部外壳、限位伸缩杆、光纤适配器；

所述缠绕光纤的弹性柱体位于底部外壳上；所述压力面板位于缠绕光纤的弹性柱体上方；所述缠绕光纤的弹性柱体中间设置有矩形通孔；所述底部外壳的上表面以及压力面板的下表面均设置有与矩形通孔匹配的凸台；所述参考光纤固定槽内设置有参考光纤；所述缠绕光纤的弹性柱体上设置有传感光纤；所述光纤适配器设置在底部外壳上；所述参考光纤与传感光纤的输入与输出端均与光纤适配器电连接；所述限位伸缩杆设置在压力面板与底部外壳之间。

优选的，所述的弹性柱体的材料可以是橡胶、硅胶、树脂弹性材料中的一种。

进一步的，所述的光纤压力传感器包括一个或者多个压力面板、缠绕光纤的弹性柱体、参考光纤固定槽；且所述压力面板、缠绕光纤的弹性柱体、参考光纤固定槽相互一一对应；所述缠绕光纤的弹性柱体上设置有传感光纤；所述参考光纤固定槽内设置有参考光纤；所述光纤适配器设置在底部外壳上；所述参考光纤与传感光纤的输入与输出端均与光纤适配器电连接；所述限位伸缩杆设置在压力面板与底部外壳之间。

具体的，所述限位伸缩杆包括顶部固定法兰、活动杆、活动腔、底部固定法兰；所述底部固定法兰上设置有支撑柱；所述支撑柱呢设置有活动腔；所述活动杆一端设置有顶部固定法兰；所述活动杆另一端插入到活动腔内，且与活动腔适配。

进一步的，所述弹性柱体外表面设计有螺纹，感应光纤沿螺纹缠绕在柱体表面，且在感应光线外侧涂刷一层硅胶。

进一步的，每个参考光纤固定槽中的参考光纤长度均不同。

本实用新型的有益效果是：本实用新型所述的增敏型准分布光纤压力传感器，具有以下优点：

(1)本实用新型所述的增敏型准分布光纤压力传感器，仅使用一套光源、光电探测器、光路扫描系统，实现多点准分布测量。

(2)本实用新型所述的增敏型准分布光纤压力传感器，体积小、重量轻、成本低廉、几何形状可塑。

(3)本实用新型所述的增敏型准分布光纤压力传感器，对于不同的测量需求，只需更换相应规格的压力传感箱，无需更换光源、光电探测器等其他器件，方便快捷。

进一步的在使用过程中，具有以下优点：

(4)本实用新型所述的增敏型准分布光纤压力传感器，有源与无源器件相互分离设计不仅可以实现远距离测量还能够在强电磁干扰、易燃易爆、高温潮湿环境下工作。

(5)本实用新型所述的增敏型准分布光纤压力传感器，在使用的过程中压力传感箱内部设置有温度补偿措施，可降低温度变化对测量数据的影响。

(6)本实用新型提出的增敏型准分布光纤压力传感器，采用推挽式扫描系统可以有效提高扫描镜移动距离的利用率且方便区分两个不同的区域的光纤压力传感器。

附图说明

图1是本实用新型实施例中增敏型准分布光纤压力传感器的立体图；

图2是本实用新型实施例中为限位伸缩杆剖面图；

图3是本实用新型实施例中准分布光纤压力传感器拆分结构示意图；

图4是本实用新型实施例中增敏型准分布光纤压力传感器的测量系统图；

图中标示：1-宽光谱光源；2-光电探测器；3-光纤耦合器；41-传感光路输入光纤；42-参考光路输入光纤；43-传感光路输出光纤；44-参考光路输出光纤；5-1×n光纤分束器；6-增敏型准分布光纤压力传感器；7-双面反射镜；8-光纤自聚焦透镜；9-扫描位移台；10-推挽式光路扫描系统，11-压力面板；12-缠绕光纤的弹性柱体；13-参考光纤固定槽；14-底部外壳；15- 限位伸缩杆；16-光纤适配器；17-顶部固定法兰；18-活动杆；19-活动腔；20-底部固定法兰。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

如图1至图3所示，本实用新型所述的增敏型准分布光纤压力传感器，包括压力面板11、缠绕光纤的弹性柱体12、参考光纤固定槽13、底部外壳14、限位伸缩杆15、光纤适配器16；

所述缠绕光纤的弹性柱体12位于底部外壳14上；所述压力面板11位于缠绕光纤的弹性柱体12上方；所述缠绕光纤的弹性柱体12中间设置有矩形通孔；所述底部外壳14的上表面以及压力面板11的下表面均设置有与矩形通孔匹配的凸台；所述参考光纤固定槽13内设置有参考光纤；所述缠绕光纤的弹性柱体12上设置有传感光纤；所述光纤适配器16设置在底部外壳14上；所述参考光纤与传感光纤的输入与输出端均与光纤适配器16电连接；所述限位伸缩杆15设置在压力面板11与底部外壳14之间。

具体的，压力面板11顶部承受压力，并将压力传递给缠绕光纤的弹性柱体12，缠绕光纤的弹性柱体12中间开有矩形通孔，配合压力面板11底部和底部外壳13顶部的矩形凸台将三者锁定，避免旋转对压力传感器的测量造成影响。底部外壳内开有参考光纤固定槽13 用于放置参考光纤，进而减小温度误差。参考光纤与缠绕在弹性柱体上的传感光纤输入与输出端均与光纤适配器16连接。限位伸缩杆15将压力面板11和底部外壳13固定连接起到保护内部光路传感系统作用，并使压力面板11对缠绕光纤的弹性柱体12产生轻微挤压，起到固定与增敏的效果。

在应用的过程中：

该增敏型准分布光纤压力传感器的测量系统包括：宽光谱光源1、光电探测器2、推挽式光路扫描系统3、光纤耦合器4、1×n光纤分路器5、增敏型准分布光纤压力传感器6、双面反射镜7；光纤自聚焦透镜8；扫描位移台9；具体的连接结构示意图，如图4所示。

所述宽光谱光源1、推挽式光路扫描系统3、传感光路输入光纤41与一个1×n光纤分路器5依次连接；

所述宽光谱光源1、推挽式光路扫描系统3、参考光路输入光纤42与一个1×n光纤分路器5依次连接；

所述光电探测器2、推挽式光路扫描系统3、传感光路输入光纤41与一个1×n光纤分路器5依次连接；

所述光电探测器2、推挽式光路扫描系统3、参考光路输入光纤42与一个1×n光纤分路器5依次连接；

所述1×n光纤分路器5的每条光纤分路上连接有增敏型准分布光纤压力传感器6；

所述增敏型准分布光纤压力传感器6的传感光路输出光纤与一个1×n光纤分路器5连接；然后1×n光纤分路器5的参考光路输出光纤44依次与光纤自聚焦透镜8、扫描位移台9 连接，最终射向双面反射镜7；

所述增敏型准分布光纤压力传感器6的参考光路输出光纤与一个1×n光纤分路器5连接；然后1×n光纤分路器5的传感光路输出光纤43与光纤自聚焦透镜8、扫描位移台9连接，最终射向双面反射镜7。

所述的一种的增敏型准分布光纤压力传感器，其特征在于：该系统使用的宽光谱光源是 LED光源、SLD光源、ASE光源中的一种。

具体的，所述的推挽式光程扫描系统10由双面反射镜7、光纤自聚焦透镜8、扫描位移台9构成。

具体的，所述增敏型准分布光纤压力传感器6的外形设计可以是矩形结构、方形结构、圆柱结构或其它形状结构。

具体的，所述的弹性柱体12的材料可以是橡胶、硅胶、树脂等弹性材料中的一种。所述的不同型号弹性柱体12可依据待测压力的范围、所需的灵敏度、受力面积等需求而制定。所述的缠绕于弹性柱体12的光纤长度可依据测量需求而定。进一步的，所述的1×n光纤分束器5可以集成在增敏型准分布光纤压力传感器6内部。

该增敏型准分布光纤压力传感器的测量系统引入推挽式光程扫描系统10，即将传感光路和参考光路的输出分别接在扫描台的两端，利用光纤自聚焦透镜将两路光束垂直打在双面扫描镜的两面，通过反射效应两束光将原路返回到各自的光路中。该结构的引入可以有效替代光纤法拉第旋转镜，降低传感器成本。

宽光谱光源发出的光通过光纤耦合器和1×n光纤分路器5分别进入增敏型准分布光纤压力传感器6中的各级传感光路与参考光路，通过1×n光纤分路器5将各级传感光路与参考光路的出射光分别合成为一束光并通过光纤自聚焦透镜输出到双平面反射镜的两面并反射回各自光路后通过光电探测器进行探测。由于各级的参考光路光程不同，通过双平面反射镜的不断扫描，可以从光电探测器中探测到一系列对应的干涉条纹。当有压力作用于压力面板时与之对应的弹性柱体发生形变，使缠绕在弹性柱体上的传感光路光程发生变化，使对应的干涉条纹发生移动，通过读取各级的干涉条纹的移动距离可以实现准分布压力测量。

本实用新型提出的基于光纤白光干涉原理的增敏型准分布光纤压力传感器主要是依据压力面板上承受的压力与白光干涉条纹移动距离的线性关系，以此实现压力的测量。

为了更好地理解该测量方法，我们针对双面扫描镜的扫描移动距离X与单个待压力的线性关系做出详细地解释与说明。

当对处于传感光路的弹性柱体12施加压力的时候，弹性柱体12横向膨胀，缠绕在弹性柱上的光纤受到轴向作用力产生拉伸，导致传感光路的光程增大，为使传感光路与参考光路的光程再次处于相等状态，双面扫描镜向传感光路方向移动了X的距离。

设此时缠绕在弹性柱12的光纤拉伸，折射率变化。

则：

Δ(Ln)＝2X (1)

现定义：

ΔS＝2X (2)

将式1与式2合并得到：

ΔS＝Δ(nL)＝nΔL+LΔn (3)

光纤的拉伸可以认为光纤只受到轴向应变εz，从而ΔL可以表示为:

ΔL＝Lεz (4)

折射率的变化可以表示为：

将式4，式5代入式3中：

这里，表示光纤的等效折射率。对于硅基材料，在波长λ＝1300nm处，参数n＝1.46、ν＝0.25、ρ11＝0.12、ρ12＝0.27。利用这些数据可以计算等效折射率为ne＝1.19。

将式4代入式6可得：

ΔS＝neΔL (7)

设弹性柱体所受轴向压力m与其周长C在一定范围内存在线性关系C＝f(m)，则缠绕在弹性柱体上的光纤拉伸：

ΔL＝[f(m)-f(0)]a (8)

其中a是长度为L的传感光纤缠绕在周长为f(0)的弹性柱上的圈数：

将式2，式8，式9代入式7可以得到弹性柱所受压力m与双面扫描镜移动距离X的关系式：

因此，根据式10我们可以由双面扫描镜移动距离X得出待测压力。

对于使用多个压力传感光路而言，利用1×n光纤分路器将其进行连接，且各个光纤压力传感器内部的传感光路与参考光路光程之差的绝对值呈递增趋势，从而实现各自白光干涉条纹的区分，实现准分布压力测量。

综上所述，本实用新型所述的增敏型准分布光纤压力传感器，具有以下优点：

(1)本实用新型所述的增敏型准分布光纤压力传感器，仅使用一套光源、光电探测器、光路扫描系统，实现多点准分布测量。

(2)本实用新型所述的增敏型准分布光纤压力传感器，体积小、重量轻、成本低廉、几何形状可塑。

(3)本实用新型所述的增敏型准分布光纤压力传感器，对于不同的测量需求，只需更换相应规格的压力传感箱，无需更换光源、光电探测器等其他器件，方便快捷。

进一步的在使用过程中，具有以下优点：

(4)本实用新型所述的增敏型准分布光纤压力传感器，有源与无源器件相互分离设计不仅可以实现远距离测量还能够在强电磁干扰、易燃易爆、高温潮湿环境下工作。

(5)本实用新型所述的增敏型准分布光纤压力传感器，在使用的过程中压力传感箱内部设置有温度补偿措施，可降低温度变化对测量数据的影响。

(6)本实用新型提出的增敏型准分布光纤压力传感器，采用推挽式扫描系统可以有效提高扫描镜移动距离的利用率且方便区分两个不同的区域的光纤压力传感器。

为了简化结构降低成本，具体的，所述的弹性柱体12的材料可以是橡胶、硅胶、树脂弹性材料中的一种。

为了提高测量精度，避免外界因素的对测量的干扰，进一步的，所述的光纤压力传感器包括一个或者多个压力面板11、缠绕光纤的弹性柱体12、参考光纤固定槽13；且所述压力面板11、缠绕光纤的弹性柱体12、参考光纤固定槽13相互一一对应；所述缠绕光纤的弹性柱体12上设置有传感光纤；所述参考光纤固定槽13内设置有参考光纤；所述光纤适配器16 设置在底部外壳14上；所述参考光纤与传感光纤的输入与输出端均与光纤适配器16电连接；所述限位伸缩杆15设置在压力面板11与底部外壳14之间。

为了简化结构，并且便于限位伸缩杆15的伸缩限位，具体的，所述限位伸缩杆15包括顶部固定法兰17、活动杆18、活动腔19、底部固定法兰20；所述底部固定法兰20上设置有支撑柱；所述支撑柱呢设置有活动腔19；所述活动杆18一端设置有顶部固定法兰17；所述活动杆18另一端插入到活动腔19内，且与活动腔19适配。

为了便于光纤在弹性柱体12上的固定，进一步的，所述弹性柱体12外表面设计有螺纹，感应光纤沿螺纹缠绕在柱体表面，且在感应光线外侧涂刷一层硅胶。

对于准分布测量而言，为实现干涉条纹得区分，进一步的，每个参考光纤固定槽13中的参考光纤长度均不同。光纤压力传感器内部各个参考光纤固定槽中的光纤长度均不同，具体长度差可根据测量需求而定。

实施例

本实用新型构造了一种利用光纤白光干涉原理实现的光纤压力传感器。在应用的过程中采用对应的增敏型准分布光纤压力传感器的测量系统，该测量系统包括宽光谱光源1、光电探测器2、推挽式光路扫描系统10、光纤耦合器3、1×n光纤分路器5、压力传感箱构成6，如图4所示，其中推挽式光路扫描系统由扫描位移台9，双面扫描镜7，光纤自聚焦透镜8构成。

增敏型准分布光纤压力传感器6包括压力面板11、缠绕光纤的弹性柱体12、参考光纤固定槽13、限位伸缩杆15、光纤适配器16、底部外壳14；压力面板11上部承受压力，弹性柱体12为压力增敏装置，缠绕于弹性柱体上的光纤作为传感光路，底部外壳内设有参考光纤固定槽13可以固定参考光路光纤，传感光纤光路和参考光纤光路的输入与输出端均与安装在底部封装壳上的光纤适配器16连接，压力面板11与底部外壳14通过伸缩限位杆15连接进而将整个内部压力传感系统固定并保护。

本实施例中光纤压力传感器6的压力面板11与底部外壳14由3D打印而成。弹性柱体 12由模具硅胶浇铸而成，其具体制作方式为：

(1)通过3D打印的方式制作半径为80mm，高度30mm，内壁带有螺旋凹槽，中心为边长 30mm方柱的浇铸模具；

(2)将脱模剂均匀涂覆在浇铸模具内部，倒入调好的模具硅胶，待其凝固完全后即可得到所需的弹性柱体；

(3)将2m长的单模光纤缠绕在弹性柱体的螺旋凹槽内，避免光纤相互挤压；

(4)再次用相同的模具硅胶对弹性橡胶柱外表面进行刷涂，从而将光纤进行固定与保护。

本实施例的测量过程为：

(1)根据设计光路连接各个器件；

(2)系统初始化；

(3)采用光程扫描的方法，通过双面扫描镜7的不断扫描得到一系列白光干涉信号，并记录各个白光干涉条纹中央主极大的初始位置为a1,a2,a3…an。

(4)对压力面板11的中心位置施加压力，待系统稳定后再次采用光程扫描的方法，得到一系列白光干涉信号并标记此时中央主极大干涉条纹的位置为b1,b2,b3…bn；

(5)逐渐增大压力并记录干涉条纹的移动距离，得到压力与干涉条纹移动距离的线性关系，从而进行标定，即可对待测进行测量。

本实施例中对于单点压力所得数据线性范围中的最小检测压力为0.05N，最大检测压力为1000N，分辨率为0.05N/μm。

本实用新型提供了一种基于光纤白光干涉原理的增敏型准分布光纤压力传感器，该压力传感器不仅能够在强电磁干扰及易燃易爆环境下工作，还具有对温度不敏感，多路复用，受力面积、测量灵敏度、测量范围可调，成本低廉，性能稳定，易于更换的优点。可应用于科学研究中对非均匀质量物质的重力测量，发电厂、燃气厂等油、气、化工生产销售场所计量检测。