CN114964604A - 光纤压力传感器及螺旋感应光纤压力探测头的制作方法 - Google Patents

Abstract

光纤压力传感器及螺旋感应光纤压力探测头的制作方法，属于传感器制造技术领域，为了解决现有技术光纤压力传感器稳定差，检测范围较窄，不能在高温高压场景中使用的问题，提出一种光纤压力传感器，其由宽带光源、光纤隔离器、光环形器、螺旋感应光纤压力探测头和光谱仪组成；宽带光源与光隔离器的一端相接，光隔离器的另一端与光环形器的a端相接，光环形器的b端与螺旋感应光纤压力探测头相接，然后光环形器的c端与光谱仪相接。本发明拓宽了压力传感的设计结构方式，其压力检测范围大，能适合高压环境的检测，克服了现有光纤压力传感器易受外界环境干扰、检测范围窄，制作困难的特点。可应用于化工装备、环境、冶金、军工航空安全检测等领域。

Description

光纤压力传感器及螺旋感应光纤压力探测头的制作方法

技术领域

发明涉及光纤压力传感器及螺旋感应光纤压力探测头的制作方法，属于传感器制造技术领域，该传感器可应用于化工装备、环境、冶金、军工航空安全检测等诸多领域。

背景技术

光纤传感器与传统电子传感器相比，其具有灵敏度高、体积小、易于远程控制、耐海水腐蚀、化学惰性高、抗辐射抗电磁能力强、可应用于严苛环境等优点，是目前最主要的传感器技术之一。近期，随着MIMO多入多出信号处理技术不断完善，基于模分复用的光纤通信系统，在智慧城市，万物互联中具有重要的应用。其中光纤传感器作为通信系统中的重要节点，在物联网、智能汽车、工业安全生产检测等方面具有广泛的应用。全光纤模式干涉传感器更因其较大的检测灵敏度而逐渐受到人们的关注。

中国专利公开号为“CN109459164 B”，专利名称为“一种光纤压力传感器及其制作方法”，该光纤压力传感器包括信号发射与接收装置、传输光纤和压力探测装置，其中，传输光纤包括与信号发射与接收装置连接的光入射端、与压力探测装置连接的光反射端，压力探测装置包括介质存储腔、折射率敏感介质和弹性膜片，介质存储腔具有与传输光纤的轴向方向平行的开口端，传输光纤的光反射端的纤芯面与介质存储腔的沿腔长方向的内侧面构成法布里-罗谐振腔的两个反射面，介质存储腔内填充有折射率敏感介质，并通过弹性膜片密封其开口端。该弹性膜片形变引起折射率敏感介质的折射率变化，弹性膜片可作为压力传感器的压力感应面，用于测量从传输光纤的侧面施加的压力。

然而，该结构因有弹性膜片，非全光纤结构的设计使得光纤与弹性膜片的固定难以实施，这就需要增加光纤与弹性膜片的结合强度，所以其易受外界环境干扰而损坏、实用性差。另外由于该专利原理是依靠弹性膜片形变引起折射率敏感介质的折射率变化，用于测量压力，导致该类型光纤传感器使用范围较小，不能在高温高压环境中使用。

发明内容

本发明为了解决现有技术光纤压力传感器稳定差，检测范围较窄，不能在高温高压场景中使用的问题，提出了一种基于模式干涉的螺旋结构光纤压力传感器。

本发明采取如下技术方案：

光纤压力传感器，其由宽带光源、光纤隔离器、光环形器、螺旋感应光纤压力探测头和光谱仪组成；宽带光源与光隔离器的一端相接，光隔离器的另一端与光环形器的a端相接，光环形器的b端与螺旋感应光纤压力探测头相接，然后光环形器的c端与光谱仪相接。

螺旋感应光纤压力探测头的制作方法，其特征是，该方法包括以下步骤

步骤1：准备一个半径r，长度为L，壁厚为c'的外钢管，用铣刀在外钢管内壁上部分制作一段深度为c的螺旋导槽，导程为H，在外钢管下部分制作一端深度为c的直线导槽，对开清洗后备用；

步骤2：制作两个半径为r，厚度为σ的圆盘，在上下圆盘的侧边分别安装一个凸起导头，凸出长度为c，然后将两个圆盘中间通过一个钢管连接，上圆盘与内钢管口由活动轴承连接，下圆盘与内钢管固定，下圆盘中心开一个小孔，方便光纤穿过；

步骤3：制作组合光纤器件；利用熔接机将依次单模光纤一、多模光纤、四模光纤，多模光纤，单模光纤二和法拉第旋转镜熔接在一起；

步骤4：最后将外钢管对开，把一个弹性模量为k的压缩弹簧和其它部件依次放入外钢管中，这里需将上圆盘凸起导头放入螺旋导槽，将下圆盘凸起导头放入直线导槽，对零部件预拉紧后，重新将外钢管封装。

本发明的有益效果是：本发明拓宽了压力传感的设计结构方式，其压力检测范围大，能适合高压环境的检测，克服了现有光纤压力传感器易受外界环境干扰、检测范围窄，制作困难的特点。首先，该传感器基本原理是将光纤组合结构固定在螺旋封装器中，利用待测环境中压强的增减转化为组合光纤扭转角度的变化，进而引起干涉光谱的平移，实现一种高压全光传感器测量避免了传感器与检测介质的直接接触，适用范围广；其次本发明中可以通过调整不同劲度系数的弹簧，可以实现在不同压力范围值下地高精度检测；最后，本发明采用全光纤结构，性能稳定，易于与光纤系统集成。且成本较低，具有较高的性价比。

基本原理是将螺旋光纤结构光纤固定在螺旋封装器中，利用待测环境中压强的增减转化为螺旋光纤结构光纤扭转角度的变化，进而引起干涉光谱的平移，实现一种高压全光传感器测量。

附图说明

图1为本发明所述光纤压力传感器结构示意图。

图2为本发明所述螺旋感应光纤压力探测头结构示意图。

图3为本发明所述螺旋感应组合光纤结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，光纤压力传感器，其由宽带光源1、光纤隔离器2、光环形器3、螺旋感应光纤压力探测头4和光谱仪5组成。宽带光源1与光隔离器2的一端相接，光隔离器2的另一端与光环形器3的a端相接，光环形器3的b端与螺旋感应光纤压力探测头4相接，然后光环形器3的c端与光谱仪5相接。

如图2所示，螺旋感应光纤压力探测头4，其由外钢管4-1，螺旋导槽4-2，直线导槽4-3，上圆盘4-4、下圆盘4-5，内钢管4-6，活动轴承4-7，组合光纤4-8、压缩弹簧4-9组成。在外钢管4-1中上部和下部分别铣出螺旋导槽4-2和直线导槽4-3。压缩弹簧4-9设置在外钢管4-1的底部，下圆盘4-5设置在压缩弹簧4-9上端，上圆盘1-4和下圆盘4-5中间通过一个内钢管4-6连接，上圆盘4-4与内钢管4-6口由活动轴承4-7连接，下圆盘4-5与内钢管4-6固定，下圆盘4-5中心开一个小孔。上圆盘4-4、下圆盘4-5和内钢管4-6构成一个整体。组合光纤中4-8-5上端固定在上圆盘4-4上，组合光纤中4-8-1下端固定在下圆盘4-5上且穿过小孔。

如图3所示，组合光纤4-8由单模光纤一4-8-1、多模光纤4-8-2、四模光纤4-8-3、多模光纤4-8-4、单模光纤二4-8-5和法拉第旋转镜4-8-6依次熔接构成。单模光纤4-8-1固定在下圆盘4-5上，且端部穿过下圆盘4-5中心的小孔与外部光纤熔接，单模光纤二4-8-5固定在上圆盘4-4上，法拉第旋转镜4-8-6固定在单模光纤二4-8-5的端部。

如图1所示，宽带光源1发出信号光，进入光纤隔离器2中，此处的光纤隔离器2起到信号光定向传输的作用，使得反射回的信号光不能进入宽带光源1。信号光经过光纤隔离器2后，依次进入光环形器3的a端和螺旋感应光纤压力探测头4，经过螺旋感应光纤压力探测头4调制后，再次进入光环形器3中，反射回的信号光由光环形器3的c端口出射，出射光进入光谱仪5中。

如图2所示，螺旋感应光纤压力探测头4在外界压力的增大时，上圆盘4-4、下圆盘4-5，内钢管4-6，活动轴承4-7构成的组件会整下向下移动。其中上圆盘4-4会沿着螺旋导槽4-2，向下螺旋旋转移动。下圆盘4-5和内钢管4-6整体沿着直线导槽4-3，向下直线移动。在外界压力和压缩弹簧4-9提供的支撑力平衡后，上圆盘4-4、下圆盘4-5，内钢管4-6，活动轴承4-7构成的组件停止移动。

如图3所示，信号光由单模光纤一4-8-1进入多模光纤4-8-2中，此处多模光纤4-8-2将信号光由单模信号光转化成多模信号光。其中一部分多模信号光进入四模光纤4-8-3包层中传输，另一部分信号光进入四模光纤4-8-3纤芯中传输。这两部分信号光共同进入到多模光纤4-8-4后，会叠加形成干涉光。在外界压力值变化时，螺旋感应光纤压力探测头4中上圆盘4-4会带动四模光纤4-8-3扭转，引起四模光纤4-8-3包层折射率变化，进而对干涉光进行调制。调制后干涉光经单模光纤二4-8-5传输，经法拉第旋转镜4-8-6反射，再依次经过单模光纤二4-8-5、多模光纤4-8-4、四模光纤4-8-3、多模光纤4-8-2、和单模光纤一4-8-1后进入光路中。

螺旋感应光纤压力探测头4的制作方法，包括以下步骤

外钢管4-1，螺旋导槽4-2，直线导槽4-3，上圆盘4-4、下圆盘4-5，内钢管4-6，活动轴承4-7，组合光纤4-8、压缩弹簧4-9组成。

步骤1：准备一个半径r，长度为L，壁厚为c'的不锈钢外钢管4-1，材质为304(以下表述出现的钢管都为不锈钢304材质)。用铣刀在外钢管4-1内壁上部分制作一段深度为c的螺旋导槽4-2，导程为H(定义：圆盘旋转一周时，圆盘在Z轴方向移动的距离)，在外钢管4-1下部分制作一端深度为c的直线导槽4-3，对开清洗后备用。

步骤2：制作两个半径为r，厚度为σ的圆盘，即上圆盘4-4、和下圆盘4-5，在上下圆盘的侧边分别安装一个凸起导头(凸出长度为c)。然后将两个圆盘中间通过一个内钢管4-6连接，上圆盘4-4与内钢管4-6口由活动轴承4-7连接，下圆盘4-5与内钢管4-6固定，下圆盘4-5中心开一个小孔，方便光纤穿过。

步骤3：制作组合光纤4-8。利用熔接机将依次单模光纤一4-8-1、4.5mm多模光纤4-8-2、4cm四模光纤4-8-3，4.5mm多模光纤4-8-4，单模光纤二4-8-5、法拉第旋转镜4-8-6熔接在一起。

步骤4：最后将外钢管4-1对开，把一个弹性模量为k的压缩弹簧4-9和其他部件依次放入外钢管4-1中，这里需将上圆盘4-4凸起导头放入螺旋导槽4-2中，将下圆盘4-5凸起导头放入直线导槽4-3中，对零部件预拉紧后，重新将外钢管4-1封装。

Claims (4)

1.光纤压力传感器，其特征是，其由宽带光源(1)、光纤隔离器(2)、光环形器(3)、螺旋感应光纤压力探测头(4)和光谱仪(5)组成；宽带光源(1)与光隔离器(2)的一端相接，光隔离器(2)的另一端与光环形器(3)的a端相接，光环形器(3)的b端与螺旋感应光纤压力探测头(4)相接，然后光环形器(3)的c端与光谱仪(5)相接。

2.根据权利要求1所述的光纤压力传感器，其特征在于，所述螺旋感应光纤压力探测头(4)，其由外钢管(4-1)、螺旋导槽(4-2)、直线导槽(4-3)、上圆盘(4-4)、下圆盘(4-5)、内钢管(4-6)，活动轴承(4-7)，组合光纤(4-8)和压缩弹簧(4-9)组成；在外钢管(4-1)中上部和下部分别铣出螺旋导槽(4-2)和直线导槽(4-3)，压缩弹簧(4-9)设置在外钢管(4-1)的底部，下圆盘(4-5)设置在压缩弹簧(4-9)上端，上圆盘(1-4)和下圆盘(4-5)中间通过一个内钢管(4-6)连接，上圆盘(4-4)与内钢管(4-6)口由活动轴承(4-7)连接，下圆盘(4-5)与内钢管(4-6)固定，下圆盘(4-5)中心开一个小孔；上圆盘(4-4)、下圆盘(4-5)和内钢管(4-6)构成一个整体；组合光纤(4-8)中上端固定在上圆盘(4-4)上，组合光纤(4-8)中下端固定在下圆盘(4-5)上且穿过小孔。

3.根据权利要求1所述的光纤压力传感器，其特征在于，所述组合光纤(4-8)由单模光纤一(4-8-1)、多模光纤(4-8-2)、四模光纤(4-8-3)、多模光纤(4-8-4)、单模光纤二(4-8-5)和法拉第旋转镜(4-8-6)依次熔接构成；单模光纤(4-8-1)固定在下圆盘(4-5)上，且端部穿过下圆盘(4-5)中心的小孔与外部光纤熔接，单模光纤二(4-8-5)固定在上圆盘(4-4)上，法拉第旋转镜(4-8-6)固定在单模光纤二(4-8-5)的端部。

4.螺旋感应光纤压力探测头的制作方法，其特征是，该方法包括以下步骤

步骤1：准备一个半径r，长度为L，壁厚为c'的外钢管，用铣刀在外钢管内壁上部分制作一段深度为c的螺旋导槽，导程为H，在外钢管下部分制作一端深度为c的直线导槽，对开清洗后备用；

步骤2：制作两个半径为r，厚度为σ的圆盘，在上下圆盘的侧边分别安装一个凸起导头，凸出长度为c，然后将两个圆盘中间通过一个钢管连接，上圆盘与内钢管口由活动轴承连接，下圆盘与内钢管固定，下圆盘中心开一个小孔，方便光纤穿过；

步骤3：制作组合光纤器件；利用熔接机将依次单模光纤一、多模光纤、四模光纤，多模光纤，单模光纤二和法拉第旋转镜熔接在一起；

步骤4：最后将外钢管对开，把一个弹性模量为k的压缩弹簧和其它部件依次放入外钢管中，这里需将上圆盘凸起导头放入螺旋导槽，将下圆盘凸起导头放入直线导槽，对零部件预拉紧后，重新将外钢管封装。

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