CN214793587U - 基于游标效应的微泡型高温压力光纤传感器 - Google Patents
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Abstract
一种基于游标效应的微泡型高温压力光纤传感器，三分贝耦合器上并设有光纤测量臂和光纤参考臂，光纤测量臂为第一单模光纤的尾端设有第一多模光纤，第一单模光纤与三分贝耦合器相连，第一单模光纤的纤芯上刻有热重生光栅，第一多模光纤的尾端伸入到第一石英毛细管内，第一石英毛细管的一端固设在第一单模光纤上、另一端为球形泡形成第一法布里珀罗干涉腔，热重生光栅位于第一石英毛细管内，球形泡外侧镀有高反射率膜，光纤参考臂为第二单模光纤的尾端设有第二多模光纤，第二多模光纤从石英毛细管一端伸入到第二石英毛细管内，第二石英毛细管的另一端设有第三单模光纤，在第二石英毛细管内形成第二法布里珀罗干涉腔，第三单模光纤的尾端端面为斜面。
Description
技术领域
本实用新型属于光纤传感技术领域，具体涉及到基于游标效应的微泡型高温压力光纤传感器。
背景技术
近年来，基于法布里-珀罗干涉仪的光纤压力传感器因其结构简单、传感头体积小、抗电磁干扰、信号检测方便等优点而受到越来越多的关注。与此同时温度传感广泛应用于国防、工业、民生领域，温度传感的类型也多种多样，常见的有接触式或者非接触式两种，但是同时测量温度和压力两个参量的光纤传感器尚在研究阶段，已知的光纤高温压力传感器主要存在的问题有灵敏度低、温度和压力等其他参量相互影响、制作成本高等。而游标效应已被提出来显著提高光纤温度、应变、气流、折射率和曲率传感器的灵敏度。游标效应可以通过在传感系统中增加一个萨格纳克环路或参考法布里珀罗腔在双光束法布里珀罗腔中实现，也可以通过匹配三个反射镜的间隔距离在三光束法布里珀罗腔中产生，而不会对传感器尺寸产生明显影响。为了解决现存的温度与压力等其他参量相互影响的问题，提出一种易于制造，成本低廉，测量结果准确的高温压力光纤传感器是非常有必要的。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种设计合理、制作简单、体积小、灵敏度高的的基于游标效应的微泡型高温压力光纤传感器。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种基于游标效应的微泡型高温压力光纤传感器，三分贝耦合器上并联设置有光纤测量臂和光纤参考臂，光纤测量臂为第一单模光纤的尾端设置有第一多模光纤，第一单模光纤与三分贝耦合器相连，第一单模光纤的纤芯上刻有热重生光栅，第一多模光纤的尾端伸入到第一石英毛细管内，第一石英毛细管的一端固设在第一单模光纤上、另一端为球形泡形成第一法布里珀罗干涉腔，热重生光栅位于第一石英毛细管内，球形泡外侧镀有高反射率膜，第一单模光纤、第一多模光纤、第一石英毛细管的中心线重合，光纤参考臂为第二单模光纤的尾端设置有第二多模光纤，第二单模光纤与三分贝耦合器相连，第二多模光纤从第二石英毛细管一端伸入到第二石英毛细管内，第二石英毛细管固设在第二单模光纤上，第二石英毛细管的另一端设置有第三单模光纤，在第二石英毛细管内形成第二法布里珀罗干涉腔，第二单模光纤、第二多模光纤、第二石英毛细管、第三单模光纤的中心线重合，第三单模光纤的尾端端面为斜面。
作为一种优选的技术方案，所述的热重生光栅的栅区长度为10～15mm，中心波长为1553nm。
作为一种优选的技术方案，所述的第一单模光纤～第三单模光纤的纤芯直径相同、包层外径相同。
作为一种优选的技术方案，所述的第一单模光纤和第二单模光纤的长度相同，为20～25cm，第三单模光纤的长度为150～200μm。
作为一种优选的技术方案，所述的第一石英毛细管与第二石英毛细管的内径相等、外径相等。
作为一种优选的技术方案，所述的第一多模光纤和第二多模光纤的纤芯直径相等、包层外径相等、长度相等。
作为一种优选的技术方案，所述的第一多模光纤的纤芯直径为62.5μm、包层外径为125μm、长度为260μm。
作为一种优选的技术方案，所述的第一多模光纤尾端面至第一石英毛细管球形泡壁的水平距离比第二多模光纤尾端面至第三单模光纤端面的水平距离小2～5μm，所述的第一多模光纤尾端面至第一石英毛细管球形泡壁的水平距离为350～450μm。
作为一种优选的技术方案，所述的第三单模光纤的尾端斜面倾斜角度为40°～60°。
作为一种优选的技术方案，所述的高反射率膜为金膜或铝膜或铜膜或银膜。
本实用新型的有益效果如下：
本实用新型利用光纤法布里珀罗干涉结构良好的压力响应特点和热重生光纤光栅优异的高温稳定性(1000℃)，采用了参考臂和测量臂并联成游标效应的形式，当环境温度升高时，热重生光纤光栅的中心波长会发生明显的漂移，可获得较高的温度灵敏度；当环境气压升高时，测量臂中第一法布里珀罗结构的球形泡区的腔长会随之发生改变，同时由于游标效应的独特性，整个传感器具有较高的压力灵敏度；本实用新型采用游标效应使得传感器性能灵敏度提高，解决了高温环境中的温度-压力的区分测量的问题，也可应用于高温环境中的压力监测，特别是可用于轮船发动机和飞机发动机中的性能测试监控。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图。
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详细说明，但本实用新型不限于下述的实施方式。
实施例1
在图1中，本实施例基于游标效应的微泡型高温压力光纤传感器由三分贝耦合器1、第一单模光纤2、第一石英毛细管3、第一多模光纤4、高反射率膜5、第三单模光纤6、第二石英毛细管7、第二多模光纤8、第二单模光纤9连接构成。
三分贝耦合器1上并联安装有光纤测量臂和光纤参考臂，光纤测量臂为第一单模光纤2的尾端熔接有第一多模光纤4，第一单模光纤2与三分贝耦合器1相连，第一单模光纤2的纤芯直径为8.2μm、包层外径为125μm、长度为22cm，第一多模光纤4的纤芯直径为62.5μm、包层外径为125μm、长度为260μm，第一单模光纤2的纤芯上刻有热重生光栅10，热重生光栅10的中心波长为1553nm、栅区长度为12mm，第一多模光纤4的尾端伸入到第一石英毛细管3内，第一石英毛细管3的内径为132μm、外径为200μm，第一石英毛细管3的一端用高温胶固定在第一单模光纤2上、另一端为球形泡形成第一法布里珀罗干涉腔，第一多模光纤4尾端面至球形泡壁的水平距离为398μm，热重生光栅10位于第一石英毛细管3内，第一石英毛细管3球形泡外侧镀有高反射率膜，高反射率膜为金膜或铝膜或铜膜或银膜，用于提高反射率，第一单模光纤2、第一多模光纤4、第一石英毛细管3的中心线重合，光纤参考臂为第二单模光纤9的尾端熔接有第二多模光纤8，第二单模光纤9与三分贝耦合器1相连，第二单模光纤9的纤芯直径、包层外径、长度与第一单模光纤2均相等，第二多模光纤8从石英毛细管一端伸入到第二石英毛细管7内，第二石英毛细管7用高温胶固定在第二单模光纤9上，第二石英毛细管7的另一端用高温胶固定连接有第三单模光纤6，在第二石英毛细管7内形成第二法布里珀罗干涉腔，第二石英毛细管7的内径和外径第一石英毛细管3相等，位于第二石英毛细管7内第二多模光纤8尾端面至第三单模光纤6端面的水平距离为401μm，第三单模光纤6的纤芯直径、包层外径与第一单模光纤2均相等，第三单模光纤6的长度为180μm，第二单模光纤9、第二多模光纤8、第二石英毛细管7、第三单模光纤6的中心线重合，第三单模光纤6的尾端端面为斜面，斜面倾斜角度为45°。
来自宽带光源的入射光传输到三分贝耦合器1中，并被分为两部分，一部分光通过测量臂，另一部分光通过参考臂。在测量臂中光会在第一单模光纤2右端和球形泡内侧面，产生两个反射光束，从而使得第一单模光纤2右端与微泡右端形成第一个法布里珀罗腔；在参考臂中由于第三单模光纤6右端面斜切，因此该端面的反射光不会反射，对干涉光谱无影响，光会在第二石英毛细管7内的第二单模光纤9右端和第三单模光纤6左端两个端面，产生两个反射光束，从而使得第二单模光纤9右端与第三单模光纤6左端形成第二个法布里珀罗腔，当两个法布里珀罗腔干涉的自由光谱范围大小接近的时候产生游标效应。当高温环境的压强增大时，第一石英毛细管3热膨胀效应，第一法布里珀罗腔的腔长会发生变化，从而使得对应的反射光谱发生变化。同理，当高温环境压强增大时参考臂中第二石英毛细管7会发生热膨胀，从而使得第二法布里珀罗腔腔长发生变化，其对应的反射光谱也会随之变化，根据游标效应，通过追踪包络的漂移就可得到超高的压力灵敏度，当环境温度升高时，热重生光栅10的中心波长会随之发生漂移，通过观察解调仪所反馈的热重生光栅10的光谱图即可得到温度灵敏度。
实施例2
在本实施例中，三分贝耦合器1上并联安装有光纤测量臂和光纤参考臂，光纤测量臂为第一单模光纤2的尾端熔接有第一多模光纤4，第一单模光纤2的纤芯上刻有热重生光栅10，热重生光栅10的中心波长为1553nm、栅区长度为10mm，第一单模光纤2的纤芯直径为8.2μm、包层外径为125μm、长度为20cm，第一多模光纤4的尾端伸入到第一石英毛细管3内，第一石英毛细管3的一端用高温胶固定在第一单模光纤2上、另一端为球形泡形成第一法布里珀罗干涉腔，第一多模光纤4尾端面至球形泡壁的水平距离为350μm，光纤参考臂为第二单模光纤9的尾端熔接有第二多模光纤8，第二单模光纤9与三分贝耦合器1相连，第二多模光纤8从石英毛细管一端伸入到第二石英毛细管7内，第二石英毛细管7用高温胶固定在第二单模光纤9上，第二石英毛细管7的另一端用高温胶固定连接有第三单模光纤6，位于第二石英毛细管7内第二多模光纤8尾端面至第三单模光纤6端面的水平距离为352μm，第三单模光纤6的纤芯直径、包层外径与第一单模光纤2均相等，第三单模光纤6的长度为150μm，第三单模光纤6的尾端斜面倾斜角度为40°。其他零部件及零部件的连接关系与实施例1相等。
实施例3
在本实施例中，三分贝耦合器1上并联安装有光纤测量臂和光纤参考臂，光纤测量臂为第一单模光纤2的尾端熔接有第一多模光纤4，第一单模光纤2的纤芯上刻有热重生光栅10，热重生光栅10的中心波长为1553nm、栅区长度为15mm，第一单模光纤2的纤芯直径为8.2μm、包层外径为125μm、长度为25cm，第一多模光纤4的尾端伸入到第一石英毛细管3内，第一石英毛细管3的一端用高温胶固定在第一单模光纤2上、另一端为球形泡形成第一法布里珀罗干涉腔，第一多模光纤4尾端面至球形泡壁的水平距离为450μm，光纤参考臂为第二单模光纤9的尾端熔接有第二多模光纤8，第二单模光纤9与三分贝耦合器1相连，第二多模光纤8从石英毛细管一端伸入到第二石英毛细管7内，第二石英毛细管7用高温胶固定在第二单模光纤9上，第二石英毛细管7的另一端用高温胶固定连接有第三单模光纤6，位于第二石英毛细管7内第二多模光纤8尾端面至第三单模光纤6端面的水平距离为455μm，第三单模光纤6的纤芯直径、包层外径与第一单模光纤2均相等，第三单模光纤6的长度为200μm，第三单模光纤6的尾端斜面倾斜角度为60°。其他零部件及零部件的连接关系与实施例1相等。
Claims (10)
1.一种基于游标效应的微泡型高温压力光纤传感器，其特征在于：三分贝耦合器(1)上并联设置有光纤测量臂和光纤参考臂，光纤测量臂为第一单模光纤(2)的尾端设置有第一多模光纤(4)，第一单模光纤(2)与三分贝耦合器(1)相连，第一单模光纤(2)的纤芯上刻有热重生光栅(10)，第一多模光纤(4)的尾端伸入到第一石英毛细管(3)内，第一石英毛细管(3)的一端固设在第一单模光纤(2)上、另一端为球形泡形成第一法布里珀罗干涉腔，热重生光栅(10)位于第一石英毛细管(3)内，球形泡外侧镀有高反射率膜(5)，第一单模光纤(2)、第一多模光纤(4)、第一石英毛细管(3)的中心线重合，光纤参考臂为第二单模光纤(9)的尾端设置有第二多模光纤(8)，第二单模光纤(9)与三分贝耦合器(1)相连，第二多模光纤(8)从第二石英毛细管(7)一端伸入到第二石英毛细管(7)内，第二石英毛细管(7)固设在第二单模光纤(9)上，第二石英毛细管(7)的另一端设置有第三单模光纤(6)，在第二石英毛细管(7)内形成第二法布里珀罗干涉腔，第二单模光纤(9)、第二多模光纤(8)、第二石英毛细管(7)、第三单模光纤(6)的中心线重合，第三单模光纤(6)的尾端端面为斜面。
2.根据权利要求1所述的基于游标效应的微泡型高温压力光纤传感器，其特征在于：所述的热重生光栅(10)的栅区长度为10～15mm，中心波长为1553nm。
3.根据权利要求1所述的基于游标效应的微泡型高温压力光纤传感器，其特征在于：所述的第一单模光纤(2)～第三单模光纤(6)的纤芯直径相同、包层外径相同。
4.根据权利要求1或3所述的基于游标效应的微泡型高温压力光纤传感器，其特征在于：所述的第一单模光纤(2)和第二单模光纤(9)的长度相同，为20～25cm，第三单模光纤(6)的长度为150～200μm。
5.根据权利要求1所述的基于游标效应的微泡型高温压力光纤传感器，其特征在于：所述的第一石英毛细管(3)与第二石英毛细管(7)的内径相等、外径相等。
6.根据权利要求1所述的基于游标效应的微泡型高温压力光纤传感器，其特征在于：所述的第一多模光纤(4)和第二多模光纤(8)的纤芯直径相等、包层外径相等、长度相等。
7.根据权利要求6所述的基于游标效应的微泡型高温压力光纤传感器，其特征在于：所述的第一多模光纤(4)的纤芯直径为62.5μm、包层外径为125μm、长度为260μm。
8.根据权利要求1所述的基于游标效应的微泡型高温压力光纤传感器，其特征在于：所述的第一多模光纤(4)尾端面至第一石英毛细管(3)球形泡壁的水平距离比第二多模光纤(8)尾端面至第三单模光纤(6)端面的水平距离小2～5μm，所述的第一多模光纤(4)尾端面至第一石英毛细管(3)球形泡壁的水平距离为350～450μm。
9.根据权利要求1所述的基于游标效应的微泡型高温压力光纤传感器，其特征在于：所述的第三单模光纤(6)的尾端斜面倾斜角度为40°～60°。
10.根据权利要求1所述的基于游标效应的微泡型高温压力光纤传感器，其特征在于：所述的高反射率膜(5)为金膜或铝膜或铜膜或银膜。
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