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CN113029429B - 具有温度补偿功能的气压传感器 - Google Patents

具有温度补偿功能的气压传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有温度补偿功能的气压传感器，包括第一单模光纤、第一毛细管光纤、气敏膜、第二毛细管光纤和第二单模光纤，第一单模光纤与第一毛细管光纤的一端熔接在一起；第二毛细管光纤的一端与第二单模光纤熔接在一起，另一端通过气敏膜密封；第二毛细管光纤通过气敏膜密封的一端插入到第一毛细管光纤内并固定；气敏膜与第一单模光纤的端面构成第一FP干涉腔，该第一FP干涉腔内的第一毛细管光纤的侧面设有与外界连通的连通孔；气敏膜与第二单模光纤的端面构成第二FP干涉腔，形成级联的双FP干涉腔差分结构。

Description

具有温度补偿功能的气压传感器
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种具有温度补偿功能的气压传感器。
背景技术
光纤气压传感器是工业和环境监测领域中非常重要的设备。常见的光纤气压传感器有光栅型和各类干涉腔型。光栅型气压传感器是利用外界气压的变化转引起光栅周期和模式有效折射率的变化，从而引起光栅谐振波长的漂移实现气压测量的。受光纤材料本身的影响，光栅型气压传感器的灵敏度普遍不高，通常不超过几百pm/MPa。在干涉型气压传感器中，法布里-珀罗(FP)干涉腔由于其但光路反射式的结构特点，在气压传感应用中显示出了良好的潜力。
基于FP干涉腔的的气压传感器主要包括两种类型：一种是基于纯石英结构的FP开放腔气压传感器，其空气腔与外界连通，当气压改变时会导致空气折射率改变，进而引起光谱漂移，实现气压的测量；另一种是基于膜材料的FP气压传感器，主要是依靠膜材料自身随气压变化的形变来改变空气腔的长度，实现对气压的测量。这两种结构的FP气压传感器都存在温度串扰的问题，常用的解决温度串扰的方法是在传感结构上串联布拉格光栅做温度补偿，而串联布拉格光栅的方式仅仅是用来解决温度串扰，对传感器本身灵敏度的提高并无增益。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种具有温度补偿功能的气压传感器，其光纤FP传感器体积小、灵敏度高，其制备方法简单易行、成本低廉。
本发明所采用的技术方案是：
提供一种具有温度补偿功能的气压传感器，包括第一单模光纤、第一毛细管光纤、气敏膜、第二毛细管光纤和第二单模光纤，第一单模光纤与第一毛细管光纤的一端熔接在一起；第二毛细管光纤的一端与第二单模光纤熔接在一起，第二毛细管光纤的另一端通过气敏膜密封；第二毛细管光纤通过气敏膜密封的一端插入到第一毛细管光纤内并固定；气敏膜与第一单模光纤的端面构成第一FP干涉腔，该第一FP干涉腔内的第一毛细管光纤的侧面设有与外界连通的连通孔；气敏膜与第二单模光纤的端面构成第二FP干涉腔，形成级联的双FP干涉腔差分结构。
接上述技术方案，第一毛细管光纤的毛细管内径为60-80微米；第二毛细管光纤的外径小于第一毛细管光纤的毛细管内径。
接上述技术方案，第一毛细管光纤的侧面设置的与外界连通的连通孔的孔直径为2-10微米。
接上述技术方案，所述连通孔通过飞秒激光或剖磨的方式制作而成。
接上述技术方案，所述气敏膜为弹性材料，厚度为2-10微米。
接上述技术方案，所述气敏膜的材料为PDMS、硅橡胶或者紫外胶。
接上述技术方案，所述第二毛细管光纤通过熔接机放电或者胶粘的方式固定在第一毛细管光纤内壁。
接上述技术方案，第一FP干涉腔的腔长为300-500微米，所述第二FP干涉腔的腔长与第一FP干涉腔的腔长相差20％-50％。
本发明还提供了一种具有温度补偿功能的气压传感器的测试系统，包括依次连接的宽带光源、光纤环形器和光纤光谱仪，该测试系统还包括与光纤环形器连接的气压传感器，该气压传感器放置在一气压室，且该气压传感器为上述技术方案所述的具有温度补偿功能的气压传感器。
本发明产生的有益效果是：本发明通过将气敏膜置于空芯光纤内部并在其中一个空芯侧壁制作与外界相通的连通孔，形成开放FP腔和密闭FP腔级联的干涉腔结构。当外界气压升高，第一FP干涉腔内气压与外界同时升高，使气敏膜产生向第二FP干涉腔方向弯曲的形变，从而使第一FP干涉腔的腔长增加、第二FP干涉腔的腔长减小，形成差分结构；当外界温度升高时，气敏膜对两个FP干涉腔的影响时相同的，而且两个FP干涉腔内的气体具有相同的热光系数，因此两个FP干涉腔对温度的响应可以认为几乎相同，利用该差分方法可以很大程度上减小温度变化对传感器气压测量的影响，从而实现温度补偿功能。
本发明制备方法简单易行，利用切割、熔接将两种不同的光纤熔接在一起，然后利用外力推送将气敏膜推送至光纤内，不仅保护了膜结构，而且在提高了气压测量灵敏度。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明实施例具有温度补偿功能的气压传感器的结构示意图。
图2为本发明实施例光纤传感器的测试系统示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提出了一种具有温度补偿功能的气压传感器，其特征在于利用不同直径的空心光纤结合气敏膜制备一种级联的双FP腔，其中一个为开放腔，另外一个为封闭腔。气压改变时开放腔的折射率和腔长增加引干涉谱向长波方向飘移，同时封闭腔的腔长缩短引起干涉谱向短波方向飘移，进而引起光谱漂移，而温度改变时两个腔的腔长变化和折射率变化同步，两腔光程差差值几乎不变，因此实现了一种具有温度补偿功能的气压传感器，不仅有效解决气压测量时的温度串扰问题，而且可以提高气压测量的灵敏度。
如图1所示，本发明实施例具有温度补偿功能的气压传感器1包括第一单模光纤2、第一毛细管光纤4、气敏膜7、第二毛细管光纤5和第二单模光纤9。第一单模光纤2与第一毛细管光纤4的一端熔接在一起，端面为10，第一毛细管光纤4的侧面有一个连通孔3与外界连通；第二毛细管光纤5的一端与第二单模光纤9熔接在一起，端面为11，另一端用气敏膜7密封；第二毛细管光纤5的外径比第一毛细管光纤4的内径略小，其气敏膜一端插入第一毛细管光纤4并固定，连通孔3位于端面10和气敏膜7之间；气敏膜7与第一单模光纤2的端面构成第一FP干涉腔6，与第二单模光纤9的端面构成第二FP干涉腔8，形成级联的双FP干涉腔差分结构。
进一步地，气敏膜7为线膨胀随气压改变的变化率在15微米每兆帕左右的弹性材料，厚度为2-10微米。气敏膜7可以是PDMS、石墨烯、紫外胶或硅橡胶。
本发明较佳实施例中，第一单模光纤2和第二单模光纤9的纤芯直径8.2微米，外径125微米。第一毛细管光纤4的毛细管空气孔直径为60-80微米，外径为125微米；第二毛细管光纤5的外径为55-75微米，毛细管空气孔直径为40微米左右。第二毛细管光纤5通过熔接机放电或者胶粘的方式固定在第一毛细管光纤4内壁。
本发明的另一实施例中，连通孔3的直径为2-10微米。连通孔3是利用飞秒激光或剖磨的方式制作的。
本发明气压传感器形成的第一FP干涉腔6的腔长在300-500微米之间，所述第二FP干涉腔8的腔长与第一FP干涉腔6的腔长相差20％-50％。
图2为本发明实施例光纤传感器的测试系统示意图，该测试系统包括依次连接的宽带光源12、光纤环形器13光纤光谱仪14，还包括气压传感器，该气压传感器为上述实施例的有温度补偿功能的气压传感器1。具有温度补偿功能的气压传感器1放置在气压室15中。第一单模光纤2的一端与光纤环形器13一端连接，宽带光源12、光纤光谱仪14分别与光纤环形器13的另外两端连接。
在进行气压传感实验时，将具有温度补偿功能的气压传感器密封在气室15中，气室中的气体由连通孔3进入第一FP干涉腔6中，当宽带光源12发出的光经过环形器13进入第一单模光纤2时，一部分光在第一单模光纤的端面10发生反射，另一部分光继续传播并在气敏膜7处发生部分反射，剩余的光通过气敏膜7继续传播在第二单模光纤9之间的端面11发生反射。这三束反射光再次经过环形器13后被光谱仪14探测。其中，端面10和气敏膜7的反射光相干涉形成第一FP干涉腔6的干涉光谱，端面11与气敏膜7的反射光相干涉形成第二FP干涉腔8的干涉光谱。
设第一FP干涉腔6的腔长为L1，腔内空气折射率为n1,第二FP干涉腔8的腔长为L2，腔内空气折射率为n2。根据干涉腔原理，对于第一FP干涉腔6的干涉光谱的某个干涉极小有：
Figure BDA0002998209500000061
对于第二FP干涉腔8的干涉光谱的某个干涉极小有：
Figure BDA0002998209500000062
其中，p和q是整数。
当外界气压和温度改变时，会导致两个FP腔的折射率n1、n2和腔长L1、L2发生变化，引起光谱漂移，利用傅里叶变换(FFT)滤波对两个FP腔的反射谱进行滤波操作。
通过对式(1)、(2)求偏导，可以分别得出两个FP腔对气压和温度的灵敏度，其中第一FP干涉腔的气压灵敏度可以表示为：
Figure BDA0002998209500000063
对于第二FP干涉腔的气压灵敏度可以表示为：
Figure BDA0002998209500000064
其中两个FP腔内的气体折射率可以表示为:
Figure BDA0002998209500000065
两个FP腔的腔长随气压的变化可以表示为：
Figure BDA0002998209500000071
其中K为光学隔膜压变系数,由式(3)、(4)可得，两个FP干涉腔的灵敏度主要由折射率变化率和腔长变化率所致，由于气敏膜的存在，起主导作用的是腔长的变化率，因此两个FP干涉腔的气压灵敏度主要由腔长随气压的变化率所致。同时由式(6)可以看出两个FP干涉腔的腔长变化率互为相反数，因此两个FP干涉腔的气压灵敏度为一正一负。
通过对式(1)、(2)对温度求偏导，可以得出两个FP腔的温度灵敏度，其中第一FP干涉腔的温度灵敏度可以表示为：
Figure BDA0002998209500000072
当温度改变时会引起FP腔内折射率和腔长的变化，其中腔长变化主要包括两个方面，温度导致石英的长度变化引起FP干涉腔腔长的变化，还有一部分由于温度变化使气敏膜厚度发生变化，进而引起FP腔腔长的变化，于是上式可以表示为：
Figure BDA0002998209500000073
第二FP干涉腔的温度灵敏度可以表示为：
Figure BDA0002998209500000074
由式(8)、(9)可以看出，两个FP干涉腔的温度灵敏度主要由初始波长干涉极小决定，而由式(1)、(2)可以看出两个FP干涉腔的干涉极小主要与两个干涉腔腔内的折射率和腔长有关，而两个FP干涉腔腔内的折射率均为空气，故影响两个FP干涉腔的干涉极小主要由腔长决定，同时两个FP干涉腔的腔长差别不大，因此两个FP干涉腔的温度灵敏度近似相等。
综上所述，当外界环境的温度和气压同时改变时，气压传感器的实际光谱漂移量与温度变化无关，差分之后只剩下气压导致干涉腔的灵敏度变化。因此实现了一种具有温度补偿功能的气压传感器，解决了温度干扰问题。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种具有温度补偿功能的气压传感器，其特征在于，包括第一单模光纤、第一毛细管光纤、气敏膜、第二毛细管光纤和第二单模光纤，第一单模光纤与第一毛细管光纤的一端熔接在一起；第二毛细管光纤的一端与第二单模光纤熔接在一起，第二毛细管光纤的另一端通过气敏膜密封；第二毛细管光纤通过气敏膜密封的一端插入到第一毛细管光纤内并固定；气敏膜与第一单模光纤的端面构成第一FP干涉腔，该第一FP干涉腔内的第一毛细管光纤的侧面设有与外界连通的连通孔；气敏膜与第二单模光纤的端面构成第二FP干涉腔，形成级联的双FP干涉腔差分结构。
2.根据权利要求1所述的具有温度补偿功能的气压传感器，其特征在于，第一毛细管光纤的毛细管内径为60-80微米；第二毛细管光纤的外径小于第一毛细管光纤的毛细管内径。
3.根据权利要求1所述的具有温度补偿功能的气压传感器，其特征在于，第一毛细管光纤的侧面设置的与外界连通的连通孔的孔直径为2-10微米。
4.根据权利要求1所述的具有温度补偿功能的气压传感器，其特征在于，所述连通孔通过飞秒激光或剖磨的方式制作而成。
5.根据权利要求1所述的具有温度补偿功能的气压传感器，其特征在于，所述气敏膜为弹性材料，厚度为2-10微米。
6.根据权利要求5所述的具有温度补偿功能的气压传感器，其特征在于，所述气敏膜的材料为PDMS、硅橡胶或者紫外胶。
7.根据权利要求1所述的具有温度补偿功能的气压传感器，其特征在于，所述第二毛细管光纤通过熔接机放电或者胶粘的方式固定在第一毛细管光纤内壁。
8.根据权利要求1所述的具有温度补偿功能的气压传感器，其特征在于，第一FP干涉腔的腔长为300-500微米，所述第二FP干涉腔的腔长与第一FP干涉腔的腔长相差20%-50%。
9.一种具有温度补偿功能的气压传感器的测试系统，其特征在于,包括依次连接的宽带光源、 光纤环形器和光纤光谱仪，该测试系统还包括与光纤环形器连接的气压传感器，该气压传感器放置在一气压室，且该气压传感器为权利要求1-8中任一项所述的具有温度补偿功能的气压传感器。
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