一种光纤高温压力传感器的制作方法

1.本实用新型属于压力传感器的技术领域，具体涉及一种光纤高温压力传感器。


背景技术：

2.压力传感器是利用敏感元件对外部压力变化产生响应，再通过测量敏感元件的变化量，从而实现外部压力的测量的传感器。压力传感器常用的敏感元件有金属弹性膜片、硅材料弹性膜片、蓝宝石弹性膜片等，通过测量这些敏感元件在压力环境下的变形量，就可以得知外部环境压力，所以对于压力传感器，微小位移量测量的量程与精度就直接影响到传感器的量程与精度等关键指标。
3.电学压力传感器一般通过测量电容、电感等电学信号来实现敏感膜片位移量的测量，电容式位移测量一般量程都很小，小于1mm，其精度较高，但是需要敏感元件具有导电性，且需要事先进行标定再进行测量，响应频率为几千赫兹到几十k赫兹不等，量程一般是mm级，精度一般是μm级；电感式位移测量，按其结构和原理一般都是由固定线圈和可动铁芯组成，当铁芯在线圈内沿轴向运动时，通过线圈电感的变化达到检测位移的目的。这些传统的电学压力传感器，普遍存在着精度较低，结构较复杂，易受电磁干扰，高温环境难以正常运行，应用场合有限等问题。
4.因此针对传统的电学压力传感器存在的结构复杂、不耐高温、易受干扰的缺陷，本实用新型公开了一种光纤高温压力传感器。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种光纤高温压力传感器，实现在高温环境下对压力进行稳定检测。
6.本实用新型通过下述技术方案实现：
7.一种光纤高温压力传感器，包括光纤压力传感装置，所述光纤压力传感装置包括安装筒体、设置在安装筒体入射端的传输光纤、设置在安装筒体出射端的弹性膜片、设置在传输光纤与弹性膜片之间的分光棱镜，所述分光棱镜的一侧设置有平行于入射光路的第一反射膜，所述弹性膜片上设置有垂直于入射光路的第二反射膜。
8.为了更好的实现本实用新型，进一步地，所述传输光纤与分光棱镜之间还设置有光纤准直器。
9.为了更好的实现本实用新型，进一步地，所述安装筒体的内部位于光纤准直器与弹性膜片之间设置有用于安装分光棱镜的分光棱镜安装座，所述分光棱镜安装座上沿平行于入射光路的轴向设置有第一通道，所述分光棱镜安装座上沿垂直于入射光路的径向设置有第二通道。
10.为了更好的实现本实用新型，进一步地，所述分光棱镜的轴向与径向之间的分光比为1:1
‑
1:9。
11.为了更好的实现本实用新型，进一步地，所述第一反射膜为红外波段反射膜，所述
红外波段反射膜的反射率≥90％。
12.为了更好的实现本实用新型，进一步地，还包括与传输光纤的入射端连接的光信号生成解调装置，所述光信号生成解调装置包括驱动信号光源、环形器、光信号探测采集装置、光信号处理器，所述驱动信号光源通过环形器向传输光纤的入射端发射激光，所述光信号探测采集装置的采集端与环形器连接，所述光信号探测采集装置的发射端与光信号处理器连接，所述光信号处理器的发射端与驱动信号光源连接。
13.为了更好的实现本实用新型，进一步地，所述光信号探测采集装置包括依次连接的光电探测器与信号采集器，所述光电探测器的采集端与环形器连接，所述信号采集器的输出端与光信号处理器连接。
14.上述光电探测器的型号为minipd，上述信号采集器的型号为sad034mc，均为成熟的现有装置，其具体结构与使用方法在此不再赘述。
15.为了更好的实现本实用新型，进一步地，所述光信号处理器包括依次连接的数据处理器与驱动信号发生器，所述数据处理器的接收端与信号采集器的输出端连接，所述驱动信号发生器的输出端与驱动信号光源的接收端连接。
16.上述数据处理器的型号为10cl080yu484i7g，上述驱动信号发生器的型号为sda5638mf，均为成熟的现有装置，其具体结构与使用方法在此不再赘述。
17.本实用新型与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
18.(1)本实用新型中公开的光纤压力传感装置内部仅仅设置有用于传输激光的传输光纤、用于分光的分光棱镜、用于反射激光的第一反射膜和第二反射膜，相比于传统的电学压力传感器结构更加简单、体积更加小巧；同时由于传输光纤、分光棱镜、第一反射膜、第二反射膜本身具有较高的温度耐受性，能够在500℃以下的温度范围内稳定正常运行，因此本实用新型相比于传统的电学压力传感器具有更高的温度耐受性和稳定性，应用范围更广泛；
19.(2)本实用新型通过光信号生成解调装置向光纤压力传感装置提供激光，并通过光信号生成解调装置对反射光进行解调，进而对轴向反射光与径向反射光的干涉条纹进行解算，进而得到弹性膜片处发生的形变，并通过形变进一步解算出压力值，有效保证检测精度。
附图说明
20.图1为光纤压力传感装置的结构示意图；
21.图2为光信号生成解调装置结构示意图；
22.图3为光纤压力传感装置与光信号生成解调装置连接示意图；
23.图4为干涉条纹示意图。
24.其中：1
‑
光纤压力传感装置；2
‑
光信号生成解调装置；11
‑
安装筒体；12
‑
传输光纤；13
‑
弹性膜片；14
‑
分光棱镜；15
‑
光纤准直器；16
‑
分光棱镜安装座；21
‑
驱动信号光源；22
‑
环形器；23
‑
光信号探测采集装置；24
‑
光信号处理器；01
‑
第一反射膜；02
‑
第二反射膜。
具体实施方式
25.实施例1：
26.本实施例的一种光纤高温压力传感器，如图1
‑
图4所示，包括光纤压力传感装置1，所述光纤压力传感装置1包括安装筒体11、设置在安装筒体11入射端的传输光纤12、设置在安装筒体11出射端的弹性膜片13、设置在传输光纤12与弹性膜片13之间的分光棱镜14，所述分光棱镜14的一侧设置有平行于入射光路的第一反射膜01，所述弹性膜片13上设置有垂直于入射光路的第二反射膜02。
27.传输光纤12的出射端从安装筒体11的入射端的开口延伸至安装筒体11的内部，传输光纤12的入射端位于安装筒体11的外侧并与外部光源连接，外部光源通过传输光纤12向安装筒体11内部发射激光，且激光的入射光路与安装筒体11的轴线重合。
28.安装筒体11的内部位于传输光纤12与弹性膜片13之间设置有分光棱镜14，分光棱镜14能够将沿着安装筒体11的轴线传播的激光分散为垂直于安装筒体11轴线的径向出射光以及仍然与安装筒体11的轴线重合的轴向出射光。径向出射光垂直入射至第一反射膜01并沿着径向逆向反射，轴向出射光垂直入射至第二反射膜02并沿着轴向逆向反射。
29.第一反射膜01与分光棱镜14之间的距离不变，即径向出射光垂直入射至第一反射膜01的光程不变，径向出射光的光程为l1，将径向出射光的光路作为参考光路。安装筒体11的出射端设置有弹性膜片13，弹性膜片13远离安装筒体11的一端为受压端，当弹性膜片13没有受压时，弹性膜片13与分光棱镜14之间的距离为l2。在l1与l2均不变时，第一反射膜01反射的径向反射光与第二反射膜02反射的轴向反射光之间形成稳定不变的干涉。
30.当外部压力作用于弹性膜片13后会造成弹性膜片13产生形变，即造成第二反射膜02与分光棱镜14之间的光程l2变化为l2’
。此时就会造成第一反射膜01处径向反射的激光与第二反射膜02处的轴向反射光之间的干涉状态发生改变。干涉状态发生改变的径向反射光与轴向反射光逆向经过传输光纤12传输至外部的光信号解调装置，通过光信号解调装置对干涉条纹进行解调计数，即可计算出l2与l2’
之间的变化量
△
l，即弹性膜片13的形变量为δl，由于弹性膜片13的形变量δl与受到压力之间呈正比例关系，因此即可通过形变量δl解算得出弹性膜片13受到的压力。
31.形变量δl的解算公式如下：
[0032][0033]
其中：n为干涉条纹的变化量；n为空气折射率；c为光速；δv为激光频率。
[0034]
通过外部的光信号解调装置直接解调激光得到δv与n，即可计算得出δl。
[0035]
然后即可根据p＝δl
×
k计算得出压力值，其中p为压力值，k为膜片形变特征常数。
[0036]
由于安装筒体11内部没有设置电子元器件，因此避免了传统的电子元器件容易受高温影响时效的问题，同时通过激光之间的干涉条纹计量，有效提高了检测精度。
[0037]
实施例2：
[0038]
本实施例在实施例1的基础上做进一步优化，如图1所示，所述传输光纤12与分光棱镜14之间还设置有光纤准直器15，通过光纤准直器15对传输光纤12发出的激光进行准直，使得激光与安装筒体11的轴线严格重合，保证传输光纤12发出的激光能够沿着安装筒体11的轴向入射至分光棱镜14，有效保证后续压力解算的准确度。
[0039]
本实施例的其他部分与实施例1相同，故不再赘述。
[0040]
实施例3：
[0041]
本实施例在上述实施例1或2的基础上做进一步优化，如图1所示，所述安装筒体11的内部位于光纤准直器15与弹性膜片13之间设置有用于安装分光棱镜14的分光棱镜安装座16，所述分光棱镜安装座16上沿平行于入射光路的轴向设置有第一通道，所述分光棱镜安装座16上沿垂直于入射光路的径向设置有第二通道。
[0042]
分光棱镜安装座16的内壁设置有用于卡装分光棱镜14的方形空腔，且在分光棱镜安装座16的内部沿重合于安装筒体11的轴线方向设置有第一通道，第一通道与方形空腔贯通；在分光棱镜安装座16的内部沿垂直于安装筒体11的轴线方向设置有第二通道，第二通道与方形空腔贯通。第一通道供经过光纤准直器15出射的轴向入射光以及经过第二反射膜02反射的轴向反射光通过，第二通道供经过第一反射膜01反射的径向反射光通过。
[0043]
本实施例的其他部分与上述实施例1或2相同，故不再赘述。
[0044]
实施例4：
[0045]
本实施例在上述实施例1
‑
3任一项的基础上做进一步优化，所述分光棱镜14的轴向与径向之间的分光比为1:1
‑
1:9，将轴向与径向的分光比控制在1:1
‑
1:9之间，能够有效保证轴向反射光与径向反射光之间形成清晰的干涉，进而提升干涉条纹的清晰度。
[0046]
本实施例的其他部分与上述实施例1
‑
3任一项相同，故不再赘述。
[0047]
实施例5：
[0048]
本实施例在上述实施例1
‑
4任一项的基础上做进一步优化，所述第一反射膜01为红外波段反射膜，所述红外波段反射膜的反射率≥90％，将红外波段反射膜的反射率设置为大于等于90％，能够保证径向反射光的强度，避免径向反射光与轴向反射光之间形成不清晰的干涉条纹。
[0049]
本实施例的其他部分与上述实施例1
‑
4任一项相同，故不再赘述。
[0050]
实施例6：
[0051]
本实施例在上述实施例1
‑
5任一项的基础上做进一步优化，如图2所示，还包括与传输光纤12的入射端连接的光信号生成解调装置2，所述光信号生成解调装置2包括驱动信号光源21、环形器22、光信号探测采集装置23、光信号处理器24，所述驱动信号光源21通过环形器22向传输光纤12的入射端发射激光，所述光信号探测采集装置23的采集端与环形器22连接，所述光信号探测采集装置23的发射端与光信号处理器24连接，所述光信号处理器24的发射端与驱动信号光源21连接。
[0052]
光信号生成解调装置2用于向光纤压力传感装置1提供光源，同时光信号生成解调装置2也用于接收来自于光纤压力传感装置1的轴向反射光与径向反射光，并对轴向反射光与径向反射光之间的干涉进行解调。
[0053]
驱动信号光源21产生激光并经过环形器22发射至传输光纤12，激光进一步经过传输光纤12发射至分光棱镜14并被分光棱镜14分散为轴向入射光与径向入射光，轴向入射光入射至第二反射膜02并反射形成轴向反射光，径向入射光入射至第一反射膜01并反射形成径向反射光，轴向反射光与径向反射光又经过传输光纤12逆向发射至环形器22，然后经过环形器22发射至光信号探测采集装置23，光信号探测采集装置23对轴向反射管与径向反射光进行检测采集并将光信号发送至光信号处理器24，光信号处理器24对光信号进行解调处理并形成电信号，然后对电信号处理后得到相应的压力值。
[0054]
本实施例的其他部分与上述实施例1
‑
5任一项相同，故不再赘述。
[0055]
实施例7：
[0056]
本实施例在上述实施例1
‑
6任一项的基础上做进一步优化，所述光信号探测采集装置23包括依次连接的光电探测器与信号采集器，所述光电探测器的采集端与环形器22连接，所述信号采集器的输出端与光信号处理器24连接。
[0057]
光电信号探测器用于探测是否接收到光信号，信号采集器则用于接收光信号并对光信号进行采集传输。
[0058]
本实施例的其他部分与上述实施例1
‑
6任一项相同，故不再赘述。
[0059]
实施例8：
[0060]
本实施例在上述实施例1
‑
7任一项的基础上做进一步优化，所述光信号处理器24包括依次连接的数据处理器与驱动信号发生器，所述数据处理器的接收端与信号采集器的输出端连接，所述驱动信号发生器的输出端与驱动信号光源21的接收端连接。
[0061]
数据处理器用于接收来自于信号采集器的光信号并将光信号转换为电信号后进行解调计算，驱动信号发生器则根据数据处理器解算得出的激光频率值对驱动信号光源21的发射频率进行调节。根据压力测量范围大小，增大调制频率周期，即减小激光的调制信号频率ν，使压力的最大测量范围内测量光路的相位变化小于2π。同理，在检测较小范围的压力时可以增加激光的调制频率ν，实现小压力范围内相位较大变化。
[0062]
本实施例的其他部分与上述实施例1
‑
7任一项相同，故不再赘述。
[0063]
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本实用新型的保护范围之内。