耐高温压力传感器.ppt

光纤传感器随着光纤通信技术的实用化有了迅速发展,且具有体积小、重量轻、检测分辨率高、灵敏度高、测温范围宽、保密性好、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀性强等明显优于传统传感器的特点,研制高温环境下符合测量要求的全光纤压力传感器,以满足国防军事、航天航空、土木工程、电力、能源、石油化工工业和大气压力测量的需求。光纤同具“传”、“感”两种功能。与光源耦合的发射光纤同与光探测器耦合的接收光纤为一根连续光纤,称为传感光纤,故功能型光纤传感器亦称全光纤型或传感型光纤传感器。微光纤珐-珀应变传感器的理论建模在线型光纤珐-珀标准具的结构如图3-1(a)所示,它是一个在光纤中自封闭的空气腔,标准具的空气腔的长度和直径分别为L和D,两个反射面的反射系数R1和R2,可以通过镀膜实现高反射面。光纤珐-珀标准具的结构图和剖视图微光纤珐-珀应变传感器的制作工艺流程为了实现可以在高温环境应用的微型光纤传感器,我们发明了一种基于157nm激光微加工制作的微珐-珀传感器,这种封闭式光纤FP腔的制作过程如图3-5所示。图3-5自封闭型在线式F-P标准具.(a)用157nm激光微加工机在切割好的光纤端面加工环形微孔(b)然后将这段打好孔的光纤和另一段切割好的光纤熔接在一起,就形成了在线FP腔Micro-holeCrosssectionoffibertip10~60mm157nmlaserCladdingCoreMicro-hole(a)CladdingCoreElectrodeElectrode(b)CladdingCoreF-Pcavity(c)微光纤珐-珀应变传感器的制作工艺流程首先,采用157nm激光微加工机在切割好的光纤端面加工一个环形微孔,其典型深度为20m;然后将这段打好孔的光纤和另一段切割好的光纤熔接在一起,就形成了一个在线FP腔,这种微珐-珀标准具能够在高达~8000C的高温环境下工作,并且这种自封闭结构使得标准具牢固、稳定、可靠。同时由于该标准具中空的结构和二氧化硅很低的热膨胀系数,使得其对温度变化不敏感。此外,使用对称的环形微孔有助于实现偏振无关。Wavelength(nm)图3-6理论计算的二氧化硅的光学吸收谱Absorptioncoefficient(1/cm)微光纤珐-珀应变传感器的制作工艺流程图3-7微孔和珐-珀标准具的照片.(a)NT1100测试的微孔的三维结构(b)通过光学显微镜拍得标准具得透射图(c)标准具得扫描电镜图Cavity(b)(a)Joint(c)这种标准具精确的制作方法是采用157nm激光微加工,其基于的原理是二氧化硅对157nm光子的强烈本征吸收。如图3-6所示,为基于量子力学理论计算的光学吸收谱。从图中可以看出,二氧化硅对157nm光的光吸收系数很高,高于20000cm-1,这就为在石英光纤上取得高质量的冷加工效果奠定了基础。-珀应变传感器的制作工艺流程图3-8珐-珀标准具的典型光谱图(R-Intensity代表相对强度,以后章节不再说明)Wavelength(nm)R-Intensity(dB)P微光纤珐-珀应变传感器的制作工艺流程图中可以看出,这种标准具条纹对比度很高,达到~30dB,这比传统手工组装制作的F-P腔的对比度高出许多,传统的典型值都不到15dB。实际测得光谱和理论计算的光谱符合得很好。理论计算所采用的参数为A1=A2=,==η2=。如此高的对比度确保应变测量的高精度。封闭式微光纤珐-珀传感器的应变特性——静态应变特性图3-9高温应变实验装置图1:1CouplerSi720OSAHigh-temperatureFurnace我们对该标准具的应变和温度特性在一个较宽的温度范围内进行了实验研究。腔的实际长度为L,通过公式来计算,这里,是标准具干涉谱相邻波峰/波谷对应的波长。标准具理论的敏感长度由来决定,其在处的典型值为~,这里,分别为标准具的应变和相位漂移。既然传感头长度和腔长是一样的,当相位漂移<的时候,施加的应变就可以根据公式来计算,这里是波峰或者波谷对应的波长漂移(当幅度最小时对应的波长,在图3-8中以“P”来标记的),λ0是相应的波峰或者波谷处的波长。这就是说,当时,应变可以根据监测标准具相位漂移的谷值波长来计算。本文中,当波长为1570nm时,标准具的理论应变系数为~~。