[发明专利]基于悬心结构增敏的法布里-珀罗干涉型全光纤压力传感器

说明书

基于悬心结构增敏的法布里‑珀罗干涉型全光纤压力传感器，壳体内封装有光纤传感结构，光纤传感结构为单模光纤的一端与毛细管的一端熔接，细径光纤4的一端从毛细管的另一端插入到毛细管内与单模光纤的一端端面间隔一定距离，细径光纤4外径＜毛细管内径，毛细管的另一端与细径光纤4通过熔接固定，使毛细管内腔形成密封腔，细径光纤4在毛细管内呈悬浮状态，毛细管内细径光纤4与单模光纤的端面形成悬浮的法布里‑珀罗干涉腔结构，单模光纤的另一端从壳体的一端伸出到壳体外。本发明通过改变毛细管长度与毛细管内细径光纤端面与单模光纤端面之间距离的比值即可改变传感器的灵敏度和量程，可以适用不同场合的监测要求。

技术领域

本发明属于光纤压力传感技术领域，具体涉及到一种法布里-珀罗干涉型全光纤压力传感器。

背景技术

压力监测是许多工程应用领域的关键参数，包括石油和天然气开采、航空航天、内燃机等。一般油气井下的压力传感器件工作在强腐蚀、强辐射、高温高压等恶劣环境中，对传感器的耐腐蚀性、密封性、强度具有较高的要求。目前市场上主要使用电类压力传感器检测，但是电类传感器通常耐温难以高于205℃，易受极端环境影响，稳定性差，数据传输慢等固有缺陷限制了其在部分极端环境下的使用。在压力测量中，温度扰动也会限制传感器的检测精度，因此研制一种对温度不敏感的压力传感器件可以消除温度的交叉敏感问题。

光纤传感器具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、耐腐蚀等优点，已经广泛的应用于压力、温度、振动加速度、磁场、气体等多种物理量的测量。目前已经提出并通过实验证明了许多高灵敏度光纤压力传感器方案，其中大多数基于光纤布拉格光栅和法布里-珀罗干涉仪结构。对于无涂覆层的裸光纤光栅，其压力灵敏度极低，约为-3.04pm/MPa。为了克服这一固有限制，可以利用机械结构将压力对光纤的挤压作用转化为轴向应变，以提高光纤光栅的压力敏感性。可以将光纤光栅的压力灵敏度提高到100pm/kPa以上，但是受光纤光栅最大伸长率的限制，相应的测量范围减小，通常小于1MPa。

法布里-珀罗干涉仪比光纤光栅具有更高的灵敏度和测量范围，更适用于单个传感点的高精度压力。法布里-珀罗干涉仪通常采用膜片式结构，腔体端面的膜片感受压力变化。其增敏方法主要包括使用低杨氏模量材料做为膜片、使用更薄的膜片、利用游标效应等。但是低杨氏模量的聚合物材料不能用于恶劣的环境；薄膜片材的制备工艺复杂，易受环境折射率变化的影响；游标效应的使用使传感结构和系统更加复杂。因此此类传感器的压力测量范围通常小于10Mpa。

而利用毛细管封装的全光纤结构的空腔式法布里-珀罗干涉型结构，通常传感器侧面感受压力，相比于端面加压，传感器测量的压力范围可以大幅度增加，压力测量范围大于50Mpa。但是此类结构灵敏度较低，因此需要一种用于高温高压环境下具有高灵敏度的传感器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有压力光纤传感器的缺点，提供一种设计合理、结构简单、灵敏度高、操作方便的基于悬心结构增敏的法布里-珀罗干涉型全光纤压力传感器。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：基于悬心结构增敏的法布里-珀罗干涉型全光纤压力传感器，壳体内封装有光纤传感结构，用于环境温度为20℃～300℃、环境压力为0～80MPa下的压力检测，所述光纤传感结构为单模光纤的一端与毛细管的一端熔接，细径光纤的一端从毛细管的另一端插入到毛细管内与单模光纤的一端端面间隔一定距离，细径光纤外径＜毛细管内径，毛细管的另一端与细径光纤通过熔接固定，使毛细管内腔形成密封腔，细径光纤在毛细管内呈悬浮状态，毛细管内细径光纤与单模光纤的端面形成悬浮的法布里-珀罗干涉腔结构，细径光纤的另一端为斜面位于壳体腔体内，单模光纤的另一端从壳体的一端伸出到壳体外，壳体的另一端设置有与壳体内腔相连通的接头。

作为一种优选的技术方案，所述毛细管的长度L₂与毛细管内细径光纤端面与单模光纤端面之间的距离L₁之比为1～1000，所述毛细管的长度L₂为300～10000μm。