本實用新型涉及光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種簡易反射式干涉型光纖氣壓傳感器。

背景技術(shù)：

光纖氣壓傳感器作為一種新型的用于檢測氣壓的傳感器，相對于傳統(tǒng)的傳感器而言，除了結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕的特點外，還具備以下優(yōu)點：(1)抗電磁干擾能力強，由于光波頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電磁頻率，光信號在光纖中傳輸時，不易受到電磁干擾;(2)電絕緣性能好，光纖屬于絕緣材料,光纖傳輸光信號相對安全可靠，并且光信號在光纖中傳播無需電源驅(qū)動,適用于在易燃易爆的環(huán)境中使用;(3)光纖由二氧化硅材料制成，耐腐蝕、化學(xué)性能十分穩(wěn)定，因此,光纖氣壓傳感器適宜于在較惡劣環(huán)境中使用;(4)光纖傳輸信號損耗小,光纖氣壓傳感器可應(yīng)用于遠(yuǎn)距離信號傳輸和遙控監(jiān)測氣壓；(5)光纖傳輸信息容量大,可用于多點分布式氣壓測量。

近年來，光纖氣壓傳感器應(yīng)用范圍非常廣，能夠用在多種場合進行氣壓測量。干涉型光纖氣壓傳感器主要有以下幾類：

1.基于法布里-珀羅（Fabry-Perot FP）腔腔長改變的干涉型光纖氣壓傳感器

基于FP腔腔長改變來進行氣壓測量的干涉型傳感器，主要是利用氣壓的變化引起干涉腔長的變化來進行氣壓的測量。該傳感器的工作原理是：通過實驗測得氣壓變化所引起的干涉腔的腔長變化，由此得到傳輸?shù)母缮鏃l紋的諧振峰波長變化與氣壓變化的關(guān)系，通過解調(diào)諧振峰波長的變化量得到所需測量的氣壓值。

該光纖氣壓傳感器一種典型結(jié)構(gòu)是由薄膜構(gòu)成的FP干涉儀，該干涉儀的其中一個典型結(jié)構(gòu)是FP腔由毛細(xì)管及一層薄膜構(gòu)成，另一種典型結(jié)構(gòu)是FP腔由毛細(xì)管及內(nèi)部填充聚合物構(gòu)成。當(dāng)外界氣壓變化時，會引起薄膜（或者聚合物）發(fā)生彈性變化，從而改變腔長大小，從而根據(jù)干涉腔腔長的變化量可測得外界環(huán)境的氣壓值。該結(jié)構(gòu)的光纖氣壓傳感器靈敏度較高，氣壓靈敏度隨著膜片（或者聚合物）厚度的減小而增大。然而，該傳感器存在以下問題：(1)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作技術(shù)要求高；(2)如果薄膜厚度太小時，會由于氣壓變化太大而損壞薄膜，因而不能測量太高的氣壓；(3)如果薄膜或者聚合物也對溫度變化敏感，就存在氣壓與溫度測量的交叉敏感問題;(4)由于毛細(xì)管直徑比較小，容易造成聚合物不易填充、性能不穩(wěn)定等問題。

2.基于法布里-珀羅（FP）腔腔內(nèi)折射率變化的干涉型光纖氣壓傳感器

基于FP腔腔內(nèi)折射率變化來進行氣壓測量的光纖氣壓傳感器，又可以分為兩類：一類是FP腔直接由光纖構(gòu)成，根據(jù)光纖本身折射率變化（氣壓變化引起的）實現(xiàn)氣壓測量，此結(jié)構(gòu)傳感器結(jié)構(gòu)簡單、制作容易，但是由于光纖材料本身具有較大的楊氏模量和較小彈光系數(shù)，因而，此類傳感器的氣壓靈敏度普遍偏低；另一類是FP腔由空腔構(gòu)成（毛細(xì)管結(jié)構(gòu)腔），腔里充滿測量氣體，根據(jù)FP腔內(nèi)氣體折射率變化（氣壓變化引起的）實現(xiàn)氣壓測量，由于氣壓變化引起的氣體折射率變化明顯，故傳感器的氣壓靈敏度較高，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，制作技術(shù)要求高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的就是要解決現(xiàn)有的干涉型光纖氣壓傳感器所存在的上述問題，為此提供一種結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、靈敏度高、可以消除溫度交叉感染的簡易反射式干涉型光纖氣壓傳感器。

本實用新型的具體方案是：一種簡易反射式干涉型光纖氣壓傳感器，其特征是：包括依次同軸布置的單模光纖、毛細(xì)玻璃管和多模光纖，毛細(xì)玻璃管的兩端對應(yīng)與單模光纖、多模光纖的端部熔焊為一體；在毛細(xì)玻璃管的管壁上開設(shè)有微孔，使得其內(nèi)腔與外界相連通；所述單模光纖和多模光纖的包層直徑均為125μm,單模光纖的纖芯直徑為8～10μm，多模光纖纖芯的直徑為50～62.5μm，多模光纖的長度大于10cm；所述毛細(xì)玻璃管的長度為200～500μm、內(nèi)徑60～120μm、外徑100～1000μm，毛細(xì)玻璃管上微孔的孔徑為16～100μm。

本實用新型中所述毛細(xì)玻璃管的兩端與單模光纖、多模光纖的端部均通過光纖熔焊機熔接為一體；所述微孔是通過飛秒激光器加工而成。

本實用新型中所述單模光纖的纖芯直徑為9μm，多模光纖的纖芯直徑為50μm或62.5μm。

本實用新型中所述毛細(xì)玻璃管的長度為240μm、內(nèi)徑為68μm、外徑為125μm；所述微孔的孔徑為16μm。

本實用新型結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計巧妙，通過利用毛細(xì)玻璃管構(gòu)成的開放式空氣腔分別與單模光纖、多模光纖熔接為一體，從而形成一個反射式干涉儀，實現(xiàn)了對氣壓的傳感測量，具有較高的氣壓靈敏度，不僅體積小、制作過程簡單、制作成本低、測量范圍廣，而且由于毛細(xì)玻璃管不受環(huán)境溫度變化的影響，從而本實用新型的檢測結(jié)果不易受到溫度交叉感染的影響，適用于不同環(huán)境下的氣壓測量。

附圖說明

圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實用新型對氣壓進行檢測的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1—單模光纖，2—毛細(xì)玻璃，3—多模光纖，4—微孔，5—寬帶光源，6—環(huán)形器，7—光纖光譜儀，8—可控壓強場。

具體實施方式

參見圖1，一種簡易反射式干涉型光纖氣壓傳感器，包括依次同軸布置的單模光纖1、毛細(xì)玻璃管2和多模光纖3，毛細(xì)玻璃管2的兩端對應(yīng)與單模光纖1、多模光纖3的端部熔焊為一體；在毛細(xì)玻璃管2的管壁上開設(shè)有微孔4，使得其內(nèi)腔與外界相連通；所述單模光纖1和多模光纖3的包層直徑均為125μm,單模光纖的纖芯直徑為8～10μm，多模光纖3纖芯的直徑為50～62.5μm，多模光纖3的長度大于10cm，以防止光源從多模光纖3的尾端發(fā)生反射而對光纖氣壓傳感器的測試結(jié)構(gòu)造成影響；所述毛細(xì)玻璃管2的長度為200～500μm、內(nèi)徑60～120μm、外徑100～1000μm，毛細(xì)玻璃管2上微孔4的孔徑為16～100μm。

本實施例中光纖氣壓傳感器的制備過程如下：

第一步：取一段長度為240μm、內(nèi)徑為68μm、外徑為125μm的毛細(xì)玻璃管，用飛秒激光器在毛細(xì)玻璃管的側(cè)壁上開設(shè)一個孔徑為16μm的微孔，使得外部空氣可以進入至毛細(xì)玻璃管內(nèi)，其中毛細(xì)玻璃管的兩端須切割平整，微孔是由飛秒激光器在能量為50mw時照射10min形成的；

第二步：取一段用光纖切割刀切割平整的單模光纖，單模光纖的包層直徑為125μm、纖芯直徑為9μm，將該單模光纖與上述毛細(xì)玻璃管的其中一端用光纖熔接機熔接為一體，在熔接時設(shè)置較小的放電強度，使得熔接完之后毛細(xì)玻璃管的外形不會發(fā)生改變；

第三步：取一段用光纖切割刀切割平整的多模光纖，多模光纖的長度為10cm，它的包層直徑為125μm、纖芯直徑為62.5μm，采用第二步相同的方法將多模光纖與上述毛細(xì)玻璃管的另一端用光纖熔接機熔接為一體；

通過上述三個步驟制得一個開放式法布里-珀羅腔，從而獲得如圖1所示的光纖氣壓傳感器。

參見圖2，采用如下方法對制得的光纖氣壓傳感器完成定標(biāo)。

首先配備寬帶光源5、環(huán)形器6和光纖光譜儀7，將光纖氣壓傳感器置于可控壓強場8中。光纖氣壓傳感器中的單模光纖1作為輸入端，將其和寬帶光源5和光纖光譜儀7分別與環(huán)形器6相連；

然后改變可控壓強場8中的氣壓壓強，即可獲得一系列已知氣壓下的光纖氣壓傳感器的反射光譜，記錄下反射光譜的諧振峰波長值。通過應(yīng)用數(shù)學(xué)分析，得到諧振峰波長值與氣壓的對應(yīng)函數(shù)關(guān)系，即完成了光纖氣壓傳感器的定標(biāo)。

當(dāng)進行氣壓檢測時，只須將定標(biāo)過的光纖氣壓傳感器置于待測氣壓場中，根據(jù)測量得到的反射光譜中諧振峰波長值和定標(biāo)函數(shù)關(guān)系，即可獲知待測氣壓場的氣壓。

本實用新型實現(xiàn)壓強測量是基于以下原理：當(dāng)光源進入到毛細(xì)玻璃管中時，會穿過毛細(xì)玻璃管與單模光纖連接的端面，由于單模光纖的端面非常平滑，因此會有一部分光在此端面發(fā)生反射，另外一部分光穿過此端面?zhèn)鬏斀?jīng)過毛細(xì)玻璃管的內(nèi)腔到達毛細(xì)玻璃管與多模光纖連接的端面，由于該端面也很平滑，從而也有一部分光在此端面上發(fā)生反射，這部分反射回去的光會與在單模光纖端面反射回去的光在單模光纖內(nèi)部形成干涉，形成穩(wěn)定的干涉條紋。

當(dāng)毛細(xì)玻璃管內(nèi)部的氣壓在發(fā)生改變時，會使毛細(xì)玻璃管內(nèi)部的有效折射率發(fā)生改變，根據(jù)公式可知，相應(yīng)的干涉峰值波長的位置也會隨之改變，式中L為毛細(xì)玻璃管內(nèi)腔的長度, Φ為包層模與纖芯模之間的相位差。

當(dāng)相位差Φ滿足Φ=(2m+1)π或Φ=2mπ時，穩(wěn)定的干涉條紋就會出現(xiàn)。如果相位差為π的奇數(shù)倍，即Φ=(2m+1)π，則對應(yīng)干涉儀反射光譜中的波谷；如果相位差為π的偶數(shù)倍，即Φ=2mπ，則對應(yīng)干涉儀反射光譜中的波峰。當(dāng)干涉儀反射光譜的波峰或波谷對應(yīng)的波長隨著外界氣壓的變化而發(fā)生線性變化時，我們據(jù)此可以應(yīng)用該干涉儀來測量氣壓。另外，由于毛細(xì)玻璃管對外界環(huán)境的溫度變化反應(yīng)不敏感，因此可以忽略在氣壓測量中溫度對實驗結(jié)果的影響，這樣就可以消除測量中物理量交叉敏感的問題。