本實(shí)用新型涉及光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種全新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的全石英光纖琺珀壓力傳感器。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，隨著國(guó)防、航空航天、能源、環(huán)境、電力、汽車等領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，對(duì)傳感器的微型化、低耗能、耐惡劣環(huán)境等要求提出了更高的要求。光纖式傳感器因其具有較好的隱身性，較高的測(cè)量精度和靈敏度、較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，測(cè)量范圍寬，本質(zhì)安全，不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，受到越來(lái)越多的關(guān)注。

光纖琺珀傳感器因尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高等特點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。光纖琺珀壓力傳感器是主要應(yīng)用之一，被廣泛應(yīng)用于國(guó)防安全、航空航天、石油勘測(cè)等領(lǐng)域。目前，光纖琺珀壓力傳感器的制作方法有MEMS技術(shù)、電弧焊光子晶體光纖技術(shù)等。但這些方法存在制作工藝復(fù)雜、成本高、耐高溫性能差等缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，而提供兩種全新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)且具有靈敏度高、耐高溫性能好、溫度系數(shù)低、加工方法簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)的全石英光纖琺珀壓力傳感器。

本實(shí)用新型是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種結(jié)構(gòu)的全石英光纖琺珀壓力傳感器，包括光纖、中空石英管和石英球殼；中空石英管的一端口與石英球殼連接相通，光纖的一端（即內(nèi)端）從中空石英管的另一端口插入并伸至石英球殼內(nèi)，同時(shí)光纖與中空石英管熔接在一起，形成密閉空腔。其中，石英球殼為空心狀的球形殼體，其壁厚與所測(cè)試壓力的量程與靈敏度有關(guān)。

其中，光纖伸至石英球殼內(nèi)的一端端面（即內(nèi)端面）為垂直切平狀或半球狀（也可稱為半球輻射狀）。當(dāng)光纖伸至石英球殼內(nèi)的內(nèi)端面為半球狀時(shí)，半球狀的焦點(diǎn)與石英球殼內(nèi)表面的焦點(diǎn)重合。

光纖與中空石英管的熔接點(diǎn)距離光纖內(nèi)端面的長(zhǎng)度大于光纖內(nèi)端面距離石英球殼內(nèi)表面的長(zhǎng)度（即大于實(shí)際琺珀腔的長(zhǎng)度），其具體比值根據(jù)光纖材料的熱膨脹系數(shù)不同而變化，調(diào)整熔接點(diǎn)的位置，可以調(diào)整傳感器的溫度系數(shù)。

另一種結(jié)構(gòu)的全石英光纖琺珀壓力傳感器，包括光纖、中空石英管和石英球殼；中空石英管的一端口與石英球殼連接相通；光纖外套裝并熔接有第一石英套管，中空石英管外套裝并熔接有第二石英套管，第一石英套管和第二石英套管外共同套裝并熔接有第三石英套管，以形成密閉空腔；第一石英套管位于第三石英套管的一端端口處，光纖的一端置于第三石英套管外、另一端置于第三石英套管內(nèi)；第二石英套管位于第三石英套管的另一端端口處，中空石英管的管口朝外且石英球殼位于第三石英套管內(nèi)；光纖置于第三石英套管內(nèi)的一端端面與石英球殼相對(duì)而置。其中，石英球殼為空心狀的球形殼體，其壁厚與所測(cè)試壓力的量程與靈敏度有關(guān)。

其中，光纖置于第三石英套管內(nèi)的一端端面（即內(nèi)端面）為垂直切平狀。

光纖與第一石英套管的熔接點(diǎn)距離光纖內(nèi)端面的長(zhǎng)度大于光纖內(nèi)端面距離石英球殼外表面的長(zhǎng)度。

上述兩種結(jié)構(gòu)的全石英光纖琺珀壓力傳感器中，光纖可選擇單模光纖、多模光纖、光子晶體光纖、粗芯光纖或邊孔光纖等。

本實(shí)用新型所述的兩種結(jié)構(gòu)的全石英光纖琺珀壓力傳感器，其核心結(jié)構(gòu)都是由光纖、中空石英管和石英球殼構(gòu)成的，一種為光纖置于石英球殼內(nèi)，另一種是光纖置于石英球殼外并與石英球殼相對(duì)而置，兩種結(jié)構(gòu)的全石英光纖琺珀壓力傳感器的使用及測(cè)試原理是相同的，具體為：光纖的內(nèi)端端面（垂直切平狀或半球輻射狀）與石英球殼內(nèi)表面或外表面形成平行的反射面，構(gòu)成琺珀腔。光經(jīng)光纖內(nèi)端面時(shí)，部分光反射回光纖，部分光透過(guò)光纖內(nèi)端面，到達(dá)球殼內(nèi)表面或外表面并反射耦合進(jìn)入光纖。兩部分反射光形成干涉光譜。當(dāng)外界環(huán)境壓力變化時(shí)，石英球殼受到擠壓，石英球殼內(nèi)表面或外表面反射回光纖的光程發(fā)生變化，從而改變干涉光譜，解調(diào)干涉光譜，從而達(dá)到測(cè)量外界環(huán)境壓力的效果。當(dāng)傳感器應(yīng)用于高溫環(huán)境的測(cè)量時(shí)，由于熔接點(diǎn)（第一種結(jié)構(gòu)中指光纖與中空石英管的熔接點(diǎn)，第二種結(jié)構(gòu)中指光纖與第一石英套管的熔接點(diǎn)）距離光纖內(nèi)端面的長(zhǎng)度大于光纖內(nèi)端面距離球殼內(nèi)表面或外表面的長(zhǎng)度，光纖向內(nèi)的熱膨脹會(huì)抵消球殼本向外的熱膨脹，從而降低傳感器的溫度漂移。

圖4為本實(shí)用新型傳感器的干涉光譜圖，從圖中可以得出，本實(shí)用新型傳感器的光強(qiáng)達(dá)到-24dB,對(duì)比度達(dá)7dB；圖5為本實(shí)用新型傳感器的壓力響應(yīng)曲線，從圖中可以得出，本實(shí)用新型傳感器對(duì)壓力有良好的線性響應(yīng)，響應(yīng)靈敏度達(dá)-6.61nm/MPa。

本實(shí)用新型具有以下有益效果：

（1）設(shè)計(jì)科學(xué)合理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單新穎；（2）成本低廉，制備工藝簡(jiǎn)單，無(wú)需大型儀器；（3）信號(hào)耦合情況好，靈敏度高；（4）全石英結(jié)構(gòu)耐高溫性能良好，溫度系數(shù)低。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖一。

圖2為本實(shí)用新型傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖二。

圖3為本實(shí)用新型傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖三。

圖4為本實(shí)用新型傳感器的干涉光譜圖。

圖5為本實(shí)用新型傳感器的壓力響應(yīng)曲線。

圖中：1-光纖、2-中空石英管、3-石英球殼、4-垂直切平狀、5-半球狀、6-熔接點(diǎn)、7-第一石英套管、8-第二石英套管、9-第三石英套管。

具體實(shí)施方式

為了使本實(shí)用新型的目的及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。

如圖1至圖3所示，本實(shí)用新型提供了一種全石英光纖琺珀壓力傳感器，包括光纖1、中空石英管2和石英球殼3，光纖1可選擇單模光纖、多模光纖、光子晶體光纖、粗芯光纖或邊孔光纖等；石英球殼3為空心狀的球形殼體，其壁厚與所測(cè)試壓力的量程與靈敏度有關(guān)，中空石英管2的一端與石英球殼3連接相通；

所述傳感器的一種結(jié)構(gòu)如圖1、2所示，具體為：光纖1的一端從中空石英管2的另一端插入并伸至石英球殼3內(nèi)；光纖1插入石英球殼3內(nèi)的內(nèi)端面為垂直切平狀4或半球狀5，當(dāng)光纖內(nèi)端面為半球狀5時(shí)，半球狀5的焦點(diǎn)與石英球殼3內(nèi)表面的焦點(diǎn)重合；光纖1與中空石英管2熔接在一起，形成密閉空腔，光纖1與中空石英管2的熔接點(diǎn)6距離光纖1內(nèi)端面的長(zhǎng)度大于光纖1內(nèi)端面距離石英球殼3內(nèi)表面的長(zhǎng)度，其具體比值根據(jù)光纖材料的熱膨脹系數(shù)不同而變化；調(diào)整熔接點(diǎn)位置，以調(diào)傳感器的溫度系數(shù)。

所述傳感器的另一種結(jié)構(gòu)如圖3所示，具體為：光纖1外套裝并熔接有第一石英套管7，中空石英管2外套裝并熔接有第二石英套管8，第一石英套管7和第二石英套管8外共同套裝并熔接有第三石英套管9，形成密閉空腔；第一石英套管7位于第三石英套管9的一端端口處，光纖1的一端置于第三石英套管9外、另一端置于第三石英套管9內(nèi)；第二石英套管8位于第三石英套管9的另一端端口處，中空石英管2的管口朝外且石英球殼3位于第三石英套管9內(nèi)；光纖1置于第三石英套管9內(nèi)的一端端面為垂直切平狀4且該端面與石英球殼3相對(duì)而置。光纖1與第一石英套管）的熔接點(diǎn)6距離光纖1內(nèi)端面的長(zhǎng)度大于光纖1內(nèi)端面距離石英球殼3外表面的長(zhǎng)度，其具體比值根據(jù)光纖材料的熱膨脹系數(shù)不同而變化；調(diào)整熔接點(diǎn)位置，以調(diào)傳感器的溫度系數(shù)。

本具體實(shí)施的原理為：垂直切平狀4或半球狀5光纖1內(nèi)端面與石英球殼3內(nèi)表面或外表面形成平行的反射面，構(gòu)成琺珀腔。光經(jīng)光纖1內(nèi)端面時(shí)，部分光反射回光纖1，部分光透過(guò)光纖1內(nèi)端面，到達(dá)球殼3內(nèi)表面或外表面并反射耦合進(jìn)入光纖1。兩部分反射光形成干涉光譜。當(dāng)外界環(huán)境壓力變化時(shí)，石英球殼3受到擠壓，石英球殼3內(nèi)表面或外表面反射回光纖1的光程發(fā)生變化，從而改變干涉光譜。解調(diào)干涉光譜，從而達(dá)到測(cè)量外界環(huán)境壓力的效果。當(dāng)傳感器應(yīng)用于高溫環(huán)境的測(cè)量時(shí)，由于熔接點(diǎn)6距離光纖1內(nèi)端面的長(zhǎng)度應(yīng)大于光纖1內(nèi)端面距離石英球殼3內(nèi)表面或外表面的長(zhǎng)度，光纖1向內(nèi)的熱膨脹會(huì)抵消球殼本向外的熱膨脹，從而降低傳感器的溫度系數(shù)。

實(shí)施例1

一種全石英光纖琺珀壓力傳感器：光纖1使用康寧公司生產(chǎn)的普通單模光纖，其外直徑為125μm，內(nèi)端部為垂直切平狀4；中空石英管2內(nèi)外徑分別為126μm和200μm，石英球殼3外直徑280μm，壁厚約為5μm。光纖1內(nèi)端面距離石英球殼3內(nèi)表面的長(zhǎng)度為200μm，熔接點(diǎn)6位置距離光纖1內(nèi)端面的長(zhǎng)度為2000μm左右。

實(shí)施例2

一種全石英光纖琺珀壓力傳感器：光纖1使用康寧公司生產(chǎn)的普通多模光纖，其外直徑為125μm，內(nèi)端面為半球狀4；中空石英管2內(nèi)外徑分別為135μm和200μm，石英球殼3外直徑350μm，壁厚約為3μm；光纖1內(nèi)端面距離石英球殼3內(nèi)表面的長(zhǎng)度為110μm，熔接點(diǎn)6位置距離光纖1內(nèi)端面的長(zhǎng)度為1125μm左右。

實(shí)施例3

一種全石英光纖琺珀壓力傳感器：光纖1使用康寧公司生產(chǎn)的普通多模光纖，其外直徑為125μm，內(nèi)端面為垂直切平狀4；中空石英管2內(nèi)外徑分別為125μm和80μm，石英球殼3外直徑200μm，壁厚約為3μm；第一石英套管7和第二石英套管8內(nèi)外直徑均為135μm和250μm，第三石英套管9內(nèi)外直徑分別為260μm和350μm。光纖1內(nèi)端面距離石英球殼3外表面的長(zhǎng)度為50μm，熔接點(diǎn)6位置距離光纖1內(nèi)端面的長(zhǎng)度為550μm左右。

以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。