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光纖法珀液壓傳感器基本原理

2021-12-7  閱讀(880)

光纖法珀傳感器具有線(xiàn)性度好、重復(fù)性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特征,被廣泛地應(yīng)用

于壓力、溫度等傳感領(lǐng)域。光纖法珀傳感器往往使用具有優(yōu)良的力學(xué)和光學(xué)性能

的彈性膜片作為傳感元件的核心,接受外界待測(cè)參量的變化,同時(shí)作為法珀腔的

一個(gè)反射面,另一反射面為光纖端面。光信號(hào)通過(guò)光纖射入法珀腔之后,在兩個(gè)

反射面上發(fā)生反射,并疊加形成干涉信號(hào),耦合進(jìn)光纖中。干涉信號(hào)攜帶了法珀

腔的腔長(zhǎng)信息,彈性膜片在外界待測(cè)參量的作用下發(fā)生形變時(shí),相應(yīng)的法珀腔長(zhǎng)

會(huì)發(fā)生變化,干涉信號(hào)攜帶的信息也相應(yīng)發(fā)生變化,通過(guò)解調(diào)系統(tǒng)處理干涉信號(hào)

即可獲得腔長(zhǎng)信息,進(jìn)而獲得外界參量信息。本章首先介紹光纖法珀液壓傳感器

的基本結(jié)構(gòu),隨后按照液位-液壓換算關(guān)系、膜片受力形變的力學(xué)模型、法珀腔的

低相干干涉原理的順序?qū)γ嫦蛞何粶y(cè)量應(yīng)用的光纖法珀液壓傳感器的測(cè)量原理

進(jìn)行分析,最后分析了不同的力學(xué)模型、環(huán)境氣壓、法珀腔內(nèi)氣壓與環(huán)境溫度對(duì)

光纖法珀液壓傳感器測(cè)量精度的影響。

2.1 光纖法珀液壓傳感器基本結(jié)構(gòu)

光纖法珀液壓傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖 2-1 所示,這種傳感器大多由彈性膜片、

支撐體以及光纖三部分組成,彈性膜片與支撐體之間可以通過(guò)無(wú)機(jī)焊料、激光或

環(huán)氧膠進(jìn)行固定,光纖與支撐體之間可以通過(guò)紫外膠、激光或環(huán)氧膠進(jìn)行固定。

圖 2-1 光纖法珀液壓傳感器基本結(jié)構(gòu)

根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景實(shí)際需求的不同,膜片的材質(zhì)多種多樣,例如單晶硅

[39][40]、二

氧化硅

[34]、聚合物

[41][42]、金屬

[43][44]等等。膜片單面或雙面拋光,拋光面朝向法珀

腔內(nèi)側(cè),作為法珀腔的一個(gè)反射面,同時(shí)具有接受外界環(huán)境中待測(cè)參量的變化的

功能,例如壓力

[39]、溫度

[37]、震動(dòng)

[44]、氣體變化

[45]等等,并將外界力熱參量的變

化轉(zhuǎn)化為光學(xué)參量的變化。

支撐體與膜片類(lèi)似,可以根據(jù)實(shí)際需求的不同以及溫度補(bǔ)償?shù)仍O(shè)計(jì)要求來(lái)決

定材質(zhì),例如二氧化硅和金屬等等。支撐體與膜片接觸的一端自帶或通過(guò)刻蝕加

工出圓形微腔,作為法珀腔的側(cè)壁,為法珀腔提供初始腔長(zhǎng),同時(shí)作為光纖的保

護(hù)和連接體,使得光纖與膜片的形變中心保持準(zhǔn)直。

光纖的端面作為法珀腔的另一個(gè)反射面,與彈性膜片共同構(gòu)成法珀干涉系統(tǒng)

進(jìn)行傳感。光纖的種類(lèi)同樣可以根據(jù)光源、解調(diào)系統(tǒng)及傳感需求而進(jìn)行改變,既

可以是單模光纖,也可以是多模光纖。

光纖法珀液壓傳感器工作時(shí),光信號(hào)由光源發(fā)出,經(jīng)過(guò)光纖的傳輸,一部分

光信號(hào)在光纖端面發(fā)生反射,另一部分光信號(hào)通過(guò)法珀腔后垂直入射到彈性膜片

上,由彈性膜片底面的反射,傳輸回光纖端面并耦合進(jìn)光纖中,兩束光發(fā)生干涉。

外界力熱參量發(fā)生變化時(shí),彈性膜片受作用而產(chǎn)生形變,改變法珀腔腔長(zhǎng)和兩束

光的光程差,使得干涉條紋發(fā)生變化。通過(guò)對(duì)干涉條紋的解調(diào),便可以得到外界

力熱參量的信息,從而實(shí)現(xiàn)高精度傳感




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