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上海圓馨能源科技有限公司
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基于壓強(qiáng)變化的光纖傳感器
2021-12-7 閱讀(553)
由液體壓強(qiáng)公式可知，重力加速度視為常數(shù)時(shí)，由液體帶來(lái)的壓強(qiáng)只由液體
的密度以及監(jiān)測(cè)點(diǎn)與液面的垂直距離（即深度）有關(guān)，與液體的體積等因素?zé)o關(guān)，
而且換算公式簡(jiǎn)單。因此，只要測(cè)得液面以下特定位置由液體造成的壓強(qiáng)，通過(guò)
換算即可得到液位信息?，F(xiàn)有的各式各樣的光纖傳感技術(shù)中，光纖法珀液壓傳感
技術(shù)是在壓強(qiáng)傳感需求中被應(yīng)用的較多的一種。
光纖法珀傳感器的傳感元件為光纖內(nèi)部或外置的兩個(gè)反射面，這兩個(gè)反射面
構(gòu)成一個(gè)法布里-珀涉腔，光在法珀腔的兩個(gè)端面經(jīng)過(guò)多次反射后形成多光
束干涉。當(dāng)外界物理參量發(fā)生變化，導(dǎo)致兩個(gè)反射面之間的距離發(fā)生變化時(shí)，法
珀腔的腔長(zhǎng)發(fā)生變化，相干光束的光程差發(fā)生變化，使得干涉信號(hào)的強(qiáng)度和相位
信息發(fā)生變化，干涉信號(hào)傳回解調(diào)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)解調(diào)及后期數(shù)據(jù)處理即可獲得法珀
腔長(zhǎng)信息，進(jìn)一步獲得外界物理參量的變化信息。
光纖法珀液壓傳感器往往以特定材質(zhì)的彈性膜片作為法珀腔的一個(gè)反射面，
光纖端面或法珀腔支撐體的底座作為另一個(gè)反射面，法珀腔整體置于光纖以外，
是非本征光纖法珀傳感器的一種。應(yīng)用于液位傳感領(lǐng)域時(shí)，彈性膜片作為敏感元
件接受外界壓強(qiáng)的變化而發(fā)生形變，使得法珀腔長(zhǎng)發(fā)生變化，接收端經(jīng)過(guò)解調(diào)和
數(shù)據(jù)處理獲得法珀腔長(zhǎng)后，經(jīng)過(guò)材料力學(xué)知識(shí)進(jìn)行換算即可獲得外界壓強(qiáng)信息，
進(jìn)而獲得液位信息。
Wenhua Wang等人以激光熔接的方法制作的光纖法珀傳感器[34]，在水深5m
的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)分辨率為7mm的液位傳感，溫漂為0.25mm/℃，但傳感器的響應(yīng)
的線性度不好，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。黃偉榮等人提出在膜片中央引入凸臺(tái)結(jié)構(gòu)
[35]，通
過(guò)不同材料的熱膨脹系數(shù)不同來(lái)補(bǔ)償傳感器因熱膨脹而引起的溫度漂移，但并
未進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。Tao Lü等人利用中心帶有凸臺(tái)結(jié)構(gòu)的膜片制作光纖法珀傳感器
[36]，在溫度10℃~38℃以及水深3.5m的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)分辨率為2mm的液位傳感，
但封裝結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，制作成本較高。
基于壓強(qiáng)變化的光纖法珀液壓傳感器體積小，可根據(jù)測(cè)量范圍及精度等實(shí)際
需求自由設(shè)計(jì)傳感器參數(shù)，適用范圍廣，便于組網(wǎng)使用，具有上述兩種類型的光
纖傳感器的優(yōu)勢(shì)。但是也有相應(yīng)的不足，與基于應(yīng)力變化的光纖光柵傳
感器類似，基于壓強(qiáng)變化的光纖法珀傳感器的穩(wěn)定性、線性度等屬性同樣容易受
到傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及封裝設(shè)計(jì)的影響。與此同時(shí)，傳統(tǒng)的封閉結(jié)構(gòu)的光纖法珀
傳感器的法珀腔內(nèi)部存在殘余氣體，在壓強(qiáng)、溫度變化時(shí)均會(huì)引入測(cè)量誤差
[37][38]，
封閉結(jié)構(gòu)的光纖法珀液壓傳感器工作時(shí)還會(huì)將液面上方的氣壓計(jì)入液體壓強(qiáng)以
內(nèi)，引起額外的測(cè)量誤差。本文將針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)光纖法珀液壓傳感器的結(jié)構(gòu)
