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光纖法珀液壓傳感器基本原理
2021-12-7 閱讀(710)
光纖法珀傳感器具有線性度好、重復(fù)性好、結(jié)構(gòu)簡單等特征，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。光信號通過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，耦合進(jìn)光纖中。干涉信號攜帶了法珀
腔的腔長信息，彈性膜片在外界待測參量的作用下發(fā)生形變時(shí)，相應(yīng)的法珀腔長
會(huì)發(fā)生變化，干涉信號攜帶的信息也相應(yīng)發(fā)生變化，通過解調(diào)系統(tǒng)處理干涉信號
即可獲得腔長信息，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量應(yīng)用的光纖法珀液壓傳感器的測量原理
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
光纖法珀液壓傳感器測量精度的影響。
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無機(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，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)，光信號由光源發(fā)出，經(jīng)過光纖的傳輸，一部分
光信號在光纖端面發(fā)生反射，另一部分光信號通過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，改變法珀腔腔長和兩束
光的光程差，使得干涉條紋發(fā)生變化。通過對干涉條紋的解調(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
