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上海圓馨能源科技有限公司
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光纖法珀液壓傳感器基本原理
2021-12-7 閱讀(821)
光纖法珀傳感器具有線性度好,、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
