專利名稱：基于短腔光纖激光器的微壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種固定在懸臂梁上的一支或者兩支短腔光纖激光器形成的拍頻信號(hào)隨外界微壓力的變化而變化的傳感器。
背景技術(shù)：
壓力和壓強(qiáng)是工程應(yīng)用領(lǐng)域中最常見的重要參量之一，是石油、化工、建筑等行業(yè)是必須監(jiān)測(cè)的傳感量。隨著各種應(yīng)用的不斷深入，對(duì)壓力傳感器有進(jìn)一步的需求，如在低壓氣體、真空度、風(fēng)壓監(jiān)測(cè)等應(yīng)用中需要高靈敏度、低量程的壓力傳感器。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上該種壓力傳感器多為基于MEMS的微壓傳感器，有壓阻式，電容式，諧振式等三種工作方式，其量程多數(shù)在1 KPa以上，少有低于1 KPa。電子式的微壓傳感器在復(fù)雜電磁環(huán)境等惡劣條件下，極容易受到干擾，限制了一些特殊場(chǎng)合的應(yīng)用。申請(qǐng)公布號(hào)為CN 101738281 A的專利 《改進(jìn)型風(fēng)載荷壓力傳感器》是基于MEMS的硅壓阻壓力傳感器，且集成了溫度傳感器、加熱器、溫度控制電路以及信號(hào)調(diào)理電路板，可以實(shí)現(xiàn)低量程(5 KPa)壓強(qiáng)測(cè)量。但該傳感器包含多個(gè)電路，在強(qiáng)電場(chǎng)強(qiáng)磁場(chǎng)等測(cè)量環(huán)境下并不適用，容易受干擾甚至失靈。光纖傳感技術(shù)是利用光纖或光纖型器件的各種光學(xué)信號(hào)對(duì)外界某些物理量敏感的特性進(jìn)行傳感測(cè)試的一種技術(shù)。其中，光纖布拉格光柵(FBG)和基于FBG的短腔光纖激光器其特征波長(zhǎng)對(duì)外界引起的應(yīng)變和溫度變化敏感，因此它們是一種波長(zhǎng)調(diào)制型光學(xué)傳感器。布拉格光纖光柵的Bragg波長(zhǎng)&由下式?jīng)Q定
式中為纖芯的有效折射率，Λ為光柵的周期。工作在光纖通信波段的FBG的周
期一般是幾百納米，它能夠波長(zhǎng)選擇性地對(duì)傳輸于纖芯基模光波進(jìn)行反射。基于FBG和懸臂梁結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)出能適應(yīng)高溫高壓、擾電磁干擾等惡劣環(huán)境的壓力傳感器，如申請(qǐng)公布號(hào)為CN 101750183 A的專利《光纖光柵壓力傳感器》所描述。但這種結(jié)構(gòu)的靈敏度約為 0. 008nm/N,只適合用于高壓下的壓力傳感，不適合作為低量程(1 KPa)微壓傳感器。在摻鉺光纖或鉺鐿共摻光纖上制作FBG而構(gòu)成的短腔光纖激光器的長(zhǎng)度約10 20mm。它作為傳感器不僅繼成了光纖光柵的優(yōu)點(diǎn)，還具備更高分辨率、更大信噪比。特別是采用兩支波長(zhǎng)非常相近的短腔光纖激光器的激光輸出或者采用正交雙頻激光器的兩個(gè)頻率通過適當(dāng)處理可以在光探測(cè)器上產(chǎn)生拍頻信號(hào)，頻率為兩個(gè)激光信號(hào)的差頻。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于短腔光纖激光器的微壓力傳感器。該傳感器利用短腔光纖激光器的激光輸出進(jìn)行拍頻實(shí)現(xiàn)傳感，用于解決微小壓強(qiáng)的高靈敏測(cè)量和抗干擾測(cè)量問題。本發(fā)明解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案之一為
基于短腔光纖激光器的微壓力傳感器，包括傳感器殼體、彈簧、彈性薄膜、鋁板、懸臂梁、第一短腔光纖激光器和第二短腔光纖激光器。傳感器殼體頂部固定設(shè)置彈性薄膜，設(shè)置在傳感器殼體內(nèi)的鋁板與彈性薄膜的底面緊貼，彈簧的一端與傳感器殼體內(nèi)底固定、另一端與鋁板的底面固定，所述的彈性薄膜、 鋁板和彈簧同軸設(shè)置。懸臂梁的一端與鋁板的邊沿固定、另一端與傳感器殼體內(nèi)壁固定；第一短腔光纖激光器緊貼懸臂梁的頂面，第二短腔光纖激光器緊貼懸臂梁的底面。所述的懸臂梁為等腰三角形的金屬板，所述的第一短腔光纖激光器和第二短腔光纖激光器均沿著金屬板的中軸線設(shè)置。本發(fā)明解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案之二為
基于短腔光纖激光器的微壓力傳感器，包括傳感器殼體、彈簧、彈性薄膜、鋁板、第一懸臂梁、第二懸臂梁和短腔光纖激光器。傳感器殼體頂部固定設(shè)置彈性薄膜，設(shè)置在傳感器殼體內(nèi)的鋁板與彈性薄膜的底面緊貼，彈簧的一端與傳感器殼體內(nèi)底固定、另一端與鋁板的底面固定，所述的彈性薄膜、 鋁板和彈簧同軸設(shè)置。第一懸臂梁的一端與鋁板的邊沿固定、另一端與傳感器殼體內(nèi)壁固定；第二懸臂梁的一端與鋁板的邊沿固定、另一端與傳感器殼體內(nèi)壁固定；第一懸臂梁位于第二懸臂梁的正上方，第一懸臂梁與第二懸臂梁形狀相同。所述的第一懸臂梁和第二懸臂梁均為等腰三角形的金屬板，所述的短腔光纖激光器位于第一懸臂梁和第二懸臂之間，且與第一懸臂梁和第二懸臂緊貼設(shè)置，短腔光纖激光器沿著金屬板的中軸線設(shè)置。本發(fā)明的有益效果(1)本發(fā)明利用短腔光纖激光器的拍頻信號(hào)頻率產(chǎn)生漂移的現(xiàn)象來實(shí)現(xiàn)低量程微壓力傳感，與傳統(tǒng)的光纖光柵壓力傳感相比本發(fā)明具備更高的靈敏度；(2)本發(fā)明提出兩種技術(shù)方案中第一種方案的靈敏度比第二種高，但是第二種傳感器的制備更加方便；(3)本發(fā)明采用光纖傳感技術(shù)，結(jié)構(gòu)緊湊，工藝簡(jiǎn)單，不受電磁干擾，與傳統(tǒng)的電子式低量程微壓力傳感方法相比，更適用于復(fù)雜電磁環(huán)境中使用，具有廣闊的發(fā)展前景。


圖1為本發(fā)明第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明中懸臂梁結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為利用第一實(shí)施例獲取拍頻信號(hào)裝置示意圖。圖5為利用第二實(shí)施例獲取拍頻信號(hào)裝置示意圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
如圖1所示的為本發(fā)明技術(shù)方案之一的傳感器結(jié)構(gòu)圖，包括第一短腔光纖激光器1-1， 第二短腔光纖激光器1-2，矩形截面等腰三角形懸臂梁2，受壓圓形鋁板3，彈性薄膜4，鋼絲彈簧5，傳感器殼體6。
傳感器殼體頂部固定設(shè)置彈性薄膜，設(shè)置在傳感器殼體內(nèi)的鋁板與彈性薄膜的底面緊貼，彈簧的一端與傳感器殼體內(nèi)底固定、另一端與鋁板的底面固定，所述的彈性薄膜、 鋁板和彈簧同軸設(shè)置。懸臂梁的一端與鋁板的邊沿固定、另一端與傳感器殼體內(nèi)壁固定；第一短腔光纖激光器緊貼懸臂梁的頂面，第二短腔光纖激光器緊貼懸臂梁的底面。所述的懸臂梁為等腰三角形的金屬板，所述的第一短腔光纖激光器和第二短腔光纖激光器均沿著金屬板的中軸線設(shè)置。本實(shí)施例中，短腔光纖激光器微壓力傳感器的制作方法包括以下步驟
步驟1 采用相位掩模板法在鉺鐿共摻光纖上分別制作第一短腔光纖激光器1-1和第二短腔光纖激光器1-2 ；
步驟2 采用鈹青銅板制作出一個(gè)矩形截面等腰三角形懸臂梁2，并將第一短腔光纖激光器1-1和第二短腔光纖激光器1-2用膠水粘貼于懸臂梁2上下表面的中線位置上； 步驟3 將受壓圓形鋁板3的外邊沿與懸臂梁2末端固定連接； 步驟4 將鋼絲彈簧5 —端固定連接在受壓圓形鋁板3中心位置，另一端固定連接在傳感器殼體6內(nèi)的底部，同時(shí)將懸臂梁固定端安裝在傳感器殼體6內(nèi)的懸臂梁2安裝孔上；
步驟5 彈性薄膜4緊貼放置于受壓圓形鋁板3之上，用外徑與傳感器殼體6外徑一樣大的圓環(huán)形鋁片壓緊彈性薄膜并用螺絲固定在傳感器殼體上。第一短腔光纖激光器1-1和第二短腔光纖激光器1-2均采用相位掩模板法在鉺鐿共摻光纖上制作，高反光柵反射率通常為99. 9%，低反光柵反射率約95%，整個(gè)激光器長(zhǎng)度約15mm，閾值泵浦功率為毫瓦量級(jí)。激光中心波長(zhǎng)為1550nm，信噪比大于60 dB。鈹青銅矩形截面等腰三角形懸臂梁2采用鈹青銅板制作，其示意圖如圖3所示，底邊寬度為知，長(zhǎng)度為￡，厚度為ft。所述的第一短腔光纖激光器1-1和第二短腔光纖激光器 1-2用膠水剛性地粘貼在懸臂梁2中線上。根據(jù)材料力學(xué)，可以推導(dǎo)出該矩形截面等腰三角形懸臂梁2為等強(qiáng)度懸臂梁，即在任何施加于懸臂梁2末端的力的作用下，粘貼在懸臂梁2上的FBG任意位置處的應(yīng)變均相等，且與作用力成線性關(guān)系。因此FBG不會(huì)產(chǎn)生啁啾效應(yīng)。FBG的中心波長(zhǎng)漂移量，即第一短腔光纖激光器1-1和第二短腔光纖激光器1-2的波長(zhǎng)漂移量，與施加在懸臂梁2末端的圧力—關(guān)系如下
Λ=沾!- (υ
MjEh0
式中￡.為懸臂梁長(zhǎng)度，h為寬&，h為厚度，彈光系數(shù)巧=0. 22，鈹青銅的楊氏模量s =130 GPa，i為短腔光纖激光器的中心波長(zhǎng)，力施加于懸臂梁末端的壓力大小。在力P的作用下，懸臂梁末端偏離平衡位置的距離，即撓度w為
鋼絲彈簧5采用鋼絲制作的圓柱螺旋壓縮彈簧，其剛度，即使彈簧產(chǎn)生單位變形
的載荷，為
權(quán)利要求
1.基于短腔光纖激光器的微壓力傳感器，包括傳感器殼體、彈簧、彈性薄膜、鋁板、懸臂梁、第一短腔光纖激光器和第二短腔光纖激光器，其特征在于傳感器殼體頂部固定設(shè)置彈性薄膜，設(shè)置在傳感器殼體內(nèi)的鋁板與彈性薄膜的底面緊貼，彈簧的一端與傳感器殼體內(nèi)底固定、另一端與鋁板的底面固定，所述的彈性薄膜、鋁板和彈簧同軸設(shè)置；懸臂梁的一端與鋁板的邊沿固定、另一端與傳感器殼體內(nèi)壁固定；第一短腔光纖激光器緊貼懸臂梁的頂面，第二短腔光纖激光器緊貼懸臂梁的底面；所述的懸臂梁為等腰三角形的金屬板，所述的第一短腔光纖激光器和第二短腔光纖激光器均沿著金屬板的中軸線設(shè)置。
2.基于短腔光纖激光器的微壓力傳感器，包括傳感器殼體、彈簧、彈性薄膜、鋁板、第一懸臂梁、第二懸臂梁和短腔光纖激光器，其特征在于傳感器殼體頂部固定設(shè)置彈性薄膜，設(shè)置在傳感器殼體內(nèi)的鋁板與彈性薄膜的底面緊貼，彈簧的一端與傳感器殼體內(nèi)底固定、另一端與鋁板的底面固定，所述的彈性薄膜、鋁板和彈簧同軸設(shè)置；第一懸臂梁的一端與鋁板的邊沿固定、另一端與傳感器殼體內(nèi)壁固定；第二懸臂梁的一端與鋁板的邊沿固定、另一端與傳感器殼體內(nèi)壁固定；第一懸臂梁位于第二懸臂梁的正上方，第一懸臂梁與第二懸臂梁形狀相同；所述的第一懸臂梁和第二懸臂梁均為等腰三角形的金屬板，所述的短腔光纖激光器位于第一懸臂梁和第二懸臂之間，且與第一懸臂梁和第二懸臂緊貼設(shè)置，短腔光纖激光器沿著金屬板的中軸線設(shè)置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于短腔光纖激光器的微壓力傳感器。傳統(tǒng)的微壓力傳感器受環(huán)境干擾比較大。本發(fā)明基于短腔光纖激光器的微壓力傳感器，包括傳感器殼體、彈簧、彈性薄膜、鋁板、懸臂梁、第一短腔光纖激光器和第二短腔光纖激光器。傳感器殼體頂部固定設(shè)置彈性薄膜，設(shè)置在傳感器殼體內(nèi)的鋁板與彈性薄膜的底面緊貼，彈簧的一端與傳感器殼體內(nèi)底固定、另一端與鋁板的底面固定，所述的彈性薄膜、鋁板和彈簧同軸設(shè)置。懸臂梁的一端與鋁板的邊沿固定、另一端與傳感器殼體內(nèi)壁固定；第一短腔光纖激光器緊貼懸臂梁的頂面，第二短腔光纖激光器緊貼懸臂梁的底面。本發(fā)明采用光纖傳感技術(shù)，結(jié)構(gòu)緊湊，工藝簡(jiǎn)單，不受電磁干擾。
文檔編號(hào)G01L1/00GK102221425SQ20111007700
公開日2011年10月19日 申請(qǐng)日期2011年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月29日
發(fā)明者張業(yè)斌, 張阿平, 高少銳 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)