專利名稱：一種微壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種微壓力傳感器。
背景技術(shù)：
壓力和壓強是工程應(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)測的傳感量。隨著各種應(yīng)用的不斷深入，對壓力傳感器有進一步的需求，如在低壓氣體、真空度、風(fēng)壓監(jiān)測等應(yīng)用中需要高靈敏度、低量程的壓力傳感器。目前國內(nèi)市場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 Iffa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，限制了一些特殊場合的應(yīng)用。申請公布號為CN 101738281 A的專利 《改進型風(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調(diào)理電路板，可以實現(xiàn)低量程(5 KPa)壓強測量。但該傳感器包含多個電路，在強電場強磁場等測量環(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)信號對外界某些物理量敏感的特性進行傳感測試的一種技術(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對外界引起的應(yīng)變和溫度變化敏感， 因此它們是一種波長調(diào)制型光學(xué)傳感器。布拉格光纖光柵的Bragg波長
、由下式?jīng)Q定；Ib = 2 穠 Λ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，它能夠波長選擇性地對傳輸于纖芯基模光波進行反射。基于FBG和懸臂梁結(jié)構(gòu)可以設(shè)計出能適應(yīng)高溫高壓、擾電磁干擾等惡劣環(huán)境的壓力傳感器，如申請公布號為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度約10 20mm。它作為傳感器不僅繼成了光纖光柵的優(yōu)點，還具備更高分辨率、更大信噪比。特別是采用兩支波長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頻率通過適當(dāng)處理可以在光探測器上產(chǎn)生拍頻信號，頻率為兩個激光信號的差頻。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型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行拍頻實現(xiàn)傳感，用于解決微小壓強的高靈敏測量和抗干擾測量問題。本實用新型解決技術(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。本實用新型解決技術(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。本實用新型的有益效果(1)本實用新型利用短腔光纖激光器的拍頻信號頻率產(chǎn)生漂移的現(xiàn)象來實現(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實用新型具備更高的靈敏度；( 本實用新型提出兩種技術(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)本實用新型采用光纖傳感技術(shù)，結(jié)構(gòu)緊湊，工藝簡單，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為本實用新型第一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實用新型第二實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本實用新型中懸臂梁結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為利用第一實施例獲取拍頻信號裝置示意圖。圖5為利用第二實施例獲取拍頻信號裝置示意圖。
具體實施方式
實施例1如圖1所示的為本實用新型技術(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。[0026]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。懸臂梁為等腰三角形的金屬板，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。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%，整個激光器長度約15mm，閾值泵浦功率為毫瓦量級。激光中心波長為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~，長度力￡厚度為C。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。鋼絲彈簧5采用鋼絲制作的圓柱螺旋壓縮彈簧，受壓圓形鋁板3采用鋁合金板材加工而成，直徑為 ，硬度較大，重量較輕。彈性薄膜4采用橡膠薄膜，彈性系數(shù)小，起到傳遞壓力和防水功能。短腔光纖激光器的激光輸出進行拍頻是指將兩支激光器的激光輸出同時輸入到光電探測器上實現(xiàn)光波拍頻，如圖4所示，980nm泵浦光源4_6通過50 50的分束器4_5將泵浦光分成兩束，一束通過980/1550波分復(fù)用器4-3進入第一短腔光纖激光器1-1 ’另一束泵浦光通過另一個980/1550波分復(fù)用器4-4進入第二短腔光纖激光器1-2。第一短腔光纖激光器1-1的激光通過波分復(fù)用器4-3輸入到光電探測器4-7，第二短腔光纖激光器1-2 的激光通過波分復(fù)用器4-4輸入到光電探測器4-7，兩束激光在探測器4-7上進行拍頻，其信號頻率通過頻譜儀4-8獲得。實施例2如圖2所示的為本實用新型第二種技術(shù)方案的傳感器結(jié)構(gòu)圖，包括第一矩形截面等腰三角形懸臂梁2-1，第二矩形截面等腰三角形懸臂梁2-2，短腔光纖激光器2-3，和短腔光纖激光器等長度的普通光纖2-4，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。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。第一懸臂梁和第二懸臂梁均為等腰三角形的金屬板，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，在短腔光纖激光器旁還設(shè)置有普通光纖。短腔光纖激光器2-3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%，整個激光器長度約15mm，閾值泵浦功率為毫瓦量級。激光中心波長為1550nm，信噪比大于60 dB。兩個鈹青銅矩形截面等腰三角形懸臂梁采用鈹青銅板制作，長、寬、厚均相等。兩個懸臂梁采用螺絲貼緊固定成一體，并夾緊短腔光纖激光器和一段與短腔光纖激光器等長的普通光纖于等腰三角中線位置。由材料力學(xué)可知兩個等厚懸臂梁的中間面為其中性面， 即當(dāng)外力作用于懸臂梁末端時，懸臂梁上表面產(chǎn)生拉伸應(yīng)變，下表面產(chǎn)生壓縮應(yīng)變，中性面上沒有應(yīng)變產(chǎn)生，但置于兩個懸臂梁中間的短腔光纖激光器將受到上下懸臂梁的橫向壓力。此橫向壓力使光纖的雙折射效應(yīng)增強。由于雙折射效應(yīng)，該短腔光纖激光器將產(chǎn)生兩束偏振方向垂直且為單縱模的激光。將此兩束激光進行拍頻，其拍頻信號頻率為
權(quán)利要求1.一種微壓力傳感器，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。
2.一種微壓力傳感器，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。
專利摘要本實用新型涉及一種微壓力傳感器。傳統(tǒng)的微壓力傳感器受環(huán)境干擾比較大。本實用新型包括傳感器殼體、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。本實用新型采用光纖傳感技術(shù)，結(jié)構(gòu)緊湊，工藝簡單，不受電磁干擾。
文檔編號G01L11/02GK202083512SQ20112008739
公開日2011年12月21日 申請日期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 申請人:浙江大學(xué)