本發(fā)明涉及光纖傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體指超高溫光纖F-P溫度壓力復(fù)合傳感器與系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

微機電系統(tǒng)(MEMS)，也叫做微電子機械系統(tǒng)、微系統(tǒng)、微機械等，是在微電子技術(shù)(半導(dǎo)體制造技術(shù))基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，融合了光刻、腐蝕、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密機械加工等技術(shù)制作的高科技電子機械器件。MEMS是一個獨立的智能系統(tǒng)，具有微型化、智能化、多功能、高集成度和適于大批量生產(chǎn)等基本特點。其系統(tǒng)尺寸在幾毫米乃至更小，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級。光纖傳感技術(shù)作為一種新型的傳感技術(shù)，具有傳統(tǒng)電學(xué)傳感無法比擬的優(yōu)勢，如：測量精度高、測量動態(tài)范圍大、響應(yīng)速度快、不受電磁干擾、防爆防燃、防腐蝕、易于遠(yuǎn)距離測量和復(fù)用、尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單、機械強度高等。因此，光纖傳感器在化工、橋梁、航空、軍事等得到廣泛的應(yīng)用。將MEMS技術(shù)和光纖傳感技術(shù)結(jié)合制作的光纖MEMS傳感器具有尺寸小、易于工業(yè)化生產(chǎn)、測量精度高、耐腐蝕耐高溫等諸多優(yōu)勢，具有巨大的應(yīng)用前景。

高溫傳感器一直是傳感器應(yīng)用領(lǐng)域的難點，同時也是研究的重點。目前，傳統(tǒng)電類傳感器如熱電偶等測量溫度一般為幾百度，特殊材料制作的可以達(dá)到1000多度，但其成本較高，且在上述易燃易爆環(huán)境下并不適用，也存在電磁干擾導(dǎo)致測量精度不高等問題，普通光纖光柵類傳感器如公開號CN101046412，公開了一種光纖光柵高溫傳感系統(tǒng)，采用兩個熱膨脹系數(shù)不同、長度不同的金屬條和光纖光柵制作成傳感探頭，其有效提高了光纖光柵本身溫度測量的局限性，且具有抗電磁干擾和本征防爆的特點，但最高測量溫度只達(dá)到600°，無法滿足超高溫環(huán)境下物理參數(shù)測量的需求。因此，現(xiàn)有技術(shù)還有待于改進(jìn)和發(fā)展。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對以上問題，本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)合理、穩(wěn)定可靠、精確度高的超高溫光纖F-P溫度壓力復(fù)合傳感器與系統(tǒng)。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明所述的超高溫光纖F-P溫度壓力復(fù)合傳感器與系統(tǒng),包括寬帶光源、復(fù)合探頭、耦合器、信號解調(diào)單元和處理終端，所述耦合器通過石英光纖分別與寬帶光源和信號解調(diào)單元連接，信號解調(diào)單元與處理終端連接，耦合器與復(fù)合探頭之間通過藍(lán)寶石光纖連接；所述復(fù)合探頭包括耐高溫殼體和光學(xué)校準(zhǔn)器，耐高溫殼體內(nèi)設(shè)有藍(lán)寶石基底制作的溫壓復(fù)合諧振腔，光學(xué)校準(zhǔn)器的前端穿入耐高溫殼體進(jìn)而與溫壓復(fù)合諧振腔對應(yīng)設(shè)置，藍(lán)寶石光纖的前端穿設(shè)于光學(xué)校準(zhǔn)器內(nèi)。

進(jìn)一步而言，所述耐高溫殼體的前端設(shè)有安裝槽，溫壓復(fù)合諧振腔嵌設(shè)于安裝槽內(nèi)，且溫壓復(fù)合諧振腔與耐高溫殼體之間粘接有耐高溫?zé)o機膠；所述光學(xué)校準(zhǔn)器從耐高溫殼體后端穿入安裝槽且與溫壓復(fù)合諧振腔對應(yīng)設(shè)置，耐高溫殼體上設(shè)有與光學(xué)校準(zhǔn)器固定連接的合金螺釘。

進(jìn)一步而言，所述溫壓復(fù)合諧振腔包括溫敏腔和壓敏腔，溫敏腔和壓敏腔均為藍(lán)寶石基制備而來；所述溫敏腔的前后兩端均為光學(xué)平面進(jìn)而構(gòu)成本征型藍(lán)寶石F-P腔，壓敏腔的后端面為光學(xué)平面，壓敏腔的后端面上設(shè)有凹槽，且溫敏腔的前端面與壓敏腔的后端面鍵合連接從而使凹槽構(gòu)成非本征型空氣F-B腔。

進(jìn)一步而言，所述藍(lán)寶石光纖的前端穿設(shè)于光學(xué)校準(zhǔn)器內(nèi)且與溫敏腔的后端面對應(yīng)設(shè)置，藍(lán)寶石光纖的前端具有拋磨成型面，拋磨成型面為5-8°的光學(xué)斜面或曲面透鏡結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明還提供了一種藍(lán)寶石基F-P諧振腔的制備工藝，其步驟如下：

步驟1，將藍(lán)寶石基底切割出溫敏腔和壓敏腔所需的規(guī)格毛片，再在壓敏腔毛片上腐蝕一個凹槽，將兩個毛片分別進(jìn)行拋磨；

步驟2，對兩個溫敏腔和壓敏腔進(jìn)行親水預(yù)處理；

步驟3，將溫敏腔的前端光學(xué)平面與壓敏腔后端面對接；

步驟4，將溫敏腔和壓敏腔進(jìn)行低溫預(yù)鍵合；

步驟5，將經(jīng)過預(yù)鍵合的溫敏腔和壓敏腔進(jìn)行高溫擴(kuò)散鍵合。

本發(fā)明有益效果為：本發(fā)明結(jié)構(gòu)合理，復(fù)合探頭采用耐高溫材料封裝制作，藍(lán)寶石基底采用MEMS工藝制作的本征型藍(lán)寶石F-P腔和非本征型空氣F-B腔，可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的微型化和批量加工，滿足1200℃以上超高溫環(huán)境的溫度和壓力測量，純光探測反饋信號采用相位解調(diào)方式解析，溫度測定值可以補償壓力腔的腔長變化，可以有效提高壓力值測定的精確度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的復(fù)合探頭內(nèi)部放大結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：

1、寬帶光源；2、耦合器；3、信號解調(diào)單元；4、耐高溫殼體；5、溫壓復(fù)合諧振腔；21、石英光纖；22、藍(lán)寶石光纖；23、拋磨成型面；31、處理終端；41、光學(xué)校準(zhǔn)器；42、合金螺釘；43、耐高溫?zé)o機膠；44、合金螺釘；51、溫敏腔；52、壓敏腔；53、凹槽。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行說明。

如圖1、圖2所示，本發(fā)明所述的超高溫光纖F-P溫度壓力復(fù)合傳感器與系統(tǒng),包括寬帶光源1、復(fù)合探頭、耦合器2、信號解調(diào)單元3和處理終端31，所述耦合器2通過石英光纖21分別與寬帶光源1和信號解調(diào)單元3連接，信號解調(diào)單元3與處理終端31連接，耦合器2與復(fù)合探頭之間通過藍(lán)寶石光纖22連接；所述復(fù)合探頭包括耐高溫殼體4和光學(xué)校準(zhǔn)器41，耐高溫殼體4內(nèi)設(shè)有藍(lán)寶石基底制作的溫壓復(fù)合諧振腔5，光學(xué)校準(zhǔn)器41的前端穿入耐高溫殼體4進(jìn)而與溫壓復(fù)合諧振腔5對應(yīng)設(shè)置，藍(lán)寶石光纖22的前端穿設(shè)于光學(xué)校準(zhǔn)器41內(nèi)；上述部件構(gòu)成本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)，寬帶光源1發(fā)出的光依次經(jīng)過石英光纖21、耦合器2、藍(lán)寶石光纖22進(jìn)入溫壓復(fù)合諧振腔5產(chǎn)生干涉信號，干涉信號由溫壓復(fù)合諧振腔5反射依次經(jīng)過藍(lán)寶石光纖22、耦合器2、石英光纖21傳輸給信號解調(diào)單元3進(jìn)行腔長解調(diào)，再由處理終端31解析并顯示溫度和壓力測定值；所述復(fù)合探頭整體采用耐高溫材料制作，且溫壓復(fù)合諧振腔5由藍(lán)寶石基底制作，從而可在1200℃以上環(huán)境中實現(xiàn)溫度壓力檢測，F(xiàn)-P溫壓復(fù)合諧振腔5測定溫度值可以補償壓力腔受溫度影響產(chǎn)生的腔長變化，從而可獲得更精確的壓力測定值。

更具體而言，所述耐高溫殼體4的前端設(shè)有安裝槽42，溫壓復(fù)合諧振腔5嵌設(shè)于安裝槽42內(nèi)，且溫壓復(fù)合諧振腔5與耐高溫殼體4之間粘接有耐高溫?zé)o機膠43；所述光學(xué)校準(zhǔn)器41從耐高溫殼體4后端穿入安裝槽42且與溫壓復(fù)合諧振腔5對應(yīng)設(shè)置，耐高溫殼體4上設(shè)有與光學(xué)校準(zhǔn)器41固定連接的合金螺釘44，所述耐高溫殼體4、合金螺釘44和耐高溫?zé)o機膠43均可耐受1200℃以上的高溫高壓環(huán)境，所述安裝槽43用于嵌裝和定位溫壓復(fù)合諧振腔5從而使其與光學(xué)校準(zhǔn)器41配對，光學(xué)校準(zhǔn)器41通過合金螺釘44固定在耐高溫殼體4上。

更具體而言，所述溫壓復(fù)合諧振腔5包括溫敏腔51和壓敏腔52，溫敏腔51和壓敏腔52均為藍(lán)寶石基制備而來；所述溫敏腔51的前后兩端均為光學(xué)平面進(jìn)而構(gòu)成本征型藍(lán)寶石F-P腔，壓敏腔52的后端面為光學(xué)平面，壓敏腔52的后端面上設(shè)有凹槽53，且溫敏腔51的前端面與壓敏腔52的后端面鍵合連接從而使凹槽53構(gòu)成非本征型空氣F-B腔；所述溫敏腔51和壓敏腔52均為藍(lán)寶石基材制備從而使其本身能耐受超過1200℃的環(huán)境，溫敏腔51和壓敏腔52為配對結(jié)構(gòu)且分別通過MEMS工藝切割、拋磨、腐蝕而成，其中壓敏腔52的對接面上蝕刻有凹槽53，且溫敏腔51和壓敏腔52之間的對接面均拋磨呈光學(xué)平面，從而二者對接鍵合后形成內(nèi)部含空腔的一體結(jié)構(gòu)，所述寬帶光源1發(fā)出的光進(jìn)入溫敏腔51構(gòu)成的本征型藍(lán)寶石F-P腔和壓敏腔52構(gòu)成的非本征型空氣F-B腔，產(chǎn)生的干涉信號反射回信號解調(diào)單元3，通過對漫反射干涉信號解析獲得相應(yīng)的溫度測定值和壓力測定值，進(jìn)而再對壓力腔受到的溫度干涉造成的腔長變化進(jìn)行彌補，從而獲得精確度更高的壓力值。

更具體而言，所述藍(lán)寶石光纖22的前端穿設(shè)于光學(xué)校準(zhǔn)器41內(nèi)且與溫敏腔51的后端面對應(yīng)設(shè)置，藍(lán)寶石光纖22的前端具有拋磨成型面23，拋磨成型面23為5-8°的光學(xué)斜面或曲面透鏡結(jié)構(gòu)；所述藍(lán)寶石光纖22的前端與溫敏腔51后端面相對從而構(gòu)成光線的進(jìn)出路徑，藍(lán)寶石光纖22的前端穿設(shè)于光學(xué)校準(zhǔn)器41內(nèi)且由耐高溫?zé)o機膠43固定，拋磨成型面23可消除藍(lán)寶石光纖22的端面與溫敏腔51之間形成F-P腔造成信號干涉的問題。

本發(fā)明還提供了上述藍(lán)寶石基F-P諧振腔的制備工藝，其步驟如下：

步驟1，將藍(lán)寶石基底切割出溫敏腔51和壓敏腔52所需的規(guī)格毛片，再在壓敏腔52毛片上腐蝕一個凹槽53，將兩個毛片分別進(jìn)行拋磨；

步驟2，對兩個溫敏腔51和壓敏腔52進(jìn)行親水預(yù)處理；

步驟3，將溫敏腔51的前端光學(xué)平面與壓敏腔52后端面對接；

步驟4，將溫敏腔51和壓敏腔52進(jìn)行低溫預(yù)鍵合；

步驟5，將經(jīng)過預(yù)鍵合的溫敏腔51和壓敏腔52進(jìn)行高溫擴(kuò)散鍵合。

以上結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。