本發(fā)明涉及光纖傳感領(lǐng)域，具體的說，是涉及一種一體化光纖大壓力傳感器及其制作方法，該傳感器可以用于檢測(cè)液體、氣體的相對(duì)壓力和絕對(duì)壓力。

背景技術(shù)：

光纖法布里-珀羅壓力傳感器是光纖壓力傳感器中的一種，它通常由光纖端面和膜片端面構(gòu)成法布里-珀羅微諧振腔，當(dāng)壓力作用在膜片上將使膜片變形，而使得法珀腔長發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)傳感。近年來提出了一些設(shè)計(jì)方案，如2001年donc.abeysinghe等(donc.abeysinghe，samhitadasgupta，josepht.boyd，howarde.jackson，anovelmemspressuresensorfabricatedonanopticalfiber,ieeephotonicstechnologyletters,2001,13(9):993-995)在包層直徑分別為200微米和400微米，芯徑為190微米和360微米的多模光纖端面刻蝕出微腔，然后在該端面鍵合上硅片構(gòu)成傳感器；2005年junchengxu等(junchengxu,xingweiwang,kristiel.cooper,anbowang,miniatureall-silicafiberopticpressureandacousticsensors,opticsletters,2005,30(24):3269-3271)利用氫氟酸蝕刻大芯徑的石英光纖獲得石英膜片，石英膜片熔接于毛細(xì)管端面處，切割的單模光纖端面伸入到該毛細(xì)管中就與石英膜片構(gòu)成了光纖法布里-珀羅壓力傳感器；2006年xiaodongwang等(xiaodongwang，baoqingli，onofriol.russo,et.al.,diaphragmdesignguidelinesandanopticalpressuresensorbasedonmemstechnique,journalofmicroelectronics,2006,37:50-56)在500微米厚的pyrex玻璃微加工出微腔體，然后硅片鍵合在pyrex玻璃上，并和伸入腔體的光纖端面構(gòu)成了光纖法布里-珀羅腔；2006年王鳴等(王鳴，陳緒興，葛益嫻等，法布里-珀羅型光纖壓力傳感器及其制作方法，專利申請(qǐng)?zhí)枺?00610096596.5)利用單晶硅片，玻璃圓管，光纖法蘭盤和光纖插頭構(gòu)建了光纖法布里-珀羅腔。但是，目前大部分膜片光纖法布里-珀羅傳感器量程較窄，能測(cè)量的極限壓力范圍也較低，市場(chǎng)上尚無能用于80mpa以上壓力測(cè)量的光纖法布里-珀羅壓力傳感器。同時(shí)，目前大部分膜片光纖法布里-珀羅傳感器采用石英、pyrex玻璃、硅片等多種材料，各種材料間的連接方式多為膠粘連接，這對(duì)傳感器的精度、溫度和濕度特性不利。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種一體化光纖大壓力傳感器及其制作方法，該傳感器結(jié)構(gòu)可以避免傳統(tǒng)光纖法布里-珀羅傳感器有膠封裝的缺點(diǎn)，同時(shí)具有更寬的量程，也可以測(cè)量更高的壓力。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種一體化光纖大壓力傳感器，包括傳感單元、玻璃毛細(xì)管、傳感器體、焊接點(diǎn)、外殼和法布里-珀羅腔；所述傳感單元由感壓膜片、玻璃基底和傳輸光纖構(gòu)成；其中感壓膜片底面經(jīng)過拋光處理，作為彈性膜片感受壓力，同時(shí)作為法布里-珀羅腔的第二個(gè)反射面；玻璃基底的上表面中部腐蝕有微腔，微腔底部作為法布里-珀羅腔的第一個(gè)反射面，微腔的腐蝕深度決定法布里-珀羅腔的初始長度；

所述玻璃基底與傳感器體間通過陽極鍵合的方式連接為一體；玻璃毛細(xì)管貼合在玻璃基底底面，并通過激光焊接的方式連接；傳感器體與外殼連接成一體為傳感單元提供保護(hù)；

所述傳輸光纖從玻璃毛細(xì)管底端孔插入并固定，傳輸光纖的上端面與玻璃基底底面貼合。

所述玻璃基底和玻璃毛細(xì)管的材質(zhì)包括pyrex玻璃、熔融石英材料或藍(lán)寶石材料。

所述感壓膜片和傳感器體的材質(zhì)為金屬材料。

所述傳輸光纖由單模光纖或多模光纖構(gòu)成。

一種一體化光纖大壓力傳感器的制作方法，包括以下步驟：

(1)制作感壓膜片與傳感器體：設(shè)計(jì)感壓膜片的材料、直徑與厚度；選取材料與感壓膜片材料相同的金屬圓柱；在所選取的金屬圓柱上加工圓孔并使圓孔直徑等于感壓膜片直徑，圓孔深度等于金屬圓柱高度減去感壓膜片的厚度；對(duì)金屬圓柱未加工孔的底面進(jìn)行拋光處理，并在金屬圓柱外部加工用于連接和夾持的螺紋、凸臺(tái)結(jié)構(gòu)得到傳感器體；

(2)制作傳感單元：在圓柱形的玻璃中部腐蝕微腔制成玻璃基底；將步驟(1)中制作好的傳感器體與玻璃基底清洗、干燥后放入陽極鍵合機(jī)，使玻璃基底上表面與感壓膜片底面同心貼合并進(jìn)行陽極鍵合；鍵合完成后將其置于激光焊接設(shè)備中，令玻璃毛細(xì)管上端面與玻璃基底下表面同心貼合，利用激光將兩者焊為一體；將切割好的傳輸光纖從玻璃毛細(xì)管底端插入，使傳輸光纖上端面與玻璃基底下表面貼合；微調(diào)傳輸光纖位置并通過光譜儀觀測(cè)干涉信號(hào)，待信號(hào)最強(qiáng)時(shí)通過膠粘劑固定光纖位置；

(3)將外殼與傳感器體焊接為一體，完成所述一體化光纖大壓力傳感器的制作。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案所帶來的有益效果是：

1、本發(fā)明傳感器中，傳感器體與感壓膜片為一體結(jié)構(gòu)，提高了傳感器的耐壓強(qiáng)度、穩(wěn)定性，減少了不同材料間因熱膨脹系數(shù)不同而造成的溫度漂移現(xiàn)象；同時(shí)本傳感器的一體化結(jié)構(gòu)顯著提高了傳感器的壓力探測(cè)范圍，使得本傳感器可以用于高壓甚至超高壓環(huán)境的壓力測(cè)量。

2、本發(fā)明傳感器中，通過玻璃-玻璃激光焊接、玻璃-金屬陽極鍵合、金屬-金屬氬弧焊接，做到了一體化無膠封裝，提高了傳感器的測(cè)量精度和重復(fù)性，降低了傳感器的溫度響應(yīng)。

3、本發(fā)明整個(gè)傳感器中，只有一體化的傳感器體和感壓膜片接觸被測(cè)壓力介質(zhì)，可以通過選擇合適的材料來適應(yīng)不同介質(zhì)環(huán)境的壓力測(cè)量需求。

附圖說明

圖1是本發(fā)明傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明中法布里-珀羅腔結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的具體實(shí)施例中的傳感系統(tǒng)示意圖；

圖4是本發(fā)明傳感器的反射光譜圖；

附圖標(biāo)記：1、感壓膜片，2、玻璃基底，3、玻璃毛細(xì)管，4、傳感器體，5、焊接點(diǎn)，6、傳輸光纖，7、外殼，8、法布里-珀羅腔，9、一體化光纖大壓力傳感器，10、白光光源，11、3db耦合器，12、壓力罐，13、光譜儀

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述：

如圖1和圖2所示，該一體化光纖大壓力傳感器由傳感器體4、傳感單元和外殼7組成。傳感器體4和感壓膜片1為一體化制作，在同一個(gè)金屬圓柱體上精密加工圓形孔，并使孔的直徑等于設(shè)計(jì)的感壓膜片1直徑，孔的深度等于圓柱高度減去設(shè)計(jì)的感壓膜片1厚度，即完成了帶有感壓膜片1的傳感器體4制作。

感壓膜片1、玻璃基底2和傳輸光纖6構(gòu)成傳感器的傳感單元；其中感壓膜片1底面經(jīng)過拋光處理，作為彈性膜片感受壓力，同時(shí)作為法布里-珀羅腔8的第二個(gè)反射面；玻璃基底2上表面中心腐蝕有微腔，微腔底部作為法布里-珀羅腔8的第一個(gè)反射面，微腔的腐蝕深度決定法布里-珀羅腔8的初始長度；玻璃基底2與傳感器體4間通過陽極鍵合的方式連接為一體；玻璃毛細(xì)管3貼合在玻璃基底2底面，并通過激光焊接的方式連接，作為傳輸光纖6的固定與對(duì)中裝置；傳輸光纖6從玻璃毛細(xì)管3底端孔插入并固定，且其端面與玻璃基底2底面緊密貼合。傳感器體4與外殼7間焊接為一體，為傳感單元提供保護(hù)。

當(dāng)壓力作用在感壓膜片1的上表面時(shí)，感壓膜片1發(fā)生變形，從而改變感壓膜片1的下表面和玻璃基底腐蝕微腔底面之間的距離，即法布里-珀羅腔8的腔長，實(shí)現(xiàn)壓力信息轉(zhuǎn)化為腔長傳感信息。

本實(shí)施例中：傳感器體和感壓膜片材料范圍包括不銹鋼、鈦合金等各種金屬材料；玻璃基底和玻璃毛細(xì)管材料范圍包括pyrex玻璃或熔融石英材料，以及藍(lán)寶石等耐高溫材料；傳輸光纖包括單模光纖、多模光纖或其他大芯徑光纖。

本實(shí)施例中對(duì)一體化光纖大壓力傳感器的腔長解調(diào)如下：

由一體化光纖大壓力傳感器組成的傳感系統(tǒng)如圖3所示，白光光源10發(fā)出的光耦合到光纖，經(jīng)過一個(gè)3db耦合器11后，進(jìn)入一體化光纖大壓力傳感器9并入射到傳感單元；經(jīng)上下膜片反射后，帶有腔長信息的反射光重新返回3db耦合器11，之后進(jìn)入光譜儀13。通過光譜儀13掃描得到傳感器返回的光譜，圖4是光譜儀測(cè)取的本傳感器的輸出光譜；通過求取光譜包絡(luò)的峰值位置，即可獲得光纖法布里-珀羅腔8的腔長信息，法布里-珀羅腔長與其干涉光譜之間的關(guān)系式為：其中，d表示法布里-珀羅腔長λ1,λ2分別表示光譜包絡(luò)的兩個(gè)峰值位置。

一體化光纖大壓力傳感器9安裝在壓力罐12的壓力出口上。壓力罐12施加的壓力通過傳壓介質(zhì)作用于感壓膜片1上時(shí)，感壓膜片1發(fā)生變形，從而改變感壓膜片1的下表面和玻璃基底腐蝕微腔底面之間的距離即法布里-珀羅腔8的腔長，法布里-珀羅腔長與壓力的關(guān)系式為：δd為法布里-珀羅腔長變化量，p表示壓力，e為感壓膜片1的楊氏模量，ν為感壓膜片1的泊松比，b為腐蝕微腔的直徑，c為感壓膜片1的厚度。

以上對(duì)具體實(shí)施方式的描述旨在描述和說明本發(fā)明的技術(shù)方案，上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，并不是限制性的。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，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下還可做出很多形式的具體變換，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。