[發明專利]一種光纖F-P腔式壓力傳感器的溫度補償方法

有效

• 申請號: 201710580155.0
• 申請日: 2017-07-17
• 公開（公告）號: CN107560780B
• 公開（公告）日: 2020-02-14
• 發明（設計）人: 苑偉政;馬志波;郭雪濤;張晗
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G01L11/02
• 分類號: G01L11/02;G01L19/04
• 代理公司: 61204 西北工業大學專利中心
• 代理人: 呂湘連

1.一種光纖F-P腔式壓力傳感器的溫度補償方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一：在開始高溫壓力測量之前，將壓力傳感器輸出置零，后端光學解調系統記錄此時刻的F-P腔上下兩個表面、F-P腔下端基底結構的上下兩個表面所反射的光束的相位差δ₀和δ₁；

步驟二：環境溫度升至T_x，后端的光學解調系統記錄到δ₁發生變化，根據相位與膜厚的關系可以得出此時F-P腔下端基底結構的厚度為：h₁′，再根據厚度變化與構成傳感器F-P腔材料的熱膨脹系數計算得到此時環境溫度的值：T_x；根據已經得知的環境溫度T_x，計算出敏感膜片的厚度為h₂′，則根據h₁′、h₂′以及初始F-P腔長值計算得到在T_x的環境溫度下腔長的變化Δh，進一步得到在T_x的環境溫度下未施加壓力時的F-P腔的腔長h′；

步驟三：在T_x的溫度下，對敏感膜片施加壓力，記為：P_x，由于壓力的施加，F-P腔的腔長發生變化，記其腔長為h″，根據h″與h′可得，敏感膜片的撓曲度變化，記為：Δx，則根據敏感膜片的撓曲度和施加壓力的關系，可計算得到傳感器需要測量的壓力值：P_x。

2.如權利要求1所述的光纖F-P腔式壓力傳感器的溫度補償方法，其特征在于，所述步驟一中初始相位差的計算公式由下式可得：

其中，λ₀為光線的初始波長，n為F-P腔內介質的折射率，h為F-P腔長，θ為光線在F-P腔內的反射角，n′為基底材料介質的折射率，h₁為基底材料的厚度，θ′為光線在基底內的反射角。

3.如權利要求1所述的光纖F-P腔式壓力傳感器的溫度補償方法，其特征在于，所述步驟二的具體過程如下：

施加溫度，將傳感器置于溫度為T_x的環境中，此時T_x為未知量，首先考慮基底材料的腔長變化，根據得到的基底材料的干涉光譜得此時基底材料的相位差δ₁′，根據2式求出此時基底材料的厚度，記為h₁′，根據

h₁'＝h₁+α₁h₁(T_x-T₀) ③

計算得到T_x的大小,式中，T₀為初始溫度，α₁為基底材料的熱膨脹系數；至此，環境溫度的大小已知，記為T₁，

已知壓力敏感膜片的熱膨脹系數為α₂、敏感膜片的初始厚度為h₂，此時F-P腔長的變化，記作Δh：

Δh＝(h₁α₁-h₂α₂)×(T₁-T₀) ④

那么此時，F-P腔的腔長h′為，

h′＝h-Δh ⑤

將此時壓力敏感膜片的厚度記為h₂′。

4.如權利要求3所述的光纖F-P腔式壓力傳感器的溫度補償方法，其特征在于，作為一種替代方案，F-P腔的腔長h′根據此時得到的干涉圖樣和初始相位差δ₀，得到相位的改變量Δδ₁，再根據Δδ₁通過式1得到。

5.如權利要求1所述的光纖F-P腔式壓力傳感器的溫度補償方法，其特征在于，所述步驟三的具體過程如下：

對傳感器施加壓力，記為P_x；壓力敏感膜片在收到壓力后產生的撓曲度變化記為：Δx；根據施加壓力后得到的干涉圖樣和初始相位差δ₀，得到相位的改變量Δδ₂，再根據Δδ₂通過式1得到此時F-P腔的腔長，記為h″；壓力敏感膜片的撓曲度變化Δx＝h″-h′；

圓形壓力敏感膜片的撓曲度公式：

其中，E為材料的楊氏模量，μ為材料的泊松比，a為壓力敏感膜片的半徑，r為測量點與膜片圓心的距離，根據上式即求得所需要測量的壓力值P_x。