[發(fā)明專利]一種高溫光纖動(dòng)態(tài)壓力傳感器及其壓力計(jì)算方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210340117.9
• 申請(qǐng)日: 2022-04-02
• 公開（公告）號(hào): CN114486054A
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 代志國(guó);代勇波;鄭斯頏;岳立;廖春惠;段德瑞;何國(guó)銳;彭鵬;朱世民
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 成都凱天電子股份有限公司
• 主分類號(hào): G01L11/02
• 分類號(hào): G01L11/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種高溫光纖動(dòng)態(tài)壓力傳感器，其特征在于，包括傳感器探頭、傳輸光纜和光電調(diào)解模塊；

所述傳感器探頭包括膜片基座，所述膜片基座的頂部固定設(shè)置有敏感膜片，所述敏感膜片的上表面為受力面，下表面為光反射面，敏感膜片的下表面和膜片基座的上表面之間設(shè)置有間距，敏感膜片的材料為高溫變形合金；

膜片基座內(nèi)部設(shè)置有發(fā)射光纖和接收光纖，所述發(fā)射光纖和接收光纖的一端均與膜片基座的上表面相接；

光電調(diào)解模塊包括光源和光電探測(cè)器；發(fā)射光纖的另一端通過所述傳輸光纜與所述光源連接，接收光纖的另一端通過傳輸光纜與所述光電探測(cè)器連接。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫光纖動(dòng)態(tài)壓力傳感器，其特征在于，所述敏感膜片的形狀為底部具有開口的中空?qǐng)A柱結(jié)構(gòu)，敏感膜片的頂部直徑為1.5mm~5mm，敏感膜片的圓周側(cè)面底部與所述膜片基座上表面固定連接，敏感膜片頂部下表面對(duì)光信號(hào)的反射率為80%~95%，敏感膜片的撓度為10μm~50μm。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高溫光纖動(dòng)態(tài)壓力傳感器，其特征在于，所述敏感膜片頂部的下表面設(shè)置有金屬鍍層，所述金屬鍍層的厚度為0.1μm~3μm。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫光纖動(dòng)態(tài)壓力傳感器，其特征在于，所述膜片基座內(nèi)部中心處設(shè)置有光纖基座，所述光纖基座的上表面與膜片基座的上表面平齊，所述發(fā)射光纖和接收光纖固定在光纖基座內(nèi)，發(fā)射光纖和接收光纖的一端端面均與膜片基座的上表面平齊。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高溫光纖動(dòng)態(tài)壓力傳感器，其特征在于，所述發(fā)射光纖和接收光纖均為耐高溫多模光纖；發(fā)射光纖和接收光纖的纖芯直徑均為50μm ~500μm，發(fā)射光纖和接收光纖的數(shù)值孔徑NA為0.2~0.37，發(fā)射光纖和接收光纖均設(shè)置有涂覆層，涂覆層為聚酰亞胺涂覆層或金屬涂覆層，發(fā)射光纖和接收光纖之間的間距為0μm ~500μm。

6.一種根據(jù)權(quán)利要求1~5任一所述的高溫光纖動(dòng)態(tài)壓力傳感器的壓力計(jì)算方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、獲取高溫光纖動(dòng)態(tài)壓力傳感器的反射光強(qiáng)特性曲線，反射光強(qiáng)特性曲線的橫坐標(biāo)為發(fā)射光纖和接收光纖到敏感膜片反射面的距離，縱坐標(biāo)為接收光纖接收得到的光信號(hào)強(qiáng)度；

S2、外界壓力作用于敏感膜片，計(jì)算發(fā)射光纖端面出射光場(chǎng)強(qiáng)度：

其中，P₀為光源耦合到發(fā)射光纖中的光功率，w(d)為距離發(fā)射光纖端面d處的模場(chǎng)半徑，NA為發(fā)射光纖的數(shù)值孔徑，r_T為發(fā)射光纖的纖芯半徑，d為發(fā)射光纖和接收光纖到敏感膜片反射面的距離；ρ為遠(yuǎn)離發(fā)射光纖中心的徑向距離；和η均為無量綱的參數(shù)，的值為 0.21，η的值為1.6；

S3、根據(jù)斯涅爾定理，計(jì)算當(dāng)前反射光錐的模場(chǎng)半徑為：

d'=2d+h

其中，W（d'）為當(dāng)前反射光錐的模場(chǎng)半徑，d'為發(fā)射光纖投射到接收光纖端面時(shí)光波的傳播距離，h為發(fā)射光纖和接收光纖端部的偏移距離；

S4、根據(jù)當(dāng)前反射光錐的模場(chǎng)半徑W（d'），計(jì)算接收光纖端面上的光強(qiáng)分布：

其中，I_R（ρ,d）為接收光纖端面上的光強(qiáng)分布，I（ρ, d'）為敏感膜片反射面的光場(chǎng)強(qiáng)度，δ為敏感膜片反射面的反射率；

S5、根據(jù)接收光纖端面上的光強(qiáng)分布，計(jì)算耦合進(jìn)入接收光纖中的光功率P(d)，耦合進(jìn)入接收光纖中的光功率的計(jì)算公式為：

其中， S_R為接收光纖芯徑和反射光錐的重疊面積；

S6、定義耦合進(jìn)入接收光纖中的光功率的計(jì)算公式的特征函數(shù)M：

則，耦合進(jìn)入接收光纖中的光功率P(d)為：

其中，s為發(fā)射光纖和接收光纖之間的軸間距， r_R為接收光纖的纖芯半徑；

S7、將敏感膜片設(shè)置為圓形薄膜片，計(jì)算敏感膜片的撓度為：

其中，q₀為外部均布載荷值，q₀的數(shù)值等于壓力P的數(shù)值，a為敏感膜片的半徑，為敏感膜片的彎曲剛度，f為敏感膜片上任一點(diǎn)到圓心的距離；在敏感膜片的圓心位置處的撓度為：

其中：

在上式中，E為敏感膜片的彈性模量，為敏感膜片的厚度，為敏感膜片的泊松比。