专利名称：基于短腔光纤激光器的微压力传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种固定在悬臂梁上的一支或者两支短腔光纤激光器形成的拍频信号随外界微压力的变化而变化的传感器。
背景技术：
压力和压强是工程应用领域中最常见的重要参量之一，是石油、化工、建筑等行业是必须监测的传感量。随着各种应用的不断深入，对压力传感器有进一步的需求，如在低压气体、真空度、风压监测等应用中需要高灵敏度、低量程的压力传感器。目前国内市场上该种压力传感器多为基于MEMS的微压传感器，有压阻式，电容式，谐振式等三种工作方式，其量程多数在1 KPa以上，少有低于1 KPa。电子式的微压传感器在复杂电磁环境等恶劣条件下，极容易受到干扰，限制了一些特殊场合的应用。申请公布号为CN 101738281 A的专利 《改进型风载荷压力传感器》是基于MEMS的硅压阻压力传感器，且集成了温度传感器、加热器、温度控制电路以及信号调理电路板，可以实现低量程(5 KPa)压强测量。但该传感器包含多个电路，在强电场强磁场等测量环境下并不适用，容易受干扰甚至失灵。光纤传感技术是利用光纤或光纤型器件的各种光学信号对外界某些物理量敏感的特性进行传感测试的一种技术。其中，光纤布拉格光栅(FBG)和基于FBG的短腔光纤激光器其特征波长对外界引起的应变和温度变化敏感，因此它们是一种波长调制型光学传感器。布拉格光纤光栅的Bragg波长&由下式决定
式中为纤芯的有效折射率，Λ为光栅的周期。工作在光纤通信波段的FBG的周
期一般是几百纳米，它能够波长选择性地对传输于纤芯基模光波进行反射。基于FBG和悬臂梁结构可以设计出能适应高温高压、扰电磁干扰等恶劣环境的压力传感器，如申请公布号为CN 101750183 A的专利《光纤光栅压力传感器》所描述。但这种结构的灵敏度约为 0. 008nm/N,只适合用于高压下的压力传感，不适合作为低量程(1 KPa)微压传感器。在掺铒光纤或铒镱共掺光纤上制作FBG而构成的短腔光纤激光器的长度约10 20mm。它作为传感器不仅继成了光纤光栅的优点，还具备更高分辨率、更大信噪比。特别是采用两支波长非常相近的短腔光纤激光器的激光输出或者采用正交双频激光器的两个频率通过适当处理可以在光探测器上产生拍频信号，频率为两个激光信号的差频。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于短腔光纤激光器的微压力传感器。该传感器利用短腔光纤激光器的激光输出进行拍频实现传感，用于解决微小压强的高灵敏测量和抗干扰测量问题。本发明解决技术问题所采取的技术方案之一为
基于短腔光纤激光器的微压力传感器，包括传感器壳体、弹簧、弹性薄膜、铝板、悬臂梁、第一短腔光纤激光器和第二短腔光纤激光器。传感器壳体顶部固定设置弹性薄膜，设置在传感器壳体内的铝板与弹性薄膜的底面紧贴，弹簧的一端与传感器壳体内底固定、另一端与铝板的底面固定，所述的弹性薄膜、 铝板和弹簧同轴设置。悬臂梁的一端与铝板的边沿固定、另一端与传感器壳体内壁固定；第一短腔光纤激光器紧贴悬臂梁的顶面，第二短腔光纤激光器紧贴悬臂梁的底面。所述的悬臂梁为等腰三角形的金属板，所述的第一短腔光纤激光器和第二短腔光纤激光器均沿着金属板的中轴线设置。本发明解决技术问题所采取的技术方案之二为
基于短腔光纤激光器的微压力传感器，包括传感器壳体、弹簧、弹性薄膜、铝板、第一悬臂梁、第二悬臂梁和短腔光纤激光器。传感器壳体顶部固定设置弹性薄膜，设置在传感器壳体内的铝板与弹性薄膜的底面紧贴，弹簧的一端与传感器壳体内底固定、另一端与铝板的底面固定，所述的弹性薄膜、 铝板和弹簧同轴设置。第一悬臂梁的一端与铝板的边沿固定、另一端与传感器壳体内壁固定；第二悬臂梁的一端与铝板的边沿固定、另一端与传感器壳体内壁固定；第一悬臂梁位于第二悬臂梁的正上方，第一悬臂梁与第二悬臂梁形状相同。所述的第一悬臂梁和第二悬臂梁均为等腰三角形的金属板，所述的短腔光纤激光器位于第一悬臂梁和第二悬臂之间，且与第一悬臂梁和第二悬臂紧贴设置，短腔光纤激光器沿着金属板的中轴线设置。本发明的有益效果(1)本发明利用短腔光纤激光器的拍频信号频率产生漂移的现象来实现低量程微压力传感，与传统的光纤光栅压力传感相比本发明具备更高的灵敏度；(2)本发明提出两种技术方案中第一种方案的灵敏度比第二种高，但是第二种传感器的制备更加方便；(3)本发明采用光纤传感技术，结构紧凑，工艺简单，不受电磁干扰，与传统的电子式低量程微压力传感方法相比，更适用于复杂电磁环境中使用，具有广阔的发展前景。
图1为本发明第一实施例的结构示意图。图2为本发明第二实施例的结构示意图。图3为本发明中悬臂梁结构示意图。图4为利用第一实施例获取拍频信号装置示意图。图5为利用第二实施例获取拍频信号装置示意图。
具体实施例方式实施例1
如图1所示的为本发明技术方案之一的传感器结构图，包括第一短腔光纤激光器1-1， 第二短腔光纤激光器1-2，矩形截面等腰三角形悬臂梁2，受压圆形铝板3，弹性薄膜4，钢丝弹簧5，传感器壳体6。
传感器壳体顶部固定设置弹性薄膜，设置在传感器壳体内的铝板与弹性薄膜的底面紧贴，弹簧的一端与传感器壳体内底固定、另一端与铝板的底面固定，所述的弹性薄膜、 铝板和弹簧同轴设置。悬臂梁的一端与铝板的边沿固定、另一端与传感器壳体内壁固定；第一短腔光纤激光器紧贴悬臂梁的顶面，第二短腔光纤激光器紧贴悬臂梁的底面。所述的悬臂梁为等腰三角形的金属板，所述的第一短腔光纤激光器和第二短腔光纤激光器均沿着金属板的中轴线设置。本实施例中，短腔光纤激光器微压力传感器的制作方法包括以下步骤
步骤1 采用相位掩模板法在铒镱共掺光纤上分别制作第一短腔光纤激光器1-1和第二短腔光纤激光器1-2 ；
步骤2 采用铍青铜板制作出一个矩形截面等腰三角形悬臂梁2，并将第一短腔光纤激光器1-1和第二短腔光纤激光器1-2用胶水粘贴于悬臂梁2上下表面的中线位置上； 步骤3 将受压圆形铝板3的外边沿与悬臂梁2末端固定连接； 步骤4 将钢丝弹簧5 —端固定连接在受压圆形铝板3中心位置，另一端固定连接在传感器壳体6内的底部，同时将悬臂梁固定端安装在传感器壳体6内的悬臂梁2安装孔上；
步骤5 弹性薄膜4紧贴放置于受压圆形铝板3之上，用外径与传感器壳体6外径一样大的圆环形铝片压紧弹性薄膜并用螺丝固定在传感器壳体上。第一短腔光纤激光器1-1和第二短腔光纤激光器1-2均采用相位掩模板法在铒镱共掺光纤上制作，高反光栅反射率通常为99. 9%，低反光栅反射率约95%，整个激光器长度约15mm，阈值泵浦功率为毫瓦量级。激光中心波长为1550nm，信噪比大于60 dB。铍青铜矩形截面等腰三角形悬臂梁2采用铍青铜板制作，其示意图如图3所示，底边宽度为知，长度为￡，厚度为ft。所述的第一短腔光纤激光器1-1和第二短腔光纤激光器 1-2用胶水刚性地粘贴在悬臂梁2中线上。根据材料力学，可以推导出该矩形截面等腰三角形悬臂梁2为等强度悬臂梁，即在任何施加于悬臂梁2末端的力的作用下，粘贴在悬臂梁2上的FBG任意位置处的应变均相等，且与作用力成线性关系。因此FBG不会产生啁啾效应。FBG的中心波长漂移量，即第一短腔光纤激光器1-1和第二短腔光纤激光器1-2的波长漂移量，与施加在悬臂梁2末端的圧力—关系如下
Λ=沾!- (υ
MjEh0
式中￡.为悬臂梁长度，h为宽&，h为厚度，弹光系数巧=0. 22，铍青铜的杨氏模量s =130 GPa，i为短腔光纤激光器的中心波长，力施加于悬臂梁末端的压力大小。在力P的作用下，悬臂梁末端偏离平衡位置的距离，即挠度w为
钢丝弹簧5采用钢丝制作的圆柱螺旋压缩弹簧，其刚度，即使弹簧产生单位变形
的载荷，为
权利要求
1.基于短腔光纤激光器的微压力传感器，包括传感器壳体、弹簧、弹性薄膜、铝板、悬臂梁、第一短腔光纤激光器和第二短腔光纤激光器，其特征在于传感器壳体顶部固定设置弹性薄膜，设置在传感器壳体内的铝板与弹性薄膜的底面紧贴，弹簧的一端与传感器壳体内底固定、另一端与铝板的底面固定，所述的弹性薄膜、铝板和弹簧同轴设置；悬臂梁的一端与铝板的边沿固定、另一端与传感器壳体内壁固定；第一短腔光纤激光器紧贴悬臂梁的顶面，第二短腔光纤激光器紧贴悬臂梁的底面；所述的悬臂梁为等腰三角形的金属板，所述的第一短腔光纤激光器和第二短腔光纤激光器均沿着金属板的中轴线设置。
2.基于短腔光纤激光器的微压力传感器，包括传感器壳体、弹簧、弹性薄膜、铝板、第一悬臂梁、第二悬臂梁和短腔光纤激光器，其特征在于传感器壳体顶部固定设置弹性薄膜，设置在传感器壳体内的铝板与弹性薄膜的底面紧贴，弹簧的一端与传感器壳体内底固定、另一端与铝板的底面固定，所述的弹性薄膜、铝板和弹簧同轴设置；第一悬臂梁的一端与铝板的边沿固定、另一端与传感器壳体内壁固定；第二悬臂梁的一端与铝板的边沿固定、另一端与传感器壳体内壁固定；第一悬臂梁位于第二悬臂梁的正上方，第一悬臂梁与第二悬臂梁形状相同；所述的第一悬臂梁和第二悬臂梁均为等腰三角形的金属板，所述的短腔光纤激光器位于第一悬臂梁和第二悬臂之间，且与第一悬臂梁和第二悬臂紧贴设置，短腔光纤激光器沿着金属板的中轴线设置。
全文摘要
本发明涉及一种基于短腔光纤激光器的微压力传感器。传统的微压力传感器受环境干扰比较大。本发明基于短腔光纤激光器的微压力传感器，包括传感器壳体、弹簧、弹性薄膜、铝板、悬臂梁、第一短腔光纤激光器和第二短腔光纤激光器。传感器壳体顶部固定设置弹性薄膜，设置在传感器壳体内的铝板与弹性薄膜的底面紧贴，弹簧的一端与传感器壳体内底固定、另一端与铝板的底面固定，所述的弹性薄膜、铝板和弹簧同轴设置。悬臂梁的一端与铝板的边沿固定、另一端与传感器壳体内壁固定；第一短腔光纤激光器紧贴悬臂梁的顶面，第二短腔光纤激光器紧贴悬臂梁的底面。本发明采用光纤传感技术，结构紧凑，工艺简单，不受电磁干扰。
文档编号G01L1/00GK102221425SQ20111007700
公开日2011年10月19日 申请日期2011年3月29日 优先权日2011年3月29日
发明者张业斌, 张阿平, 高少锐 申请人:浙江大学
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