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1、(10)申请公布号 CN 102221425 A (43)申请公布日 2011.10.19 CN 102221425 A *CN102221425A* (21)申请号 201110077006.5 (22)申请日 2011.03.29 G01L 1/00(2006.01) (71)申请人 浙江大学 地址 310027 浙江省杭州市西湖区浙大路 38 号 (72)发明人 张阿平 高少锐 张业斌 (74)专利代理机构 杭州求是专利事务所有限公 司 33200 代理人 杜军 (54) 发明名称 基于短腔光纤激光器的微压力传感器 (57) 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。
2、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。 (51)Int.Cl. (1。
3、9)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 3 页 CN 102221436 A1/1 页 2 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， 。
4、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。
5、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。 权 利 要 求 书 CN 102221425 A CN 102221436 A1/6 页 3 基于短腔光纤激光器的微压力传感器 技术领域 0001 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 0002 压力和压强是工。
6、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， 。
7、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。 0003 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，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。
8、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。 0004 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。
9、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 0005 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。 0006 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 说 明 书 CN 102221425 A CN 102221436 A2/6 页 4 梁、 第一短腔光纤激光器和第二短腔光纤激光器。 0007 传感器壳体顶部固定设置弹性薄膜， 设置在。
10、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。 0008 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。 0009 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。 0010 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。 。
11、0011 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。 0012 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。 0013 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。
12、线设置。 0014 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。 附图说明 0015 图 1 为本发明第一实施例的结构示意图。 0016 图 2 为本发明第二实施例的结构示意图。 0017 图 3 为本发。
13、明中悬臂梁结构示意图。 0018 图 4 为利用第一实施例获取拍频信号装置示意图。 0019 图 5 为利用第二实施例获取拍频信号装置示意图。 具体实施方式 0020 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。 说 明 书 CN 102221425 A CN 102221436 A3/6 页 5 0021 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。
14、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。 0022 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。 0023 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。 0024 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。
15、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 一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。 0025 第一短腔光纤激光器1-1和第二短腔光纤激光器1-。
16、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。 0026 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， 长度为， 厚度为。 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。 0027 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。
17、 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 的压力关系如下 ： (1) 式中 ： 为悬臂梁长度， 为宽度， 为厚度， 弹光系数=0.22， 铍青铜的杨氏模量 =130 GPa， 为短腔光纤激光器的中心波长， 为施加于悬臂梁末端的压力大小。 在力的 作用下， 悬臂梁末端偏离平衡位置的距离， 即挠度为 ： (2) 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 说 明 书 C。
18、N 102221425 A CN 102221436 A4/6 页 6 (3) 式中 ： 为弹簧轴向压力，为弹簧轴向压缩量。 0028 该压缩弹簧的刚度也可表达为 ： (4) 式中 ： 为弹簧的切变模量， 为弹簧丝直径， 为弹簧的有效圈数，为旋绕比 （或称弹簧指数） ，为弹簧圈中径， 为弹簧圈外径。 0029 受压圆形铝板 3 采用铝合金板材加工而成， 直径为， 硬度较大， 重量较轻。 0030 弹性薄膜 4 采用橡胶薄膜， 弹性系数小， 起到传递压力和防水功能。 0031 短腔光纤激光器的激光输出进行拍频是指将两支激光器的激光输出同时输入到 光电探测器上实现光波拍频， 如图 4 所示， 98。
19、0nm 泵浦光源 4-6 通过 50 ： 50 的分束器 4-5 将 泵浦光分成两束， 一束通过 980/1550 波分复用器 4-3 进入第一短腔光纤激光器 1-1 ； 另一 束泵浦光通过另一个980/1550 波分复用器4-4进入第二短腔光纤激光器1-2。 第一短腔光 纤激光器 1-1 的激光通过波分复用器 4-3 输入到光电探测器 4-7， 第二短腔光纤激光器 1-2 的激光通过波分复用器 4-4 输入到光电探测器 4-7， 两束激光在探测器 4-7 上进行拍频， 其 信号频率通过频谱仪 4-8 获得。 0032 拍频信号存在和频项和差频项， 和频项中， 在量级， 大大高于光电探测器的响。
20、应频率 ； 差频项在两 束短腔光纤激光器输出激光频率和相近的时候，可以达到光电探测器的截止 频率以内， 探测器能够响应， 其输出电压 (5) 由于第一短腔光纤激光器 1-1 的第二短腔光纤激光器 1-2 分别安装在悬臂梁的 上表面和下表面， 上表面应变为拉伸应变， 短腔光纤激光器的波长漂移量为， 方向向长 波方向 ； 下表面的应变为压缩应变， 短腔光纤激光器的波长漂移量也为， 方向向短波方 向。因此在外力作用下悬臂梁上的两支短腔光纤激光器的波长差为。 0033 由可得 ： (6) 由 (1) 式和 (6) 式可知光电探测器的输出信号频率正比于施加在悬臂梁末端 的作用力， 即 ： 说 明 书 C。
21、N 102221425 A CN 102221436 A5/6 页 7 (7) 在本实施例中， 设外界压强为=1000 Pa, 受压圆形铝板直径 =30mm， 悬臂梁长度 =30mm, 宽度=10mm， 厚度=0.8mm ； 弹簧丝直径 =0.5mm， 外径=20mm， 有效圈数 =10， 弹簧钢丝的切变模量=80000。 0034 由 (4) 式可算得该弹簧刚度为 0.1458 。外界压强受压圆形铝板的作用力 ， 并设刚性地传递给悬臂梁， 由 (2) 式可算得悬臂梁末端挠度 0.1720mm。此 时弹簧对受压圆形铝板的作用力为 0.025 ，可忽略不计。由 (7) 式可算得在外界 1000P。
22、a 压强的作用下， 本发明的传感器拍频信号频率为 46.17 GHz， 灵敏度为 46.17 。 0035 实施例 2 如图 2 所示的为本发明第二种技术方案的传感器结构图， 包括第一矩形截面等腰三角 形悬臂梁 2-1， 第二矩形截面等腰三角形悬臂梁 2-2， 短腔光纤激光器 2-3， 和短腔光纤激光 器等长度的普通光纤 2-4， 受压圆形铝板 3， 弹性薄膜 4， 钢丝弹簧 5， 传感器壳体 6。 0036 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。 0。
23、037 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。 0038 第一悬臂梁和第二悬臂梁均为等腰三角形的金属板， 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， 在短腔光纤激光器旁还设置有普通光纤。 0039 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制作一支短腔光纤激光器 2-3 ； 。
24、步骤 2 ： 采用铍青铜板制作第一矩形截面等腰三角形悬臂梁 2-1， 第二矩形截面等腰三 角形悬臂梁2-2， 并将短腔光纤激光器2-3和一段等长度的普通光纤2-4放置于悬臂梁2的 中线上， 然后放上第二矩形截面等腰三角形悬臂梁 2-2， 用螺丝将两个悬臂梁固定成一体， 并夹紧短腔光纤激光器 2-3 和普通光纤 2-4 于其中。 0040 步骤 3 ： 将受压圆形铝板 3 的外边沿与第一矩形截面等腰三角形悬臂梁 2-1， 第二 矩形截面等腰三角形悬臂梁 2-2 的末端固定连接 ； 步骤 4 ： 将钢丝弹簧 5 一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。
25、， 同时将悬臂梁固定端安装在传感器壳体内的悬臂梁安装孔上 ； 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。 0041 短腔光纤激光器 2-3 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 说 明 书 CN 102221425 A CN 102221436 A6/6 页 8 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。 0042 两个铍青铜矩形截面等腰三角形悬臂梁采用铍。
26、青铜板制作， 长、 宽、 厚均相等。两 个悬臂梁采用螺丝贴紧固定成一体， 并夹紧短腔光纤激光器和一段与短腔光纤激光器等长 的普通光纤于等腰三角中线位置。由材料力学可知两个等厚悬臂梁的中间面为其中性面， 即当外力作用于悬臂梁末端时， 悬臂梁上表面产生拉伸应变， 下表面产生压缩应变， 中性 面上没有应变产生， 但置于两个悬臂梁中间的短腔光纤激光器将受到上下悬臂梁的横向压 力。此横向压力使光纤的双折射效应增强。由于双折射效应， 该短腔光纤激光器将产生两 束偏振方向垂直且为单纵模的激光。将此两束激光进行拍频， 其拍频信号频率为 ： (8) 式中 ：是光纤中由压力产生的双折射， 为光束， 光纤的有效折射。
27、率， 为 短腔光纤激光器输出的平均波长。施加于悬臂梁末端的作用力越大， 短腔光纤激光器所受 的横向压力越大， 双折射值越大， 继而拍频信号频率也将增大。 0043 拍频信号频率的获得方式如图 5 所示， 980nm 泵浦光源 5-2 的光通过 980/1550 波分复用器5-1进入短腔光纤激光器2-3， 短腔光纤激光器的激光通过980/1550 波分复用 器 2-3 进入光隔离器 5-3， 后进入偏振控制器 5-4， 再经过检偏器 5-5 进入光电探测器 5-6。 拍频信号频率由频谱仪 5-7 获得。 0044 钢丝弹簧 5 采用钢丝制作的圆柱螺旋压缩弹簧， 其刚度如式 (4)、 (5) 所描。
28、述。 0045 受压圆形铝板 3 采用铝合金板材加工而成， 直径为， 硬度较大， 重量较轻。 0046 所述弹性薄膜 4 采用橡胶薄膜， 弹性系数小， 起到传递压力和防水功能。 0047 本发明的上述描述仅为示例性的属性， 因此没有偏离本发明要旨的各种变形理应 在本发明的范围之内。这些变形不应被视为偏离本发明的精神和范围。 说 明 书 CN 102221425 A CN 102221436 A1/3 页 9 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102221425 A CN 102221436 A2/3 页 10 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 102221425 A CN 102221436 A3/3 页 11 图 5 说 明 书 附 图 CN 102221425 A 。