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上海圓馨能源科技有限公司
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基于壓強變化的光纖傳感器
2021-12-7 閱讀(689)
由液體壓強公式可知，重力加速度視為常數時，由液體帶來的壓強只由液體
的密度以及監測點與液面的垂直距離（即深度）有關，與液體的體積等因素無關，
而且換算公式簡單。因此，只要測得液面以下特定位置由液體造成的壓強，通過
換算即可得到液位信息。現有的各式各樣的光纖傳感技術中，光纖法珀液壓傳感
技術是在壓強傳感需求中被應用的較多的一種。
光纖法珀傳感器的傳感元件為光纖內部或外置的兩個反射面，這兩個反射面
構成一個法布里-珀涉腔，光在法珀腔的兩個端面經過多次反射后形成多光
束干涉。當外界物理參量發生變化，導致兩個反射面之間的距離發生變化時，法
珀腔的腔長發生變化，相干光束的光程差發生變化，使得干涉信號的強度和相位
信息發生變化，干涉信號傳回解調系統，經過解調及后期數據處理即可獲得法珀
腔長信息，進一步獲得外界物理參量的變化信息。
光纖法珀液壓傳感器往往以特定材質的彈性膜片作為法珀腔的一個反射面，
光纖端面或法珀腔支撐體的底座作為另一個反射面，法珀腔整體置于光纖以外，
是非本征光纖法珀傳感器的一種。應用于液位傳感領域時，彈性膜片作為敏感元
件接受外界壓強的變化而發生形變，使得法珀腔長發生變化，接收端經過解調和
數據處理獲得法珀腔長后，經過材料力學知識進行換算即可獲得外界壓強信息，
進而獲得液位信息。
Wenhua Wang等人以激光熔接的方法制作的光纖法珀傳感器[34]，在水深5m
的范圍內實現分辨率為7mm的液位傳感，溫漂為0.25mm/℃，但傳感器的響應
的線性度不好，結構不穩定。黃偉榮等人提出在膜片中央引入凸臺結構
[35]，通
過不同材料的熱膨脹系數不同來補償傳感器因熱膨脹而引起的溫度漂移，但并
未進行實驗。Tao Lü等人利用中心帶有凸臺結構的膜片制作光纖法珀傳感器
[36]，在溫度10℃~38℃以及水深3.5m的范圍內實現分辨率為2mm的液位傳感，
但封裝結構比較復雜，制作成本較高。
基于壓強變化的光纖法珀液壓傳感器體積小，可根據測量范圍及精度等實際
需求自由設計傳感器參數，適用范圍廣，便于組網使用，具有上述兩種類型的光
纖傳感器的優勢。但是也有相應的不足，與基于應力變化的光纖光柵傳
感器類似，基于壓強變化的光纖法珀傳感器的穩定性、線性度等屬性同樣容易受
到傳感器結構設計以及封裝設計的影響。與此同時，傳統的封閉結構的光纖法珀
傳感器的法珀腔內部存在殘余氣體，在壓強、溫度變化時均會引入測量誤差
[37][38]，
封閉結構的光纖法珀液壓傳感器工作時還會將液面上方的氣壓計入液體壓強以
內，引起額外的測量誤差。本文將針對上述問題，對光纖法珀液壓傳感器的結構
