[发明专利]高精度光纤压力传感器件标定装置及标定方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤压力传感器件标定装置，尤其涉及一种为获取光子晶体光纤压力传感器件输出特征光谱和压力标准值对应关系而设计的高精度光纤压力传感器件标定装置及标定方法。

背景技术

在兵器工程、航空航天领域，层间压力是需要在线监测的重要数据之一，但是某些试验件内部结构十分紧凑，使用传统的压力传感器难以实现这类狭小空间内的层间压力监测，特别是在易燃易爆的场所，可靠的检测技术对确保人员和产品安全意义重大。尤其对于预紧组合结构件，是一种具有几种不同材质及不规则几何形状的部件组合在一起的紧密结构，部件间间隙只有几百微米，在某些应力集中的地方夹一层如海绵橡胶、胶带等缓冲垫层材料。这种结构装配时在外部施加一个预紧力，此预紧力传递到内部组件上形成压力，用于防止其部组件出现滑移、结构失稳等现象，导致整个结构件性能下降，并且预紧结构部组件上下件之间间隙小，普通压力传感器无法安装和测量，所以这种特殊结构件的预紧力监测是个工程难题。

相比普通电子类传感器，光纤类传感器具有尺寸小、精度高、本质安全等优越性能，在以上特殊的场合具有独特的优势。目前光纤压力传感技术大部分研究都基于法布里珀罗干涉仪(FPI)或光纤光栅(FBG)式，两者都能获得光纤轴向压力或应力变化，但当需要横向压力信息时，一般要通过设计特殊的结构，无疑很大程度上增加了探头体积，且很难实现高精度或大压力测量，为此我们研究了基于保偏光子晶体光纤的横向压力检测技术。保偏光子晶体光纤是近年来出现的一种新型材料，相比传统保偏光纤具有更高的压力敏感性，它的出现为层间压力检测技术提供了一条崭新的途径，更加有利于提高测试精度。在光子晶体光纤压力检测技术中传感探头的标定技术是关键技术之一，其准确性直接影响着测量精度。这是因为光纤类传感器属于非标产品，没有现成的国家或行业标准可以参考，更加缺乏合适的标定装置，所以针对它的专用标定装置和标定方法的研究具有重要意义。

传感器的标定，就是通过实验建立传感器输入量和输出量之间的关系，同时也确定出不同使用条件下的误差关系。压力传感器的静态标定，主要指通过一系列的标定曲线得到静态特性指标，如非线性、迟滞、重复性和精度、灵敏度等。从计量学的角度看，测量误差具有相当严格的定义，它表征了测量压力与实际压力之间的差异，一般无法直接获得实际压力，但可以通过采用适当的压力标准加以估计，通常采用精度比被测设备高的仪器作为测量标准，所以高精度的标定装置对评估传感器静态指标有重要意义。

光纤类压力传感器一般与光谱采集分析仪器配套使用，探头所受压力信号通过光谱采集分析仪器转换成光谱信号，所以光纤类传感器的标定即是通过标定装置找到外界压力值与光谱信号的对应关系。以光子晶体光纤压力传感器为例，光谱分析采集仪主要由压力敏感单元、光纤激光器、光耦合器、光电探测器及计算机五部分组成。激光器发出的光经过2×2光纤耦合器以两个相反方向进入压力敏感单元，压力敏感单元与耦合器形成Sagnac干涉环，两路光信号在耦合器处形成干涉光谱，通过耦合器输出给光电探测器，由计算机记录并分析Sagnac干涉环输出光谱的特征峰值的波长偏移值，从而获得施加在传感单元上的压力。压力敏感单元是由保偏光子晶体光纤制成，其内部是一种特殊的多孔结构，由大小不一且按特定规则排列的气孔组成。

光子晶体光纤敏感单元传感原理是，光束从两个相反方向通过Sagnac环，在没有引入外界因素干扰时，两束光之间是固定相位差。但是当敏感单元横向受压后，在光纤截面内会产生应力应变，等效至x、y两个主轴方向上，导致光纤中对应方向折射率变化，其相位差将发生变化。透射干涉谱在相位差变化影响下，干涉谷值尖峰会向某一方向移动，通过寻找波长值移动与标准压力的关系，即可实现对压力的测量。