[发明专利]一种高温光纤动态压力传感器及其压力计算方法

权利要求书

1.一种高温光纤动态压力传感器，其特征在于，包括传感器探头、传输光缆和光电调解模块；

所述传感器探头包括膜片基座，所述膜片基座的顶部固定设置有敏感膜片，所述敏感膜片的上表面为受力面，下表面为光反射面，敏感膜片的下表面和膜片基座的上表面之间设置有间距，敏感膜片的材料为高温变形合金；

膜片基座内部设置有发射光纤和接收光纤，所述发射光纤和接收光纤的一端均与膜片基座的上表面相接；

光电调解模块包括光源和光电探测器；发射光纤的另一端通过所述传输光缆与所述光源连接，接收光纤的另一端通过传输光缆与所述光电探测器连接。

2.根据权利要求1所述的高温光纤动态压力传感器，其特征在于，所述敏感膜片的形状为底部具有开口的中空圆柱结构，敏感膜片的顶部直径为1.5mm~5mm，敏感膜片的圆周侧面底部与所述膜片基座上表面固定连接，敏感膜片顶部下表面对光信号的反射率为80%~95%，敏感膜片的挠度为10μm~50μm。

3.根据权利要求2所述的高温光纤动态压力传感器，其特征在于，所述敏感膜片顶部的下表面设置有金属镀层，所述金属镀层的厚度为0.1μm~3μm。

4.根据权利要求1所述的高温光纤动态压力传感器，其特征在于，所述膜片基座内部中心处设置有光纤基座，所述光纤基座的上表面与膜片基座的上表面平齐，所述发射光纤和接收光纤固定在光纤基座内，发射光纤和接收光纤的一端端面均与膜片基座的上表面平齐。

5.根据权利要求4所述的高温光纤动态压力传感器，其特征在于，所述发射光纤和接收光纤均为耐高温多模光纤；发射光纤和接收光纤的纤芯直径均为50μm ~500μm，发射光纤和接收光纤的数值孔径NA为0.2~0.37，发射光纤和接收光纤均设置有涂覆层，涂覆层为聚酰亚胺涂覆层或金属涂覆层，发射光纤和接收光纤之间的间距为0μm ~500μm。

6.一种根据权利要求1~5任一所述的高温光纤动态压力传感器的压力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取高温光纤动态压力传感器的反射光强特性曲线，反射光强特性曲线的横坐标为发射光纤和接收光纤到敏感膜片反射面的距离，纵坐标为接收光纤接收得到的光信号强度；

S2、外界压力作用于敏感膜片，计算发射光纤端面出射光场强度：

其中，P₀为光源耦合到发射光纤中的光功率，w(d)为距离发射光纤端面d处的模场半径，NA为发射光纤的数值孔径，r_T为发射光纤的纤芯半径，d为发射光纤和接收光纤到敏感膜片反射面的距离；ρ为远离发射光纤中心的径向距离；和η均为无量纲的参数，的值为 0.21，η的值为1.6；

S3、根据斯涅尔定理，计算当前反射光锥的模场半径为：

d'=2d+h

其中，W（d'）为当前反射光锥的模场半径，d'为发射光纤投射到接收光纤端面时光波的传播距离，h为发射光纤和接收光纤端部的偏移距离；

S4、根据当前反射光锥的模场半径W（d'），计算接收光纤端面上的光强分布：

其中，I_R（ρ,d）为接收光纤端面上的光强分布，I（ρ, d'）为敏感膜片反射面的光场强度，δ为敏感膜片反射面的反射率；

S5、根据接收光纤端面上的光强分布，计算耦合进入接收光纤中的光功率P(d)，耦合进入接收光纤中的光功率的计算公式为：

其中， S_R为接收光纤芯径和反射光锥的重叠面积；

S6、定义耦合进入接收光纤中的光功率的计算公式的特征函数M：

则，耦合进入接收光纤中的光功率P(d)为：

其中，s为发射光纤和接收光纤之间的轴间距， r_R为接收光纤的纤芯半径；

S7、将敏感膜片设置为圆形薄膜片，计算敏感膜片的挠度为：

其中，q₀为外部均布载荷值，q₀的数值等于压力P的数值，a为敏感膜片的半径，为敏感膜片的弯曲刚度，f为敏感膜片上任一点到圆心的距离；在敏感膜片的圆心位置处的挠度为：

其中：

在上式中，E为敏感膜片的弹性模量，为敏感膜片的厚度，为敏感膜片的泊松比。