本實用新型專利技術為一種LTCC光纖法珀高溫壓力傳感器及傳感系統，該傳感器主要由基座、壓力敏感膜片、光纖、插芯及尾柄組成。本實用新型專利技術采用LTCC技術一體化制造直接接觸高溫的壓力敏感膜片和基座，用高溫膠水將光纖固定在尾柄及插芯內，采用陶瓷燒結技術或高溫膠水將插芯與基座連接，使光纖端面與壓力敏感膜片平行放置構成法珀腔，通過光纖傳感技術測量壓力導致的膜片撓度變化，從而進行壓力測量。本實用新型專利技術解決了高溫下熱應力不匹配導致的傳感器失效問題。另外，采用光纖傳輸可以隔絕高溫，消除高溫對信號處理電路的影響。在超高溫環境下，所制作的壓力傳感器可以實現寬頻帶的原位壓力測量。
【技術實現步驟摘要】
本技術涉及光纖傳感
，具體是一種LTCC光纖法珀高溫壓力傳感器及傳感系統。
技術介紹
航天航空發動機的工作溫度一般高于1300℃，火箭推動器的工作溫度高達3000℃，而常用的壓力傳感器包括壓阻傳感器、電阻傳感器、壓電傳感器、石英光纖傳感器等，其長時間工作溫度最高不超過900℃，遠低于發動機的工作溫度，限制了壓力傳感器在航天航空飛行器中的應用。因此，超高溫壓力傳感器在航天航空飛行器的健康狀態監測、飛行控制和設計優化方面有迫切的需求。目前，為了解決超高溫壓力傳感器的需求和壓力傳感器耐溫低之間的矛盾，在實際應用中主要采用以下兩種替代方法：一是采用水冷或者氣冷的壓力傳感器，其工作溫度可以達到1000℃。二是長引壓管結合常溫壓力傳感器的測量方法，溫度范圍更高。這兩種方法都具有著明顯的缺點：水冷式或氣冷系統比較復雜，將導致重量大大增加以及水冷或氣冷產生的安全問題，限制了該類型傳感器在航天航空發動機中的應用；在引壓管結合常溫壓力傳感器的測量方法中，引壓管起著傳遞壓力和隔離熱量傳遞的功能，這樣不但會導致非原位測量準確度不高，而且引壓會降低測量的動態特性，不能滿足實時反饋控制的需求。因此，原位超高溫環境下的壓力測量是目前測量技術的一個瓶頸。綜上所述，超高溫環境中的壓力參數原位測量具有迫切的需求和極大的挑戰，急需進一步研究。
技術實現思路
本技術的目的是為了解決上述現有技術中存在的問題，而提供一種LTCC光纖法珀高溫壓力傳感器及傳感系統。本技術是通過如下技術方案實現的：一種LTCC光纖法珀高溫壓力傳感器，包括陶瓷基座、陶瓷插芯、尾柄和光纖；陶瓷基座內設有內腔，內腔與陶瓷基座底面之間形成陶瓷壓力敏感膜片，陶瓷基座、內腔及陶瓷壓力敏感膜片采用LTCC(低溫共燒陶瓷)技術一體化制造而成；陶瓷插芯固定于陶瓷基座上，且陶瓷插芯的底部伸至內腔中；尾柄固定于 陶瓷插芯的頂部，光纖固定于陶瓷插芯及尾柄中；陶瓷插芯及光纖的出光面與陶瓷壓力敏感膜片平行放置構成法珀腔；陶瓷基座、內腔、陶瓷壓力敏感膜片、陶瓷插芯、尾柄和光纖都位于同一軸線上。所述的陶瓷插芯和光纖的出光面都經過研磨處理，以保證出射光纖端面光的反射率。所述的陶瓷壓力敏感膜片的反射光一面(即陶瓷壓力敏感膜片的內表面)鍍有反射膜(如通過濺射技術)，以保證光纖透射光的反射率。進一步的，本技術所述的LTCC光纖法珀高溫壓力傳感器的制備方法，包括如下步驟：1)陶瓷基座制備：陶瓷基座及其內腔、陶瓷壓力敏感膜片是采用LTCC技術一體化制造而成的，具體為，a)通過打孔機形成生瓷片的定位孔、過孔以及內孔結構；b)通過定位孔將多層100μm厚的生瓷片進行疊片，并保證過孔及內孔的垂直度；c)將疊片完成后的整體結構真空封裝后置于層壓機中進行層壓；d)將層壓后的整體結構在燒結爐中進行燒結即可；其中，由下而上計，第一層生瓷片作為陶瓷壓力敏感膜片，陶瓷壓力敏感膜片的厚度通過第一層生瓷片厚度的設計來實現；第二層生瓷片到第六層生瓷片上開設內孔，五個內孔疊壓形成陶瓷基座的內腔，內孔直徑決定陶瓷壓力敏感膜片的有效直徑，陶瓷壓力敏感膜片的有效直徑通過內孔直徑的設計來實現；第七層生瓷片到第N層生瓷片上開設過孔，若干過孔疊壓形成用于固定陶瓷插芯的孔結構，陶瓷插芯固定于陶瓷基座內的深度通過若干過孔總深度(即：N-6片生瓷片的總厚度)的設計來實現；2)陶瓷基座與陶瓷插芯固定：將陶瓷插芯的底部通過陶瓷高溫燒結技術或高溫膠水固定于陶瓷基座上的過孔內，保證陶瓷插芯與陶瓷基座垂直固定；3)陶瓷插芯與尾柄固定：將陶瓷插芯的頂部通過壓接機壓接在尾柄內。4)光纖與陶瓷插芯、尾柄固定：光纖通過高溫膠水膠結固化于陶瓷插芯及尾柄中，高溫膠水的熱膨脹系數與光纖、陶瓷插芯的接近，具體為，將高溫膠水注入尾柄及陶瓷插芯的插孔內，然后將光纖插入尾柄及陶瓷插芯的插孔中，最后加熱使高溫膠水凝固即可。本技術所述的LTCC光纖法珀高溫壓力傳感器，利用陶瓷、光纖、熱膨脹系數接近的高溫膠水等耐高溫材料，并采用LTCC(低溫共燒陶瓷)技術一體 化加工陶瓷基座及其內腔、陶瓷壓力敏感膜片，同時利用光纖傳感高靈敏度、抗電磁干擾、結構緊湊等優點，解決了高溫壓力傳感器主要存在的3大問題：一、高溫下敏感材料或機理失效；二、不同材料熱膨脹系數不同導致的熱應力不匹配，進而導致高溫下傳感頭損壞；三、高溫沿信號熱線傳導對信號處理電路的影響，實現了超高溫環境下壓力信號的測量。同時，上述結構的LTCC光纖法珀高溫壓力傳感器還具有結構簡單、加工工藝簡單、便于制造的優點。進一步的，本技術還公開了一種基于本技術所述LTCC光纖法珀高溫壓力傳感器的傳感系統，該系統是基于本技術所述的LTCC光纖法珀高溫壓力傳感器上設計而成的，該系統包括LTCC光纖法珀高溫壓力傳感器和信號解調系統；信號解調系統包括SLD光源、第一光纖耦合器、第二光纖耦合器、第一濾波器、第二濾波器、第一光電探測器、第二光電探測器、正交信號處理單元和接口模塊，其中，第一光纖耦合器分別與SLD光源和第二光纖耦合器連接，第二光纖耦合器又分別與第一濾波器和第二濾波器連接，第一濾波器又與第一光電探測器連接，第二濾波器又與第二光電探測器連接，第一光電探測器和第二光電探測器又同時與正交信號處理單元連接，正交信號處理單元又與接口模塊連接；LTCC光纖法珀高溫壓力傳感器的光纖通過石英單模光纖與信號解調系統的第一光纖耦合器連接。本系統中，SLD光源的輸出光通過第一光纖耦合器進入LTCC光纖法珀高溫壓力傳感器；LTCC光纖法珀高溫壓力傳感器返回的干涉信號再次通過第一光纖耦合器后，被第二光纖耦合器分成相同的兩束光；這兩束光分別經第一濾波器和第二濾波器濾波后分別到達第一光電探測器和第二光電探測器，進而被轉化為電信號輸出；兩路電信號進入正交信號處理器進行運算，得到法珀腔的腔長變化量，實現壓力傳感。與現有技術相比，本技術的有益效果是：本技術采用低溫共燒陶瓷的方法(即所述LTCC技術)一體化制造直接接觸高溫的傳感器關鍵部件(陶瓷基座和陶瓷壓力敏感膜片)，可以解決高溫下由于熱應力不匹配導致的傳感器損壞問題；本技術中將光纖端面與陶瓷壓力敏感膜片平行放置構成法珀腔進行壓力測量。由于光纖和陶瓷均屬于耐高溫材料， 解決了高溫環境下敏感材料或機理失效問題；本技術通過光纖傳感方法實現壓力信號測量，同時可以解決高溫對信號處理電路的影響問題。采用光纖傳輸可以隔絕高溫，消除高溫對信號處理電路的影響。在超高溫環境下，本技術傳感器可以實現寬頻帶的原位壓力測量。此外，本技術的LTCC光纖法珀高溫壓力傳感器的結構十分簡單，這大大降低了加工和調試難度。附圖說明圖1為本技術LTCC光纖法珀高溫壓力傳感器的結構示意圖。圖2為基于本技術所述LTCC光纖法珀高溫壓力傳感器的傳感系統的結構示意圖。圖中：1-陶瓷基座、2-陶瓷插芯、3-尾柄、4-光纖、5-內腔、6-陶瓷壓力敏感膜片、7-法珀腔、8-反射膜；102-SLD光源、103-第一光纖耦合器、104-第二光纖耦合器、105-第一濾波器、106-第二濾波器、107-第一光電探測器、108-第二光電探測器、109-正交信號處理單元、110-接口模塊、111-石英單模光纖。具體實施本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種LTCC光纖法珀高溫壓力傳感器，其特征在于：包括陶瓷基座（1）、陶瓷插芯（2）、尾柄（3）和光纖（4）；陶瓷基座（1）內設有內腔（5），內腔（5）與陶瓷基座（1）底面之間形成陶瓷壓力敏感膜片（6）；陶瓷插芯（2）固定于陶瓷基座（1）上，且陶瓷插芯（2）的底部伸至內腔（5）中；尾柄（3）固定于陶瓷插芯（2）的頂部，光纖（4）固定于陶瓷插芯（2）及尾柄（3）中；陶瓷插芯（2）及光纖（4）的出光面與陶瓷壓力敏感膜片（6）平行放置構成法珀腔（7）；陶瓷基座（1）、內腔（5）、陶瓷壓力敏感膜片（6）、陶瓷插芯（2）、尾柄（3）和光纖（4）都位于同一軸線上。
【技術特征摘要】
1.一種LTCC光纖法珀高溫壓力傳感器，其特征在于：包括陶瓷基座（1）、陶瓷插芯（2）、尾柄（3）和光纖（4）；陶瓷基座（1）內設有內腔（5），內腔（5）與陶瓷基座（1）底面之間形成陶瓷壓力敏感膜片（6）；陶瓷插芯（2）固定于陶瓷基座（1）上，且陶瓷插芯（2）的底部伸至內腔（5）中；尾柄（3）固定于陶瓷插芯（2）的頂部，光纖（4）固定于陶瓷插芯（2）及尾柄（3）中；陶瓷插芯（2）及光纖（4）的出光面與陶瓷壓力敏感膜片（6）平行放置構成法珀腔（7）；陶瓷基座（1）、內腔（5）、陶瓷壓力敏感膜片（6）、陶瓷插芯（2）、尾柄（3）和光纖（4）都位于同一軸線上。2.根據權利要求1所述的LTCC光纖法珀高溫壓力傳感器，其特征在于：所述的陶瓷插芯（2）和光纖（4）的出光面都經過研磨處理。3.根據權利要求1或2所述的LTCC光纖法珀高溫壓力傳感器，其特征在于：所述的陶瓷壓力敏感膜片（6）的反射光一面鍍有反射膜（8）。4.一種基于權利要求1所述LTCC光纖法珀...
【專利技術屬性】
技術研發人員：賈平崗，熊繼軍，田曉丹，劉佳，李哲，
申請(專利權)人：中北大學，
類型：新型
國別省市：山西;14
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