本發(fā)明涉及集成多參數(shù)原位傳感器及系統(tǒng)，具體為基于光纖錯位熔接的耐高溫高壓多參量集成傳感器及系統(tǒng)，其通過毛細(xì)管空心光纖錯位熔接，實現(xiàn)原位壓/聲-溫多參量傳感。

背景技術(shù)：

1、在航空航天、石油開采、核能開發(fā)、環(huán)境監(jiān)測等工業(yè)領(lǐng)域，傳感設(shè)備工作過程常常伴隨著高溫高壓等極端且復(fù)雜的環(huán)境狀況。在這樣惡劣復(fù)雜的環(huán)境下，傳統(tǒng)的單參量傳感器已無法滿足對設(shè)備穩(wěn)定性和安全性的監(jiān)測需求。特別是在高壓、高溫以及強(qiáng)噪聲等多重因素的共同作用下，單一的物理量測量無法準(zhǔn)確反映設(shè)備的運行狀態(tài)，而多參量同步測量技術(shù)的發(fā)展對于提高設(shè)備可靠性和安全性具有重要意義。

2、現(xiàn)階段，在傳感器技術(shù)研究領(lǐng)域，針對高溫、高壓的測試已經(jīng)有了較為豐富的成果，但在高溫高壓極端環(huán)境與復(fù)雜條件下實現(xiàn)多參數(shù)同步測試卻面臨重重困難，缺乏切實可行且高效的手段?，F(xiàn)有的傳感器系統(tǒng)往往體積龐大、響應(yīng)速度慢，且在高溫環(huán)境下易受干擾，難以實現(xiàn)精確測量。相較于傳統(tǒng)電學(xué)傳感器和基于mems工藝制備的光學(xué)傳感器，光纖傳感器具有更小的體積、更低的制備成本、可以耐受1000℃以上的高溫、具有更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。因此，針對高溫高壓的惡劣環(huán)境，基于光纖制備的微型傳感器是較為理想的選擇。但單一物理量傳感器在復(fù)雜環(huán)境下容易受到多個環(huán)境因素的影響，在高溫環(huán)境下存在較大的測量誤差，且不同的物理量之間存在交叉耦合干擾，難以實現(xiàn)高精度測量。目前，針對于高溫高壓環(huán)境下的多物理量同步測量技術(shù)，尤其是壓力、聲音和溫度這三個關(guān)鍵參數(shù)的集成測量，仍十分缺乏準(zhǔn)確、穩(wěn)定的測量裝置。

3、因此，需要發(fā)明一種可以應(yīng)用于高溫高壓環(huán)境下同步檢測壓力/聲音-溫度的復(fù)合多參量傳感器及系統(tǒng)，以推動惡劣環(huán)境下多參量精細(xì)化測量技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有傳感器難以在高溫高壓惡劣環(huán)境中實現(xiàn)壓/聲-溫同步原位測量的難題，本發(fā)明提出了一種基于光纖錯位熔接的耐高溫高壓多參量集成傳感器及系統(tǒng)，通過錯位光纖實現(xiàn)壓/聲-溫多參量同步原位測量。

2、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于光纖錯位熔接的耐高溫高壓多參量集成傳感器，包括：封裝主體，所述封裝主體中心設(shè)置有用于容納傳輸光纖的中心孔和空腔，所述空腔位于中心孔末端并與封裝主體外部連通，傳輸光纖的末端設(shè)置在空腔內(nèi)，傳輸光纖末端與位于空腔內(nèi)的溫度檢測裝置和壓力/聲音檢測裝置依次連接；溫度檢測裝置包括光纖布拉格光柵，壓力/聲音檢測裝置包括依次連接的單模光纖、多模光纖、第一空心毛細(xì)管光纖和第二空心毛細(xì)管光纖；所述第一空心毛細(xì)管光纖的中心孔直徑大于第二空心毛細(xì)管光纖；單模光纖、多模光纖與第一空心毛細(xì)管光纖的軸心共線；第一空心毛細(xì)管光纖和第二空心毛細(xì)管光纖的軸心錯位形成敞口式結(jié)構(gòu)，單模光纖、多模光纖、第一空心毛細(xì)管光纖和第二空心毛細(xì)管光纖形成用于測量壓力或聲音的fp干涉儀。

3、所述第二空心毛細(xì)管光纖的外側(cè)端面通過光纖切割刀進(jìn)行表面粗糙處理。

4、所述多模光纖的長度等于光在多模光纖中傳輸一個正弦路徑周期對應(yīng)長度的(2n+1)/4倍，其中n為正整數(shù)。

5、所述光纖布拉格光柵通過飛秒激光逐行掃描制備在光柵光纖的纖芯內(nèi)部。

6、所述的一種基于光纖錯位熔接的耐高溫高壓多參量集成傳感器，還包括封裝柄和密封墊片，封裝主體首端設(shè)置有螺紋孔，所述封裝柄通過螺紋與封裝主體首端連接，并通過密封墊片密封；所述密封墊片設(shè)置在封裝柄與封裝主體之間；所述封裝柄中心設(shè)置有用于使傳輸光纖穿過的光纖孔。

7、所述封裝主體、封裝柄采用氧化鋯陶瓷材料，所述密封墊片的材料為銀或銅。

8、所述螺紋孔和中心孔之間還設(shè)置有連接孔；所述連接孔直徑小于螺紋孔，用于設(shè)置耐高溫陶瓷膠以密封和固定所述傳輸光纖；

9、所述封裝柄的光纖孔首端及封裝主體的中心孔末端均設(shè)置有用于密封和固定傳輸光纖的耐高溫陶瓷膠。

10、封裝主體的末端還設(shè)置有外螺紋，所述外螺紋用于連接應(yīng)用接口，以固定傳感器。

11、此外，本發(fā)明還提供了一種基于光纖錯位熔接的耐高溫高壓多參量集成傳感系統(tǒng)，包括所述的一種基于光纖錯位熔接的耐高溫高壓多參量集成傳感器，還包括寬帶光源、環(huán)形器、光譜分析儀、數(shù)據(jù)采集板卡、解調(diào)計算及顯示單元，所述寬帶光源輸出的寬帶光束經(jīng)環(huán)形器后入射至傳感器的傳輸光纖中，傳輸光纖中的反射信號經(jīng)環(huán)形器輸出后發(fā)送至光譜分析儀分析光譜信號，光譜信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集板卡采集后發(fā)送至解調(diào)計算及顯示單元進(jìn)行計算處理，得到待測壓力和溫度，或得到待測聲音和溫度。

12、所述解調(diào)計算及顯示單元進(jìn)行計算處理得到待測壓力和溫度，或得到待測聲音和溫度的具體方法為：

13、通過光譜濾波算法提取光譜中的干涉信號作為壓力傳感信號或聲音傳感信號，提取光譜中的fbg反射信號作為溫度傳感信號；

14、計算溫度傳感信號對應(yīng)的光譜峰值漂移和壓力傳感信號對應(yīng)的光學(xué)腔長變化量，或計算溫度傳感信號對應(yīng)的光譜峰值漂移和聲音傳感信號對應(yīng)的干涉光譜漂移量；

15、根據(jù)溫度傳感信號對應(yīng)的光譜峰值漂移和壓力傳感信號對應(yīng)的光學(xué)腔長變化量，計算溫度變化量和壓力變化量；或根據(jù)溫度傳感信號對應(yīng)的光譜峰值漂移和聲音傳感信號對應(yīng)的干涉光譜漂移量，計算溫度變化量和聲音變化量；計算公式為：

16、；

17、；

18、其中，表示溫度變化量，表示壓力變化量，表示聲音變化量；表示壓力傳感信號對應(yīng)的光學(xué)腔長變化量；表示溫度傳感信號對應(yīng)的光譜峰值漂移，由溫度變化引起；表示聲音傳感信號干涉光譜漂移量，由聲音變化引起；分別表示壓力傳感信號對于溫度和壓力的靈敏度，分別表示溫度傳感信號對于溫度和壓力的靈敏度；分別表示聲音傳感信號對于溫度和聲音的靈敏度，分別表示溫度傳感信號對于溫度和聲音的靈敏度。

19、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果：

20、1、本發(fā)明提出了一種基于光纖錯位熔接的耐高溫高壓多參量集成傳感器及系統(tǒng)，通過在傳輸光纖中設(shè)置光纖布拉格光柵，可以實現(xiàn)溫度的檢測，同時，在傳輸光纖末端利用錯位熔接構(gòu)成的敞口式法布里-珀羅干涉儀（fp干涉儀）結(jié)構(gòu)，進(jìn)行壓力信號或聲音信號的檢測，實現(xiàn)了壓力/聲音檢測和溫度檢測的一體化集成，傳感器整體為微型探針式結(jié)構(gòu)，敏感區(qū)域相互獨立，可以實現(xiàn)多參量的時空同步測量。此外，傳感器的封裝結(jié)構(gòu)使得溫度檢測部分對壓力或聲音信號不敏感，保證了測量的準(zhǔn)確性。

21、2、本發(fā)明中，通過光纖布拉格光柵的反射信號，不僅可以傳感實時溫度，還可以根據(jù)實時測量的溫度信號補(bǔ)償高溫環(huán)境下壓力或聲音檢測中的誤差，提高了壓力或聲音檢測的精度。

22、3、本發(fā)明采用敞口式的封裝結(jié)構(gòu)，保證了傳感器具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在高壓環(huán)境下不容易被損壞。

23、4、本發(fā)明的傳感器主體部分基于石英材料制備，為同質(zhì)材料一體化結(jié)構(gòu)，相同材料具有一致的熱應(yīng)力變化，保證所述傳感器在高溫高壓等惡劣環(huán)境下均可以保證高可靠性工作，外部封裝結(jié)構(gòu)采用氧化鋯陶瓷材料制作，傳感器整體可耐受1000℃的高溫，高溫防護(hù)效果好；傳感器封裝前端采用螺紋結(jié)構(gòu)的封裝柄，方便安裝，封裝尺寸可根據(jù)實際應(yīng)用需求定制，實用性強(qiáng)。