本发明专利技术为一种LTCC光纤法珀高温压力传感器，主要由基座、压力敏感膜片、光纤、插芯及尾柄组成。本发明专利技术采用LTCC技术一体化制造直接接触高温的压力敏感膜片和基座，用高温胶水将光纤固定在尾柄及插芯内，采用陶瓷烧结技术或高温胶水将插芯与基座连接，使光纤端面与压力敏感膜片平行放置构成法珀腔，通过光纤传感技术测量压力导致的膜片挠度变化，从而进行压力测量。本发明专利技术解决了高温下热应力不匹配导致的传感器失效问题。另外，采用光纤传输可以隔绝高温，消除高温对信号处理电路的影响。在超高温环境下，所制作的压力传感器可以实现宽频带的原位压力测量。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光纤传感
，具体是一种LTCC光纤法珀高温压力传感器。
技术介绍
航天航空发动机的工作温度一般高于1300℃，火箭推动器的工作温度高达3000℃，而常用的压力传感器包括压阻传感器、电阻传感器、压电传感器、石英光纤传感器等，其长时间工作温度最高不超过900℃，远低于发动机的工作温度，限制了压力传感器在航天航空飞行器中的应用。因此，超高温压力传感器在航天航空飞行器的健康状态监测、飞行控制和设计优化方面有迫切的需求。目前，为了解决超高温压力传感器的需求和压力传感器耐温低之间的矛盾，在实际应用中主要采用以下两种替代方法：一是采用水冷或者气冷的压力传感器，其工作温度可以达到1000℃。二是长引压管结合常温压力传感器的测量方法，温度范围更高。这两种方法都具有着明显的缺点：水冷式或气冷系统比较复杂，将导致重量大大增加以及水冷或气冷产生的安全问题，限制了该类型传感器在航天航空发动机中的应用；在引压管结合常温压力传感器的测量方法中，引压管起着传递压力和隔离热量传递的功能，这样不但会导致非原位测量准确度不高，而且引压会降低测量的动态特性，不能满足实时反馈控制的需求。因此，原位超高温环境下的压力测量是目前测量技术的一个瓶颈。综上所述，超高温环境中的压力参数原位测量具有迫切的需求和极大的挑战，急需进一步研究。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，而提供一种LTCC光纤法珀高温压力传感器。本专利技术是通过如下技术方案实现的：一种LTCC光纤法珀高温压力传感器，包括陶瓷基座、陶瓷插芯、尾柄和光纤；陶瓷基座内设有内腔，内腔与陶瓷基座底面之间形成陶瓷压力敏感膜片，陶瓷基座、内腔及陶瓷压力敏感膜片采用LTCC(低温共烧陶瓷)技术一体化制造而成；陶瓷插芯固定于陶瓷基座上，且陶瓷插芯的底部伸至内腔中；尾柄固定于陶瓷插芯的顶部，光纤固定于陶瓷插芯及尾柄中；陶瓷插芯及光纤的出光面与陶
瓷压力敏感膜片平行放置构成法珀腔；陶瓷基座、内腔、陶瓷压力敏感膜片、陶瓷插芯、尾柄和光纤都位于同一轴线上。所述的陶瓷插芯和光纤的出光面都经过研磨处理，以保证出射光纤端面光的反射率。所述的陶瓷压力敏感膜片的反射光一面(即陶瓷压力敏感膜片的内表面)镀有反射膜(如通过溅射技术)，以保证光纤透射光的反射率。进一步的，本专利技术所述的LTCC光纤法珀高温压力传感器的制备方法，包括如下步骤：1)陶瓷基座制备：陶瓷基座及其内腔、陶瓷压力敏感膜片是采用LTCC技术一体化制造而成的，具体为，a)通过打孔机形成生瓷片的定位孔、过孔以及内孔结构；b)通过定位孔将多层100μm厚的生瓷片进行叠片，并保证过孔及内孔的垂直度；c)将叠片完成后的整体结构真空封装后置于层压机中进行层压；d)将层压后的整体结构在烧结炉中进行烧结即可；其中，由下而上计，第一层生瓷片作为陶瓷压力敏感膜片，陶瓷压力敏感膜片的厚度通过第一层生瓷片厚度的设计来实现；第二层生瓷片到第六层生瓷片上开设内孔，五个内孔叠压形成陶瓷基座的内腔，内孔直径决定陶瓷压力敏感膜片的有效直径，陶瓷压力敏感膜片的有效直径通过内孔直径的设计来实现；第七层生瓷片到第N层生瓷片上开设过孔，若干过孔叠压形成用于固定陶瓷插芯的孔结构，陶瓷插芯固定于陶瓷基座内的深度通过若干过孔总深度(即：N-6片生瓷片的总厚度)的设计来实现；2)陶瓷基座与陶瓷插芯固定：将陶瓷插芯的底部通过陶瓷高温烧结技术或高温胶水固定于陶瓷基座上的过孔内，保证陶瓷插芯与陶瓷基座垂直固定；3)陶瓷插芯与尾柄固定：将陶瓷插芯的顶部通过压接机压接在尾柄内。4)光纤与陶瓷插芯、尾柄固定：光纤通过高温胶水胶结固化于陶瓷插芯及尾柄中，高温胶水的热膨胀系数与光纤、陶瓷插芯的接近，具体为，将高温胶水注入尾柄及陶瓷插芯的插孔内，然后将光纤插入尾柄及陶瓷插芯的插孔中，最后加热使高温胶水凝固即可。本专利技术所述的LTCC光纤法珀高温压力传感器，利用陶瓷、光纤、热膨胀系数接近的高温胶水等耐高温材料，并采用LTCC(低温共烧陶瓷)技术一体化加工陶瓷基座及其内腔、陶瓷压力敏感膜片，同时利用光纤传感高灵敏度、抗电磁
干扰、结构紧凑等优点，解决了高温压力传感器主要存在的3大问题：一、高温下敏感材料或机理失效；二、不同材料热膨胀系数不同导致的热应力不匹配，进而导致高温下传感头损坏；三、高温沿信号热线传导对信号处理电路的影响，实现了超高温环境下压力信号的测量。同时，上述结构的LTCC光纤法珀高温压力传感器还具有结构简单、加工工艺简单、便于制造的优点。进一步的，本专利技术还公开了一种采用双波长解调方法的光纤法珀压力传感系统，该系统是基于本专利技术所述的LTCC光纤法珀高温压力传感器上设计而成的，该系统包括LTCC光纤法珀高温压力传感器和信号解调系统；信号解调系统包括SLD光源、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第一滤波器、第二滤波器、第一光电探测器、第二光电探测器、正交信号处理单元和接口模块，其中，第一光纤耦合器分别与SLD光源和第二光纤耦合器连接，第二光纤耦合器又分别与第一滤波器和第二滤波器连接，第一滤波器又与第一光电探测器连接，第二滤波器又与第二光电探测器连接，第一光电探测器和第二光电探测器又同时与正交信号处理单元连接，正交信号处理单元又与接口模块连接；LTCC光纤法珀高温压力传感器的光纤通过石英单模光纤与信号解调系统的第一光纤耦合器连接。本系统中，SLD光源的输出光通过第一光纤耦合器进入LTCC光纤法珀高温压力传感器；LTCC光纤法珀高温压力传感器返回的干涉信号再次通过第一光纤耦合器后，被第二光纤耦合器分成相同的两束光；这两束光分别经第一滤波器和第二滤波器滤波后分别到达第一光电探测器和第二光电探测器，进而被转化为电信号输出；两路电信号进入正交信号处理器进行运算，得到法珀腔的腔长变化量，实现压力传感。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术采用低温共烧陶瓷的方法(即所述LTCC技术)一体化制造直接接触高温的传感器关键部件(陶瓷基座和陶瓷压力敏感膜片)，可以解决高温下由于热应力不匹配导致的传感器损坏问题；本专利技术中将光纤端面与陶瓷压力敏感膜片平行放置构成法珀腔进行压力测量。由于光纤和陶瓷均属于耐高温材料，解决了高温环境下敏感材料或机理失效问题；本专利技术通过光纤传感方法实现压力信号测量，同时可以解决高温对信号处理电路的影响问题。采用光纤传输可以隔绝高温，
消除高温对信号处理电路的影响。在超高温环境下，本专利技术传感器可以实现宽频带的原位压力测量。此外，本专利技术的LTCC光纤法珀高温压力传感器的结构十分简单，这大大降低了加工和调试难度。附图说明图1为本专利技术LTCC光纤法珀高温压力传感器的结构示意图。图2为本专利技术采用双波长解调方法的光纤法珀压力传感系统的结构示意图。图中：1-陶瓷基座、2-陶瓷插芯、3-尾柄、4-光纤、5-内腔、6-陶瓷压力敏感膜片、7-法珀腔、8-反射膜；102-SLD光源、103-第一光纤耦合器、104-第二光纤耦合器、105-第一滤波器、106-第二滤波器、107-第一光电探测器、108-第二光电探测器、109-正交信号处理单元、110-接口模块、111-石英单模光纤。具体实施方式以下结合附图对本专利技术作进一步地描述：如图1所示，一种LTCC光纤法珀高温本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种LTCC光纤法珀高温压力传感器，其特征在于：包括陶瓷基座（1）、陶瓷插芯（2）、尾柄（3）和光纤（4）；陶瓷基座（1）内设有内腔（5），内腔（5）与陶瓷基座（1）底面之间形成陶瓷压力敏感膜片（6），陶瓷基座（1）、内腔（5）及陶瓷压力敏感膜片（6）采用LTCC技术一体化制造而成；陶瓷插芯（2）固定于陶瓷基座（1）上，且陶瓷插芯（2）的底部伸至内腔（5）中；尾柄（3）固定于陶瓷插芯（2）的顶部，光纤（4）固定于陶瓷插芯（2）及尾柄（3）中；陶瓷插芯（2）及光纤（4）的出光面与陶瓷压力敏感膜片（6）平行放置构成法珀腔（7）；陶瓷基座（1）、内腔（5）、陶瓷压力敏感膜片（6）、陶瓷插芯（2）、尾柄（3）和光纤（4）都位于同一轴线上。
【技术特征摘要】
1.一种LTCC光纤法珀高温压力传感器，其特征在于：包括陶瓷基座（1）、陶瓷插芯（2）、尾柄（3）和光纤（4）；陶瓷基座（1）内设有内腔（5），内腔（5）与陶瓷基座（1）底面之间形成陶瓷压力敏感膜片（6），陶瓷基座（1）、内腔（5）及陶瓷压力敏感膜片（6）采用LTCC技术一体化制造而成；陶瓷插芯（2）固定于陶瓷基座（1）上，且陶瓷插芯（2）的底部伸至内腔（5）中；尾柄（3）固定于陶瓷插芯（2）的顶部，光纤（4）固定于陶瓷插芯（2）及尾柄（3）中；陶瓷插芯（2）及光纤（4）的出光面与陶瓷压力敏感膜片（6）平行放置构成法珀腔（7）；陶瓷基座（1）、内腔（5）、陶瓷压力敏感膜片（6）、陶瓷插芯（2）、尾柄（3）和光纤（4）都位于同一轴线上。2.根据权利要求1所述的LTCC光纤法珀高温压力传感器，其特征在于：所述的陶瓷插芯（2）和光纤（4）的出光面都经过研磨处理。3.根据权利要求1或2所述的LTCC光纤法珀高温压力传感器，其特征在于：所述的陶瓷压力敏感膜片（6）的反射光一面镀有反射膜（8）。4.如权利要求1所述的LTCC光纤法珀高温压力传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1）陶瓷基座（1）制备：陶瓷基座（1）及其内腔（5）、陶瓷压力敏感膜片（6）是采用LTCC技术一体化制造而成的，具体为，a）通过打孔机形成生瓷片的定位孔、过孔以及内孔结构；b）通过定位孔将多层100μm厚的生瓷片进行叠片，并保证过孔及内孔的垂直度；c）将叠片完成后的整体结构真空封装后置于层压机中进行层压；d）将层压后的生瓷片结构在烧结炉中进行烧结即可；其中，由下而上计，第一层生瓷片作为陶瓷压力敏感膜片（6），陶瓷压力敏感膜片（6）的厚度通过第一层生瓷片厚度的设计来实现；第二层生瓷片到第六层生瓷片上开设内孔，五个内孔叠压形成陶瓷基座（1）的内腔（5），内孔直径决定陶瓷压力敏感膜片（6）的有效直径，陶瓷压力敏...
【专利技术属性】
技术研发人员：贾平岗，熊继军，梁庭，张会新，洪应平，田晓丹，刘佳，李哲，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西;14
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