光纤法珀液压传感器基本原理

光纤法珀传感器具有线性度好、重复性好、结构简单等特征，被广泛地应用

于压力、温度等传感领域。光纤法珀传感器往往使用具有优良的力学和光学性能

的弹性膜片作为传感元件的核心，接受外界待测参量的变化，同时作为法珀腔的

一个反射面，另一反射面为光纤端面。光信号通过光纤射入法珀腔之后，在两个

反射面上发生反射，并叠加形成干涉信号，耦合进光纤中。干涉信号携带了法珀

腔的腔长信息，弹性膜片在外界待测参量的作用下发生形变时，相应的法珀腔长

会发生变化，干涉信号携带的信息也相应发生变化，通过解调系统处理干涉信号

即可获得腔长信息，进而获得外界参量信息。本章首先介绍光纤法珀液压传感器

的基本结构，随后按照液位-液压换算关系、膜片受力形变的力学模型、法珀腔的

低相干干涉原理的顺序对面向液位测量应用的光纤法珀液压传感器的测量原理

进行分析，最后分析了不同的力学模型、环境气压、法珀腔内气压与环境温度对

光纤法珀液压传感器测量精度的影响。

2.1 光纤法珀液压传感器基本结构

光纤法珀液压传感器的基本结构如图 2-1 所示，这种传感器大多由弹性膜片、

支撑体以及光纤三部分组成，弹性膜片与支撑体之间可以通过无机焊料、激光或

环氧胶进行固定，光纤与支撑体之间可以通过紫外胶、激光或环氧胶进行固定。

图 2-1 光纤法珀液压传感器基本结构

根据应用场景实际需求的不同，膜片的材质多种多样，例如单晶硅

[39][40]、二

氧化硅

[34]、聚合物

[41][42]、金属

[43][44]等等。膜片单面或双面抛光，抛光面朝向法珀

腔内侧，作为法珀腔的一个反射面，同时具有接受外界环境中待测参量的变化的

功能，例如压力

[39]、温度

[37]、震动

[44]、气体变化

[45]等等，并将外界力热参量的变

化转化为光学参量的变化。

支撑体与膜片类似，可以根据实际需求的不同以及温度补偿等设计要求来决

定材质，例如二氧化硅和金属等等。支撑体与膜片接触的一端自带或通过刻蚀加

工出圆形微腔，作为法珀腔的侧壁，为法珀腔提供初始腔长，同时作为光纤的保

护和连接体，使得光纤与膜片的形变中心保持准直。

光纤的端面作为法珀腔的另一个反射面，与弹性膜片共同构成法珀干涉系统

进行传感。光纤的种类同样可以根据光源、解调系统及传感需求而进行改变，既

可以是单模光纤，也可以是多模光纤。

光纤法珀液压传感器工作时，光信号由光源发出，经过光纤的传输，一部分

光信号在光纤端面发生反射，另一部分光信号通过法珀腔后垂直入射到弹性膜片

上，由弹性膜片底面的反射，传输回光纤端面并耦合进光纤中，两束光发生干涉。

外界力热参量发生变化时，弹性膜片受作用而产生形变，改变法珀腔腔长和两束

光的光程差，使得干涉条纹发生变化。通过对干涉条纹的解调，便可以得到外界

力热参量的信息，从而实现高精度传感