CN101424696B - 全光纤温度自补偿微型f-p加速度传感器及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全光纤温度自补偿微型F-P加速度传感器，它包括两根普通单模光纤、两根空芯光纤、实芯光子晶体光纤，所述的传感器按普通单模光纤、空芯光纤、实芯光子晶体光纤、空芯光纤、普通单模光纤的顺序顺次焊接和熔接；本发明还公开了一种全光纤温度自补偿微型F-P加速度传感器的制作方法及测量装置；本发明的有益技术效果是：使加速度计实现了微型化和温度自补偿，并且该加速度计制作简单、灵敏度高、响应速度快、耐高温，特别是可应用于恶劣环境如水下、高电磁场环境、高污染环境、温度变化大的各种状况下的加速度、和振动量的测量。

Description

全光纤温度自补偿微型F-P加速度传感器及制作方法

技术领域

本发明涉及一种传感器及其制作方法，尤其涉及一种全光纤温度自补偿微型F-P加速度传感器及制作方法。

背景技术

加速度是物理学和工程领域非常重要的参数之一。加速度的测量在许多领域都有广泛的应用，如在航空航天领域可用于导弹的制导、飞机的导航、人造卫星的姿态控制和国际空间站低频加速度的测量等；在汽车工业，为了确定汽车本身的缓冲性能，主要用于悬浮系统，预刹车/牵引系统，驾驶系统和安全系统；在电厂，可实现对大型电器设备的遥测，如发动机、变压器等内部机组的测量等。因此加速度的测量具有重要的实际应用价值，研究开发新型实用的加速度传感器尤为重要。

基于MEMS工艺的压阻式或电容式传感器具有体积小，易于集成和处理速度快等优点，但这种传感器却不能应用于温度大于200度的环境，也不能应用于具有电磁干扰等恶劣环境的加速度测量；基于简谐振动的机械式加速度计存在灵敏度低、体积庞大等缺点；上面两类传感器中环境温度的变化都会对测量结果产生干扰，因此使用这类加速度传感器还必须附带温度校正装置，从而增加了测量的不准确度。光纤传感器以其防爆、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、结构小巧等优点而日益受到人们的重视。由于目前许多领域都要求实时、实地、多参量测量，特别是现在对于具有温度自补偿能力、且耐高温的加速度传感器需求强烈。

在光纤传感技术的大家庭中，光纤法布里-珀罗(F-P)干涉传感器是目前历史最长、技术最为成熟、应用最为广泛的一种光纤传感器之一，已经被成功用于测量温度、应变、压力、位移、超声波、折射率等参数，商用化程度很高。

发明内容

基于以上的问题，本发明提出了一种全光纤温度自补偿微型F-P加速度传感器，它包括：两根普通单模光纤、两根空芯光纤、一根实芯光子晶体光纤，在实芯光子晶体光纤两端分别熔接空芯光纤，将两根普通单模光纤端头的一小段分别插入两根空芯光纤的空芯孔内并焊接固定；其中，实芯光子晶体光纤上有轴向贯穿实芯光子晶体光纤的扇形通孔，扇形通孔与实芯光子晶体光纤横切面同圆心；扇形通孔的分隔部分形成振动臂；所有扇形通孔和振动臂一起组成圆环形状，圆环所围的部分形成振动块。

所述的振动臂的数量为2个或2个以上，且在不同数量的振动臂情况下，各个振动臂之间都按圆心角对称；振动臂的弧所对应的圆心角范围为5°～15°。

所述的扇形通孔的内径为20～30微米，外径为50～60微米；空芯光纤的内径为140-160微米，外径大于250微米；实芯光子晶体光纤的外径与空芯光纤的外径相同；普通单模光纤的直径与空芯光纤的内径紧密配合；实芯光子晶体光纤的长度为500微米～2毫米。

振动块位于实芯光子晶体光纤的轴向中部，振动臂的厚度小于振动块的厚度，厚度差为0～40微米；实芯光子晶体光纤的厚度大于振动块的厚度，厚度差为40-60微米。

所述的空芯光纤采用空芯光子晶体光纤时，则空芯光纤长度为10微米～10厘米；空芯光纤采用空芯玻璃光纤时，则空芯光纤长度为10～800微米。

所述的振动块两端面都镀有银膜，厚度为5-10微米。

两根普通单模光纤和两根空芯光纤的焊接处的普通单模光纤端面分别形成两个反射面，振动块的两个端面到各自那侧的反射面的距离相同。

前述的全光纤温度自补偿微型F-P加速度传感器的制作方法，如下：

该方法的工艺步骤包括：

1)利用微动台将第一根普通单模光纤端头的一小段插入第一根空芯光纤的空芯孔内，采用CO₂激光焊接方法将第一根普通单模光纤和第一根空芯光纤的插接处焊接固定；

2)根据需要的F-P干涉腔长度，切割第一根空芯光纤；

3)在实芯光子晶体光纤一端的端面镀上银膜，采用飞秒激光或157nm激光微加工法，在实芯光子晶体光纤的镀膜端，加工出与实芯光子晶体光纤横切面同圆心的若干个扇形通孔；加工振动臂、振动块的厚度；采用手动熔接的方法将实芯光子晶体光纤镀膜端与第一根空芯光纤的切割端熔接；

4)根据需要的长度，切割实芯光子晶体光纤；

5)采用研磨盘将实芯光子晶体光纤精确研磨到设计长度；

6)再采用飞秒激光或157nm激光微加工法，在实芯光子晶体光纤的研磨端，加工振动臂、振动块的厚度，使振动块位于实芯光子晶体光纤的轴向中部；

7)在振动块的裸露端镀上银膜；

8)采用手动熔接的方法，将第二根空芯光纤的一端与实芯光子晶体光纤的研磨端熔接；

9)在显微镜下手动切割第二根空芯光纤的长度；

10)利用微动台将第二根普通单模光纤端头的一小段插入第二根空芯光纤的空芯孔内，采用CO₂激光焊接方法将第二根普通单模光纤和第二根空芯光纤的插接处焊接固定。

上述工艺步骤中，各个器件的工艺参数为：空芯光纤采用空芯光子晶体光纤时长度为10微米～10厘米，空芯光纤采用空芯玻璃光纤时长度为10微米～800微米；实芯光子晶体光纤的长度为500微米～2毫米；振动臂的数量为2个或2个以上，且在不同数量的振动臂情况下，各个振动臂之间都按圆心角对称；振动臂的弧所对应的圆心角为5°～15°；扇形通孔的内径为20～30微米，外径为50～60微米；振动臂的厚度小于振动块的厚度，厚度差为0～40微米；实芯光子晶体光纤的厚度大于振动块的厚度，厚度差为40-60微米。

本发明还公开了一种采用全光纤温度自补偿微型F-P加速度传感器的测量装置，它包括激光光源、调制器、三个耦合器、两个隔离器、两个光电探测器、信号采集电路、计算机和全光纤温度自补偿微型F-P加速度传感器；其中，激光光源、调制器顺次光路连接到第一个耦合器的一端，第一个耦合器的另一端分别与两个隔离器的输入端光路连接；其中一个隔离器的输出端、全光纤温度自补偿微型F-P加速度传感器的一端、其中一个光电探测器输入端，三者通过第二个耦合器光路连接；另一个隔离器的输出端、全光纤温度自补偿微型F-P加速度传感器的另一端、另一个光电探测器输入端，三者通过第三个耦合器光路连接；两个光电探测器的输出端都与信号采集电路通信连接，信号采集电路与计算机通信连接。

本发明的有益技术效果是：使加速度计实现了微型化和温度自补偿，并且该加速度计制作简单、灵敏度高、响应速度快、耐高温，特别是可应用于恶劣环境如水下、高电磁场环境、高污染环境、温度变化大的各种状况下的加速度、和振动量的测量。

附图说明

附图1为全光纤温度自补偿微型F-P加速度传感器结构图；

附图2为振动臂数量为2时的实芯光子晶体光纤的端面结构图；

附图3为振动臂数量为3时的实芯光子晶体光纤的端面结构图；

附图4为振动臂数量为4时的实芯光子晶体光纤的端面结构图；

附图5为采用本发明的传感器的测量装置的结构图；

图中：普通单模光纤1、空芯光纤2、实芯光子晶体光纤3、振动臂3-1、振动块3-2、扇形通孔3-3、激光光源4、调制器5、耦合器6、隔离器7、光电探测器8、信号采集器9、计算机10、全光纤温度自补偿微型F-P加速度传感器11、上干涉腔11-1、下干涉腔11-2。

具体实施方式

参见附图1，如图所示，本发明的传感器结构包括：两根普通单模光纤1、两根空芯光纤2、一根实芯光子晶体光纤3，在实芯光子晶体光纤3两端分别熔接空芯光纤2，将两根普通单模光纤1端头的一小段分别插入两根空芯光纤2的空芯孔内并焊接固定；其中，实芯光子晶体光纤3上有轴向贯穿实芯光子晶体光纤3的扇形通孔3-3，扇形通孔3-3与实芯光子晶体光纤3横切面同圆心；扇形通孔3-3的分隔部分形成振动臂3-1；所有扇形通孔3-3和振动臂3-1一起组成圆环形状，圆环所围的部分形成振动块3-2。

实芯光子晶体光纤3与两个空芯光纤2的熔接处形成两个反射面，两个空芯光纤2与两个普通单模光纤1的焊接处的两个普通单模光纤1端面也形成两个反射面，为了避免两个干涉腔的干涉信号之间相互影响，实芯光子晶体光纤3两端(即振动块3-2两端)的反射面镀有高反射银金属膜，其厚度达到5-10微米；两根普通单模光纤1和两根空芯光纤2的焊接处的普通单模光纤1端面分别形成两个反射面，振动块3-2的两个端面到各自那侧的反射面的距离相同(也即两个干涉腔的腔长相同)。

构成F-P干涉腔的空芯光纤2的材料，可以选择空芯光子晶体光纤，也可以选择空芯玻璃光纤。

在F-P干涉腔所选材料的问题上主要有以下考虑：

1)当测量环境对传感器的温度影响较小时，采用空芯玻璃光纤作为F-P干涉腔，此时F-P干涉腔长度范围在10微米～800微米之间；

2)当测量环境对传感器的温度影响较大时，采用空芯光子晶体光纤作为F-P干涉腔，此时F-P干涉腔长度范围在10微米～10厘米之间，并且可为无限单模光子晶体光纤，即EPCF。

根据测量对象的加速度范围和所要求的灵敏度大小，设计实芯光子晶体光纤3、振动臂3-1和振动块3-2的参数。根据设计的尺寸，利用飞秒激光或157nm激光等微加工方法将实芯光子晶体光纤3的端面进行微加工，使得传感器各部分尺寸满足设计的要求：

实芯光子晶体光纤3的长度范围为500微米～2毫米；

振动块3-2位于实芯光子晶体光纤3的轴向中部，振动臂3-1的厚度小于振动块3-2的厚度，厚度差为0～40微米(振动臂3-1处于振动块3-2的轴向中部)；实芯光子晶体光纤3的厚度大于振动块3-2的厚度，厚度差为40-60微米。

振动臂3-1的弧所对应的圆心角范围为5°～15°；

扇形通孔3-3的内径为20～30微米，外径为50～60微米；扇形通孔3-3的深度为通孔；

根据不同的使用环境、灵敏度要求、测量范围，振动臂3-1的数量可为2个或2个以上，参见附图2、3、4，图中所示为振动臂3-1分别为2、3、4个时，实芯光子晶体光纤3的端面结构；且在不同数量的振动臂3-1情况下，各个振动臂3-1之间都按圆心角对称分布。

全光纤温度自补偿微型F-P加速度传感器11的制作方法如下：

1)利用微动台将第一根普通单模光纤1端头的一小段插入第一根空芯光纤2的空芯孔内，采用CO₂激光焊接方法将第一根普通单模光纤1和第一根空芯光纤2的插接处焊接固定；

2)根据需要的F-P干涉腔长度，切割第一根空芯光纤2；

3)在实芯光子晶体光纤3一端的端面镀上银膜，采用飞秒激光或157nm激光微加工法，在实芯光子晶体光纤3的镀膜端，加工出与实芯光子晶体光纤3横切面同圆心的若干个扇形通孔3-3；加工振动臂3-1、振动块3-2的厚度；采用手动熔接的方法将实芯光子晶体光纤3镀膜端与第一根空芯光纤2的切割端熔接；

4)根据需要的长度，切割实芯光子晶体光纤3；

5)采用研磨盘将实芯光子晶体光纤3精确研磨到设计长度；

6)再采用飞秒激光或157nm激光微加工法，在实芯光子晶体光纤3的研磨端，加工振动臂3-1、振动块3-2的厚度，使振动块3-2位于实芯光子晶体光纤3的轴向中部；

7)在振动块3-2的裸露端镀上银膜；

8)采用手动熔接的方法，将第二根空芯光纤2的一端与实芯光子晶体光纤3的研磨端熔接；

9)在显微镜下手动切割第二根空芯光纤2的长度；

10)利用微动台将第二根普通单模光纤1端头的一小段插入第二根空芯光纤2的空芯孔内，采用CO₂激光焊接方法将第二根普通单模光纤1和第二根空芯光纤2的插接处焊接固定。

上述工艺步骤中各个器件的参数为：空芯光纤2采用空芯光子晶体光纤时长度为10微米～10厘米，空芯光纤2采用空芯玻璃光纤时长度为10微米～800微米；实芯光子晶体光纤3的长度为500微米～2毫米；振动臂3-1的数量为2个或2个以上，且在不同数量的振动臂3-1情况下，各个振动臂3-1之间都按圆心角对称；振动臂3-1的弧所对应的圆心角为5°～15°；扇形通孔3-3的内径为20～30微米，外径为50～60微米；振动臂3-1的厚度小于振动块3-2的厚度，厚度差为0～40微米；实芯光子晶体光纤3的厚度大于振动块3-2的厚度，厚度差为40-60微米。

附图5为采用本发明的传感器的测量装置的结构图，它包括激光光源4、调制器5、三个耦合器6、两个隔离器7、两个光电探测器8、信号采集电路9、计算机10和全光纤温度自补偿微型F-P加速度传感器11；其中，激光光源4、调制器5顺次光路连接到第一个耦合器6的一端，第一个耦合器6的另一端分别与两个隔离器7的输入端光路连接；其中一个隔离器7的输出端、全光纤温度自补偿微型F-P加速度传感器11的一端、其中一个光电探测器8输入端，三者通过第二个耦合器6光路连接；另一个隔离器7的输出端、全光纤温度自补偿微型F-P加速度传感器11的另一端、另一个光电探测器8输入端，三者通过第三个耦合器6光路连接；两个光电探测器8的输出端都与信号采集电路9通信连接，信号采集电路9与计算机10通信连接。

将该加速度传感器安置在需要测量加速度的部件上，伴随部件的运动，传感器的振动块3-2会发生运动，从而使得全光纤温度自补偿微型F-P加速度传感器11(后文简称加速度传感器)的上干涉腔11-1和下干涉腔11-2的长度都发生变化。这两个干涉腔的长度变化大小一致，但变化方向相反，即一个干涉腔长度增加多少，另外一个干涉腔的长度就减少相同的量。反映到相位上就是一个干涉腔相位增加多少，另外一个干涉腔的相位就减少相同的量。通过两个干涉腔相位变化的差就可以很容易实现高灵敏度的加速度检测。当环境温度变化时，加速度传感器的上下两个干涉腔都会因为温度的变化使得干涉腔同时增加或减小，由于两个干涉腔长度相同，因此温度变化对两个干涉腔的相位差几乎不产生影响，这在检测加速度时就有效的避免了温度对传感器的影响，从而实现了温度的自补偿。需要特别强调的是，扇形通孔3-3是纵向贯穿实芯光子晶体光纤3的，这就表明，两个干涉腔是连通的，所以不会因为气压压力的变化带来测量的不灵敏或不准确。

该测量系统信号的流动过程为：激光光源4输出某一个波长的激光(一般为C波段激光，1520nm～1570nm)，进入调制器5，已调光通过第一个耦合器6分成两束光后分别进入隔离器7后，通过第二和第三个耦合器6分别从两端进入加速度传感器，两个干涉腔的干涉信号又通过第二和第三个耦合器6分别送入光电探测器8，再经过信号采集器9进行数据采集和比较成熟的相位解调算法后就可以得到相应运动部件的加速度值，最后传入计算机10中。

Claims (9)

1.一种全光纤温度自补偿微型F-P加速度传感器，其特征在于：它包括：两根普通单模光纤(1)、两根空芯光纤(2)、一根实芯光子晶体光纤(3)，在实芯光子晶体光纤(3)两端分别熔接空芯光纤(2)，将两根普通单模光纤(1)端头的一小段分别插入两根空芯光纤(2)的空芯孔内并焊接固定；其中，实芯光子晶体光纤(3)上有轴向贯穿实芯光子晶体光纤(3)的扇形通孔(3-3)，扇形通孔(3-3)与实芯光子晶体光纤(3)横切面同圆心；扇形通孔(3-3)的分隔部分形成振动臂(3-1)；所有扇形通孔(3-3)和振动臂(3-1)一起组成圆环形状，圆环所围的部分形成振动块(3-2)。

2.根据权利要求1所述的全光纤温度自补偿微型F-P加速度传感器，其特征在于：所述的振动臂(3-1)的数量为2个以上，且在不同数量的振动臂(3-1)情况下，各个振动臂(3-1)之间都按圆心角对称；振动臂(3-1)的弧所对应的圆心角范围为5°～15°。

3.根据权利要求1所述的全光纤温度自补偿微型F-P加速度传感器，其特征在于：所述的扇形通孔(3-3)的内径为20～30微米，外径为50～60微米；空芯光纤(2)的内径为140-160微米，外径大于250微米；实芯光子晶体光纤(3)的外径与空芯光纤(2)的外径相同；普通单模光纤(1)的直径与空芯光纤(2)的内径紧密配合；实芯光子晶体光纤(3)的长度为500微米～2毫米。

4.根据权利要求1所述的全光纤温度自补偿微型F-P加速度传感器，其特征在于：振动块(3-2)位于实芯光子晶体光纤(3)的轴向中部，振动臂(3-1)的厚度小于振动块(3-2)的厚度，厚度差为0～40微米；实芯光子晶体光纤(3)的厚度大于振动块(3-2)的厚度，厚度差为40-60微米。

5.根据权利要求1所述的全光纤温度自补偿微型加速度传感器，其特征在于：所述的空芯光纤(2)采用空芯光子晶体光纤时，则空芯光纤(2)长度为10微米～10厘米；空芯光纤(2)采用空芯玻璃光纤时，则空芯光纤(2)长度为10～800微米。

6.根据权利要求4所述的全光纤温度自补偿微型F-P加速度传感器，其特征在于：所述的振动块(3-2)两端面都镀有银膜，厚度为5-10微米。

7.根据权利要求1或4所述的全光纤温度自补偿微型F-P加速度传感器，其特征在于：两根普通单模光纤(1)和两根空芯光纤(2)的焊接处的普通单模光纤(1)端面分别形成两个反射面，振动块(3-2)的两个端面到各自那侧的反射面的距离相同。

8.一种全光纤温度自补偿微型F-P加速度传感器的制作方法，其特征在于：该方法的工艺步骤包括：

1)利用微动台将第一根普通单模光纤(1)端头的一小段插入第一根空芯光纤(2)的空芯孔内，采用CO₂激光焊接方法将第一根普通单模光纤(1)和第一根空芯光纤(2)的插接处焊接固定；

2)根据需要的F-P干涉腔长度，切割第一根空芯光纤(2)；

3)在实芯光子晶体光纤(3)一端的端面镀上银膜，采用飞秒激光或157nm激光微加工法，在实芯光子晶体光纤(3)的镀膜端，加工出与实芯光子晶体光纤(3)横切面同圆心的若干个扇形通孔(3-3)；加工振动臂(3-1)、振动块(3-2)的厚度；采用手动熔接的方法将实芯光子晶体光纤(3)镀膜端与第一根空芯光纤(2)的切割端熔接；所有扇形通孔(3-3)和振动臂(3-1)一起组成圆环形状，圆环所围的部分形成振动块(3-2)；

4)根据需要的长度，切割实芯光子晶体光纤(3)；

5)采用研磨盘将实芯光子晶体光纤(3)精确研磨到设计长度；

6)再采用飞秒激光或157nm激光微加工法，在实芯光子晶体光纤(3)的研磨端，加工振动臂(3-1)、振动块(3-2)的厚度，使振动块(3-2)位于实芯光子晶体光纤(3)的轴向中部；

7)在振动块(3-2)的裸露端镀上银膜；

8)采用手动熔接的方法，将第二根空芯光纤(2)的一端与实芯光子晶体光纤(3)的研磨端熔接；

9)在显微镜下手动切割第二根空芯光纤(2)的长度；

10)利用微动台将第二根普通单模光纤(1)端头的一小段插入第二根空芯光纤(2)的空芯孔内，采用CO₂激光焊接方法将第二根普通单模光纤(1)和第二根空芯光纤(2)的插接处焊接固定。

9.根据权利要求8所述的全光纤温度自补偿微型F-P加速度传感器的制作方法，其特征在于：所述的工艺参数为：两根空芯光纤(2)采用空芯光子晶体光纤时单根长度为10微米～10厘米，两根空芯光纤(2)采用空芯玻璃光纤时单根长度为10微米～800微米；实芯光子晶体光纤(3)的长度为500微米～2毫米；振动臂(3-1)的数量为2个以上，且在不同数量的振动臂(3-1)情况下，各个振动臂(3-1)之间都按圆心角对称；振动臂(3-1)的弧所对应的圆心角为5°～15°；扇形通孔(3-3)的内径为20～30微米，外径为50～60微米；振动臂(3-1)的厚度小于振动块(3-2)的厚度，厚度差为0～40微米；实芯光子晶体光纤(3)的厚度大于振动块(3-2)的厚度，厚度差为40-60微米。

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