CN103090990A - 一种耐高温光纤宏弯损耗温度传感器的制造方法 - Google Patents

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彭星玲
张华�
李玉龙
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一种耐高温光纤宏弯损耗温度传感器的制造方法，它包括以下步骤（1）该传感器使用对弯曲敏感的1060XP单模石英光纤；（2）将一根1060XP单模石英光纤中间一小段（长度约为65-100mm）去除涂覆层；（3）将去除涂覆层的单模光纤弯曲形成半径为10-20mm的裸光纤环；（4）通过化学镀黑Ni-P合金的方法使裸光纤环表面形成一层黑色吸收膜，其步骤是：用酒精对裸光纤环进行清洗；对裸光纤环进行敏化处理；对裸光纤环进行活化处理；对裸光纤环表面进行化学镀Ni-P合金；将光纤环浸入发黑液中形成表面黑Ni-P合金。本发明制作工艺简单、制造成本低，产品还具有灵敏度高、能实现高温测量的优点，为形成智能金属结构奠定了基础。

Description

一种耐高温光纤宏弯损耗温度传感器的制造方法
技术领域
本发明涉及一种耐高温光纤宏弯损耗温度传感器的制造方法。
背景技术
光纤传感器是采用光纤作为光传输的媒介，当光在光纤中传播时，表征光的特征参量(例如振幅、相位、偏振态、波长等参量)因外界环境因素(例如温度、应力、电场、位移等)作用而直接或间接改变，从而可将光纤器件用作传感元件来传感各种待测量。光纤传感器具有许多传统传感器所不具有的优点：例如，灵敏度高、耐腐蚀、电磁绝缘性好、安全可靠、有多方面的适应性；重量轻、体积小、容易弯曲、可以制成任意形状的光纤传感器；可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀或其它的恶劣环境。由于光纤传感器的优点，近年来光纤传感技术发展迅速，例如，光纤光栅(FBG和LPG)型传感器、光纤弯曲传感器以及分布式光纤传感系统和光纤智能材料等。利用光纤传感器件可以监测和传感温度、压力、应变、位移等多种物理量，其中对温度的测量是光纤传感领域一个非常重要的研究方向。近年来，采用光纤传感器的温度传感研究主要集中在特殊光栅类（例如光纤布拉格光栅FBG、长周期光纤光栅LPFG）和光干涉计类。光敏效应制成的FBG在温度传感领域的研究和应用最为成熟，然而存在的突出问题是使用温度较低和价格较贵：普通I型FBG长期使用温度不超过200℃；需要特殊制作处理工艺和设备，因此价格远高于一般光纤。弹光效应写入的LPFG有高的温度灵敏度（～100 pm/℃）和相对较高的使用温度（700-800℃）；然而由于本身灵敏度过高，造成受弯曲变形影响大的问题难以解决；而且LPFG光栅类高温传感器的实现需要光纤特殊的掺杂、高性能的激光器、在光纤拉丝过程中写入光栅或是使用光子晶体光纤。国内饶云江小组报道的飞秒激光微加工技术制作的F-P干涉计可耐800℃的高温；Ying Wang等报导的飞秒激光微加工技术制作的Mach–Zehnder干涉仪可测最高温度在1100℃；但这些干涉计类传感系统制作工艺复杂，需要昂贵的激光微加工系统。用于高温测量的光纤传感器件有报导最高可测温度为1600℃，但只限于使用昂贵的红宝石光纤或蓝宝石光纤。从现有文献来看，用于测温的光纤传感器存在价格昂贵（红宝石、蓝宝石光纤）、使用温度偏低（FBG）、容易损坏和易受应变干扰（FBG和LPFG）以及制作需要复杂昂贵的设备（FBG、LPFG、光干涉计）等问题；急需一种价格低廉、制作工艺简单、使用温度范围广的光纤器件来部分解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种耐高温光纤宏弯损耗温度传感器的制造方法，它具有工艺简单、制造成本低，产品灵敏度高、能实现高温测量的优点。
本发明是这样来实现的，一种耐高温光纤宏弯损耗温度传感器的制造方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：（1）该传感器使用对弯曲敏感的1060XP单模石英光纤；（2）将一根1060XP单模石英光纤中间一小段，长度为65-100mm,浸入丙酮中20-30分钟，然后用沾有酒精的棉花团轻轻除去涂覆层；（3）将去除涂覆层的单模光纤两头穿过一个长2mm，内部直径为300μm的聚合物管，形成弯曲半径为10-20mm的裸光纤环，然后用502胶水注入聚合物管黏住裸光纤环的交叉点，使裸光纤环保持稳定，不变形；（4）通过化学镀黑Ni-P合金的方法使裸光纤环表面形成一层黑色吸收膜，步骤是：用酒精对裸光纤环进行清洗；对裸光纤环进行敏化处理；对裸光纤环进行活化处理；对裸光纤环进行化学镀Ni-P合金；将光纤环浸入发黑液中形成表面黑Ni-P合金，其中发黑液的配方是4g/L H2SO4,10g/L高锰酸钾，工作温度为80-82℃。
本发明的技术效果是：本发明将单模石英光纤去除涂覆层，然后弯曲形成10-20mm的裸光纤环，然后对裸光纤环表面进行化学镀黑Ni-P合金，有效的抑制了光纤宏弯损耗随温度和弯曲半径变化而发生振荡，不仅制作工艺简单、成本低，而且产品具有灵敏度高，能实现高温测量的优点，为形成智能金属结构奠定了基础。
附图说明
图1为去除涂覆层的光纤示意图。
图2为去除涂覆层的光纤环结构示意图
图3为光纤宏弯功率损耗对温度传感实验图
图中，1、光纤   2、裸光纤环  3、聚合物管。
具体实施方式
实施例一
本发明是这样来实现的，步骤为:
（1）该传感器使用对弯曲敏感的1060XP单模石英光纤，将一根1060XP单模石英光纤1中间一小段（长度约为65mm）,浸入丙酮中20分钟，然后用沾有酒精的棉花团轻轻除去涂覆层，如图1；
（2）将去除涂覆层的单模光纤两头穿过一个长2mm，内部直径为300μm的聚合物管3，形成弯曲半径为10mm的裸光纤环2，然后用502胶水注入聚合物管3黏住裸光纤环2的交叉点，使裸光纤环2保持稳定，不变形，如图2；
（3）通过化学镀黑Ni-P合金的方法使裸光纤环表面形成一层黑色吸收膜，步骤是：用酒精对裸光纤环进行清洗；对裸光纤环进行敏化处理；对裸光纤环进行活化处理；对裸光纤环进行化学镀Ni-P合金；将光纤环浸入发黑液中形成表面黑Ni-P合金，其中发黑液的配方是4g/L H2SO4,10g/L高锰酸钾，工作温度80℃。
实施例二
本发明是这样来实现的，步骤为:
（1）该传感器使用对弯曲敏感的1060XP单模石英光纤，将一根1060XP单模石英光纤1中间一小段（长度约为80mm）,浸入丙酮中25分钟，然后用沾有酒精的棉花团轻轻除去涂覆层，如图1；
（2）将去除涂覆层的单模光纤两头穿过一个长2mm，内部直径为300μm的聚合物管3，形成弯曲半径为12.5mm的裸光纤环2，然后用502胶水注入聚合物管3黏住裸光纤环2的交叉点，使裸光纤环2保持稳定，不变形，如图2；
（3）通过化学镀黑Ni-P合金的方法使裸光纤环表面形成一层黑色吸收膜，步骤是：用酒精对裸光纤环进行清洗；对裸光纤环进行敏化处理；对裸光纤环进行活化处理；对裸光纤环进行化学镀Ni-P合金；将光纤环浸入发黑液中形成表面黑Ni-P合金，其中发黑液的配方是4g/L H2SO4,10g/L高锰酸钾，工作温度81℃。
实施例三
本发明是这样来实现的，步骤为:
（1）该传感器使用对弯曲敏感的1060XP单模石英光纤，将一根1060XP单模石英光纤1中间一小段（长度约为95mm）,浸入丙酮中30分钟，然后用沾有酒精的棉花团轻轻除去涂覆层，如图1；
（2）将去除涂覆层的单模光纤两头穿过一个长2mm，内部直径为300μm的聚合物管3，形成弯曲半径为15mm的裸光纤环2，然后用502胶水注入聚合物管3黏住裸光纤环2的交叉点，使裸光纤环2保持稳定，不变形，如图2；
（3）通过化学镀黑Ni-P合金的方法使裸光纤环表面形成一层黑色吸收膜，步骤是：用酒精对裸光纤环进行清洗；对裸光纤环进行敏化处理；对裸光纤环进行活化处理；对裸光纤环进行化学镀Ni-P合金；将光纤环浸入发黑液中形成表面黑Ni-P合金，其中发黑液的配方是4g/L H2SO4,10g/L高锰酸钾，工作温度82℃。
由于光纤去除了涂覆层，并用化学镀黑Ni-P合金的方法形成了一层黑色吸收膜，可以将宏弯光纤看成光纤纤芯无限包层结构。进入光纤环的光，除了沿纤芯传播的光外，全部被这层黑色薄膜吸收，这样就不会在包层涂层和涂层空气层间形成WG模（wispering-gallery mode），有效的抑制了光纤宏弯损耗随温度和弯曲半径变化而发生振荡，并有效的提高了灵敏度，其实验测量效果如图3。
在实际传感中，当外界环境温度变化时，光纤的的弯曲半径会发生改变，折射率也会改变，从而引起光纤宏弯功率损耗发生变化。根据下面的公式可以计算出温度变化下的光纤宏弯功率损耗，
Figure 407110DEST_PATH_IMAGE002
式中，a为纤芯半径,Ｕ、Ｗ为归一化横向传播常数，β为传播常量，R为弯曲半径，ｖ是角向模式标号，
Figure 674143DEST_PATH_IMAGE003
是单位长度功率损耗系数，
Figure 873044DEST_PATH_IMAGE004
是弯曲功率损耗，
Figure 230338DEST_PATH_IMAGE005
是温度变化。

Claims (1)

1.一种耐高温光纤宏弯损耗温度传感器的制造方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
（1）该传感器使用对弯曲敏感的1060XP单模石英光纤；
（2）将一根1060XP单模石英光纤中间一小段，长度为65-100mm,浸入丙酮中20-30分钟，然后用沾有酒精的棉花团轻轻除去涂覆层；
（3）将去除涂覆层的单模光纤两头穿过一个长2mm，内部直径为300μm的聚合物管，形成弯曲半径为10-20mm的裸光纤环，然后用502胶水注入聚合物管黏住裸光纤环的交叉点，使裸光纤环保持稳定，不变形；
（4）通过化学镀黑Ni-P合金的方法使裸光纤环表面形成一层黑色吸收膜，步骤是：用酒精对裸光纤环进行清洗；对裸光纤环进行敏化处理；对裸光纤环进行活化处理；对裸光纤环进行化学镀Ni-P合金；将光纤环浸入发黑液中形成表面黑Ni-P合金，其中发黑液的配方是4g/L H2SO4,10g/L高锰酸钾，工作温度为80-82℃。
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