CN103592064A - 一种光纤法珀力传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤传感器，提供了一种光纤法珀力传感器及其制备方法，包括低反射率光纤布拉格光栅、微光纤锥、光纤菲涅尔反射面，制作过程包括以下步骤：在单模光纤上制作低反射率光纤布拉格光栅后，将其一端固定，另一端固定在一维电动位移台上，通过加热光纤布拉格光栅的固定端使其融化，同时通过电动位移台控制运动端的加速度与速度，实现微光纤锥结构，然后切割固定端得到光纤菲涅尔反射面。本发明利用低反光纤布拉格光栅和光纤菲涅尔反射面的构成法珀腔，探测外力引起的波长变化实现力传感。与普通光纤相比，通过截面积更小的微光纤锥提高了力灵敏度。

Description

一种光纤法珀力传感器及其制作方法

技术领域

 本发明涉及一种光纤传感器，具体涉及一种光纤法珀力传感器及其制作方法。

背景技术

光纤法珀传感器在航空航天、能源、军事等诸多领域被广泛应用于应变、压力、温度、液体浓度等参数的检测。光纤法珀传感器具有检测灵敏度高、结构简单等优点。传统的光纤法珀传感器大多基于125微米直径的普通光纤，其截面积较大，导致其用于力传感时灵敏度不高。近年来出现的微光纤直径为微米量级，可大大提高力传感的灵敏度。

专利号为200710068643.X、公开号为CN100458448C的中国发明专利“基于可变直径微光纤环的光学微机械加速度传感器及其方法”公开了一种基于微光纤环状结构的加速度传感器。微光纤环的制作过程较难，而且环的直径容易受外界振动、温度影响而不稳定，影响光干涉信号输出，从而导致传感特性不稳定。申请号为201210343840.9、公开号为CN102853953A的中国发明专利“一种基于微光纤布拉格光栅微拉力传感装置及制备”公开了一种微光纤光栅拉力传感器,采用聚焦离子束等微加工技术在微光纤表面直接刻蚀布拉格光栅，拉力施加于微光纤布拉格光栅上，提高了拉力测量的灵敏度。但聚焦离子束等微加工装置成本非常高，难以大规模、低成本实现该传感器。本发明在微光纤两端利用低反射率布拉格光栅和菲涅尔反射面构成光纤法珀腔，利用干涉原理实现微小力的测量，具有制作简单、成本低等优点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够对微牛（10-6N）量级的力进行测量的光纤法珀力传感器及其制备方法。

为实现上述目的本发明采用以下技术方案：

本发明提供了光纤法珀力传感器，其特征在于：包括低反射率光纤布拉格光栅（1）、微光纤锥（2）、光纤菲涅尔反射面（3）和单模光纤（4）；

入射光经低反射率光纤布拉格光栅(1)进入单模光纤（4），在光纤布拉格光栅处形成第一反射光，透射光经过微光纤锥（2）后，在光纤菲涅尔反射面（3）处形成第二反射光，光纤布拉格光栅反射面（1）与光纤菲涅尔反射面（3）形成光纤法珀腔，两束反射光产生干涉。

上述技术方案中光纤布拉格光栅（1）的反射率在1%-4%。

本发明还提供了光纤法珀力传感器的制作方法，其特征在于包括以下步骤：在单模光纤（4）上制作低反射率光纤布拉格光栅（1）后，将其一端固定在三维位移台（5）上，另一端固定在一维电动位移台（6）上，通过加热光纤布拉格光栅（1）的固定端（7）使其融化，同时通过一维电动位移台（6）控制运动端（8）的加速度、速度与位移量，实现微光纤锥（2）结构，然后通过切割固定端（7）得到光纤菲涅尔反射面（3）。

上述技术方案中光纤布拉格光栅（1）的反射率在1%-4%。

上述技术方案中，一维电动位移台（6）的运动参数包括加速度0.5-1.5mm/s，速度2-4mm/s，位移量在1cm-5cm。

本发明的有益效果是：利用低反射率光纤布拉格光栅与光纤菲涅尔反射面形成光纤法珀腔，法珀腔内为微光纤锥，其直径越小，力灵敏度越高。实验证明该方法具有灵敏度好，线性度好，制作方法简单、成本低等优点。

附图说明

图1为在单模光纤上制作低反射率光纤布拉格光栅示意图；

图2为微光纤锥制作过程示意图；

图3为微光纤锥制作后切割光纤固定端的结构示意图；

图4为光纤法珀力传感器结构示意图；

图5为光纤法珀力传感系统及微小力测量装置示意图；

图6为光纤法珀传感器的反射光谱图；

图7为反射光谱中单个峰值波长随力变化的趋势图；

图8为波长漂移量与力变化量的线性关系图；

其中，1为低反射率光纤布拉格光栅， 2为微光纤锥，3为光纤菲涅尔反射面，4为单模光纤，5为三维位移台，6为一维电动位移台，7为固定端，8为控制运动端，9为光纤切割刀，10为光谱分析仪，11为3dB耦合器，12为传感器，13为防风罩，14为紫外胶，15为微小质量块，16为剪断一段微小质量。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步描述：

一种光纤法珀力传感器及其制作方法，包括以下步骤：将单模光纤(4)剥掉一部分涂覆层，用酒精擦拭干净，采用248nm准分子激光器结合相位掩模板，在剥除涂覆层的地方写入低反射率光纤布拉格光栅1，如图1所示。将低反射率光纤布拉格光栅1的一端固定在三维位移台5）上，另一端固定在一维电动位移台6上，通过加热低反射率光纤布拉格光栅1的固定端7使其融化，同时通过电动位移台6控制运动端8的加速度与速度，实现微光纤锥2结构，如图2所示。然后通过用光纤切割刀9切割固定端7，如图3所示，得到光纤菲涅尔反射面3，构成光纤法珀力传感器结构，如图4所示。

该光纤法珀传感器工作原理如下：入射光经低反射率光纤布拉格光栅1进入单模光纤4，在光纤布拉格光栅处形成第一反射光。透射光经过微光纤锥后，在光纤菲涅尔反射面3处形成第二反射光。光纤布拉格光栅反射面1与光纤菲涅尔反射面3形成光纤法珀腔，两束反射光产生干涉。当两束反射光强度越接近，形成的干涉条纹对比度越高。两个反射面之间有微光纤锥2，其直径越小，力灵敏度越高。设两反射面之间的长度为L，折射率为n，当波长满足mλ=2nL时，两束反射光相干加强，对应反射光谱的干涉峰值；当波长满足m+1/2λ=2nL时，两束反射光相干减弱,对应反射光谱的干涉谷值。当用于力传感时，微小的力使得光纤法珀传感器的长度尤其是微光纤锥的长度被拉长，反射光谱的峰值波长发生漂移。通过力传感标定后，测量峰值波长可反推得到被测力的大小。

以下是本发明的具体实施例：

采用248nm准分子激光器结合相位掩模板，在剥除涂覆层的地方写入低反射率光纤布拉格光栅1的反射率为3%。微光纤锥制作过程中，一维电动位移台6的运动参数为：拉锥速度3mm/s，加速度1mm/s，位移量为3cm。利用这些运动参数得到微光纤锥最细的部分直径为7微米。位移量越长，微光纤锥越细，力传感的灵敏度越高。

采用基于波长扫描激光器的光谱分析仪10、3dB耦合器11、光纤法珀传感器12构成光纤微小力传感系统。由于传感器对微小扰动非常灵敏度，所以光纤传感器在防风罩13里进行微小力传感实验，如图5所示。低反射率光纤布拉格光栅的两端分别用紫外胶固定在玻片上，以避免光纤布拉格光栅受外力作用而影响光谱漂移。光纤法珀力传感器的菲涅尔反射端用紫外胶14固定一微小质量15。该微小质量15在长度方向上具有均匀密度，可通过精确控制其长度来施加不同大小的力。该微小力可为拉力、重力等类型。当剪断一段微小质量16后，施加在光纤法珀力传感器上的力相应减少。光纤法珀力传感器的反射光谱如图6所示。该种传感器的干涉光谱条纹对比度可达10dB以上。选择干涉条纹对比度最大的峰值进行力传感，光谱漂移随微小力的变化如图7所示。提取峰值波长，其随微小力的变化呈线性关系，如图8所示。本发明提出的光纤法珀力传感器由低反射率光纤布拉格光栅和菲涅尔反射面构成法珀腔，基于微光纤锥提高其灵敏度。本实施例中，实验结果得到灵敏度为0.12pm/μN。经过三次重复实验，可以看出，该传感器具有良的线性度和重复性，可实现对微小力的测量。 

Claims (5)

1.光纤法珀力传感器，其特征在于：包括低反射率光纤布拉格光栅（1）、微光纤锥（2）、光纤菲涅尔反射面（3）和单模光纤（4）；

入射光经低反射率光纤布拉格光栅(1)进入单模光纤（4），在光纤布拉格光栅处形成第一反射光，透射光经过微光纤锥（2）后，在光纤菲涅尔反射面（3）处形成第二反射光，光纤布拉格光栅反射面（1）与光纤菲涅尔反射面（3）形成光纤法珀腔，两束反射光产生干涉。

2.根据权利要求1所述的光纤法珀力传感器，其特征在于：低反射率光纤布拉格光栅（1）的反射率在1%-4%。

3.光纤法珀力传感器的制作方法，其特征在于包括以下步骤：在单模光纤（4）上制作低反射率光纤布拉格光栅（1）后，将其一端固定在三维位移台（5）上，另一端固定在一维电动位移台（6）上，通过加热光纤布拉格光栅（1）的固定端（7）使其融化，同时通过一维电动位移台（6）控制运动端（8）的加速度、速度与位移量，实现微光纤锥（2）结构，然后通过切割固定端（7）得到光纤菲涅尔反射面（3）。

4.根据权利要求3所述的一种光纤法珀力传感器及其制作方法，其特征在于：光纤布拉格光栅（1）的反射率在1%-4%。

5.根据权利要求3所述的一种光纤法珀力传感器及其制作方法，其特征在于：一维电动位移台（6）的运动参数包括加速度0.5-1.5mm/s，速度2-4mm/s，位移量在1cm-5cm。

Images