CN103644925A - 光纤f-p腔传感器的制作方法及制作装置 - Google Patents

Abstract

一种光纤F-P腔传感器的制作装置及制作方法，包括支架、步进电机、大小同步带轮、三爪卡盘、圆锥滚子轴承、真空泵、氢氧焰热熔机、毛细玻璃管夹具。将一端用氢氧焰熔接另外一端插入光纤的毛细玻璃管插入毛细玻璃管固定夹具中，尾纤穿入管轴中用橡胶垫圈和固定螺母将其固定密封，转速在120-140r/min之间，使毛细玻璃管受热均匀，真空泵连接塔形接头在夹具旋转的同时将毛细玻璃管抽真空，同时用氢氧焰熔接机对毛细玻璃管进行加热使毛细玻璃管熔化，在抽气的作用下毛细玻璃管壁向内瘪将光纤与毛细玻璃管熔接。此种熔接方法将毛细玻璃管与光纤熔接牢固，密封性能好，能有效防止油水气从熔接点处渗入破坏F-P腔，为光纤F-P腔传感器在恶劣环境中的长期应用奠定坚实基础。

Description

光纤F-P腔传感器的制作方法及制作装置

技术领域

本发明属于光纤传感器技术领域，涉及到一种光纤测压传感器的制作方法，特别是一种光纤F-P腔测压传感器的制作方法及制作装置。

背景技术

在油田开发过程中需要对井下温度、压力等参数进行实时监测，了解井下的物理状态从而优化采油方案，提高采油效率，由于井下的恶劣环境，传统的电子传感器无法在井下长期稳定的工作，光纤传感器以其抗干扰能力强、耐腐蚀、可靠性能好等优点受到越来越广泛的应用。

1991年Murphy等人制作了F-P光纤传感器，其特征是将两根端面切平的裸光纤置于一根内径与裸纤直径相匹配的准直毛细管中，两裸纤端面与两者之间的空气腔形成F-P腔，F-P光纤传感器灵敏度高，易于实现对井下温度、压力等物理参数的高精确测量。目前，光纤F-P腔传感器在油田井下温度压力，文献“Developments on Optical Fiber Sensing Technologies Applied in Oilfield”，桥梁应变监测，文献“Application research of submerged F-P optical fiber strain sensor used in the health monitoring of concrete bridge”等领域得到广泛应用。

光纤F-P腔的焊接主要是插入毛细玻璃管的光纤与毛细玻璃管的固定，文献“Phase-shifted transmission/reflection-type hybrid extrinsic Fabry-Perot interferometric optical fiber sensor”和文献“Extrinsic Fabry-Perot Interferometer System Using Wavelength Modulated Source”中采用环氧树脂胶粘接光纤与毛细管，由于环氧树脂胶高温下不稳定，存在蠕变，导致环氧树脂胶粘的光纤F-P腔性能不稳定，不能耐高温且强度差，密封性能差等缺点，无法适用于油井下的恶劣环境。文献“光纤F-P干涉仪传感器封装方法的研究”中采用单侧高频CO2脉冲激光热熔固定的方法，该方法由于在焊点处受力不均易导致毛细玻璃管在焊点处弯曲变形，另外，由于只是单侧热熔，即使将光纤与玻璃管焊接住也不能保证完全密封。文献“Fiber Optical pressure and temperature sensors for oil down hole application”中采用三束成120°的CO2激光束热熔的方法固定光纤与毛细玻璃管，但由于毛细玻璃管直径小，因此需要非常精细的调节，系统要求精度高且搭建系统成本高。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用氢氧焰高温热熔熔接光纤与玻璃管制作光纤F-P腔传感器的方法与装置，通过氢氧焰加热热熔毛细玻璃管，使毛细玻璃管壁熔化，同时在抽气的作用下使得毛细玻璃管壁向内瘪与光纤熔接在一起。

本发明的技术方案是，一种光纤F-P腔传感器的制作装置，它包括设置有固定座的装置支架，在固定座中固定有圆锥滚子轴承；中空的固定轴顶部与中空的三爪卡盘固定连接；固定轴中部穿过圆锥滚子轴承支撑固定在装置支架上并相对于装置支架绕固定轴的轴线枢转，固定轴底部与大同步带轮固定连接；大同步带轮与步进电机驱动的小同步带轮通过皮带传动；

中空的管轴穿过三爪卡盘和固定轴中心，管轴的上部由三爪卡盘夹持并随三爪卡盘转动，管轴的下端插入到固定在装置支架上的管轴底座中，管轴底座通过两个密封圈实现与管轴的动密封，真空泵通过塔形接头连接在管轴底座上，塔形接头通过密封圈和螺纹实现与管轴底座的密封固定；

管轴顶端设置有异径管，在异径管上设置有毛细玻璃管固定夹具。

本方案的具体特点还有，所述毛细玻璃管固定夹具包括旋装在异径管上的固定螺母，设置在异径管中的中空的铜底座和铜座，铜底座外缘设置有台阶面，铜座套装在铜底座外缘与异径管内壁紧配合；在铜座顶部设置有台阶孔，台阶孔上部固定设置准直玻璃管，台阶孔下部允许毛细玻璃管穿过，准直玻璃管的内径与毛细玻璃管的外径相匹配；在铜座内腔设置有橡胶垫圈，在橡胶垫圈的中央设置有通孔，通孔的直径略小于毛细玻璃管的外径；固定螺母旋入异径管时压紧铜座以及橡胶垫圈和铜底座实现毛细玻璃管在管轴顶端的固定和密封。

管轴底座通过螺钉固定在装置支架上，通过固定的三爪卡盘、固定轴以及管轴底座保证管轴旋转时的同轴度。

大同步带轮卡入固定座底端的台阶上，并通过下端的紧固螺母定位及固定。

圆锥滚子轴承紧卡在固定座内的台阶上，通过键固定。

固定轴顶部通过螺栓固定在三爪卡盘底部的台阶面上。

本发明还提供了一种光纤F-P腔传感器的制作方法，它使用了权利要求1所述的光纤F-P腔传感器的制作装置，其特征是它包括如下步骤：（1）首先将信号光纤的一段涂覆层剥掉，用光纤切割刀将信号光纤端面切平，将信号光纤从毛细玻璃管的尾端插入，将剥掉涂覆层的信号光纤裸纤完全插入到毛细玻璃管中，信号光纤的切平平面接近毛细玻璃管的1/2处，打开氢氧焰热熔机将毛细玻璃管的顶端熔接密封住；

（2）将该顶端密封好的带信号光纤的毛细玻璃管插入铜座上的准直玻璃管中，将信号光纤尾纤伸入管轴中，将毛细玻璃管的尾端穿过准直玻璃管伸入铜座内部的橡胶垫圈中，橡胶垫圈通孔的直径略小于毛细玻璃管的外径，通过拧紧固定螺母压紧铜座将毛细玻璃管与橡胶垫圈密封固定；

（3）真空泵通过塔形接头与管轴底座连接，打开真空泵，真空泵速率1L/S，将管轴、管轴底座以及毛细玻璃管中的空气抽出；

（4）打开步进电机，调节旋转速度在120-140r/min之间，使管轴、铜座以及固定螺母旋转，通过调节三爪卡盘以及铜座保证毛细玻璃管的同轴度；

（5）打开氢氧焰热熔机，将喷嘴火焰对准毛细玻璃管1/2处往下10mm处的部位，进行高温熔融，同时在真空泵抽气的作用下使得毛细玻璃管管壁向内瘪与信号光纤熔接在一起；观察到毛细玻璃管熔融部位由透明变为白色时停止熔融， 8-12秒，此时毛细玻璃管与信号光纤已熔接为一体；

（6）关闭真空泵、氢氧焰热熔机，拧开固定螺母，将与信号光纤融为一体的毛细玻璃管从装置中取出；

（7）用光纤切割刀将毛细玻璃管顶端密封的部位切掉，取反射光纤将其端面切平，将反射光纤从毛细玻璃管的顶端插入，当反射光纤的切平端面距离信号光纤的切平平面5mm时，通过监测计算机监测腔长大小，监测腔长，即信号光纤端面与反射光纤端面的距离，为115微米～125微米之间时用光纤熔接机放电将毛细玻璃管顶端的反射光纤与毛细玻璃管固定； 

（8）将反射光纤与毛细玻璃管切平，在毛细玻璃管顶端用氢氧焰热熔机将毛细玻璃管与反射光纤熔融密封，将反射光纤与毛细玻璃管熔融为一体，至此，信号光纤与反射光纤都与毛细玻璃管焊接为一体，在毛细玻璃管内部，信号光纤的端面与反射光纤的端面之间形成一个空气腔，即光纤F-P腔传感器制作完成。

 

本发明的有益效果是，该装置用于实现在采用氢氧焰热熔机对毛细玻璃管与信号光纤进行热熔焊接时毛细玻璃管的固定与密封。毛细玻璃管随管轴进行360°旋转。通过毛细玻璃管固定夹具的铜座顶端的一段内径与所要焊接的毛细玻璃管的外径一样的准直玻璃管实现毛细玻璃管的准直固定，通过固定螺母压紧橡胶垫圈实现毛细玻璃管的密封，并实现在360°旋转同时的动密封，真空泵通过塔形接头实现密封，确保整个装置密封性能好，实现毛细玻璃管在旋转的同时受到真空泵抽气的作用。利用氢氧焰2500～3000°C的高温熔融石英毛细玻璃管，熔融的毛细玻璃管壁在真空泵9抽气的作用下向内瘪，与插入的信号光纤熔接在一起，从而实现毛细玻璃管与光纤的焊接。用步进电机与同步带轮搭建可360°旋转装置，使毛细玻璃管在氢氧焰热熔的同时进行360°旋转，旋转速度为120-140r/min，保证玻璃管角向受热均匀，在玻璃管与光纤之间形成均匀的环状熔接，确保F-P腔在焊点处角向应力均匀，不会弯曲变形，在玻璃管与光纤之间形成均匀的环状熔接，密封可靠，保证F-P腔的耐高压密封的可靠性。通过固定的三爪卡盘、固定轴和固定在装置支架上的管轴底座来保证管轴旋转的同轴性，铜座与管轴的配合以及准直玻璃管保证毛细玻璃管旋转时与管轴的同轴性，旋转装置的同轴性和抽气作用可使石英材料的光纤F-P腔传感器熔融焊接点处的宽度和应力角向分布均匀，毛细玻璃管在熔接点处不会弯曲，密封可靠性好，氢氧焰火焰的大小可通过喷嘴调节，易于控制，制作时间8-12秒即可完成。制作出的光纤F-P腔传感器密封性能好，能耐受150°以上的高温以及50Mpa以上的高压，在高温高压作用下有很好的重复性及精度，可以使用恶劣的环境，具有极高的实际应用价值。

附图说明

图1是氢氧焰热熔光纤F-P腔传感器光纤与毛细玻璃管的装置示意图。

图中，1-装置支架；2-三爪卡盘；3-固定轴；4-圆锥滚子轴承；5-固定座；6-大同步带轮；7-小同步带轮；8-步进电机；9-真空泵；10-氢氧焰热熔机；11-键；12-紧固螺母；13-固定螺母；14-铜底座；15-铜座；16-橡胶垫圈；17-准直玻璃管；18-管轴；19-管轴底座；20-塔形接头；21-毛细玻璃管；22-信号光纤；23-密封圈；24-反射光纤；25-监测计算机；26-异径管；27-台阶孔。

图2是毛细玻璃管固定夹具放大示意图。

图3是熔接反射光纤24并监测光纤F-P腔传感器腔长示意图。

图4是利用本技术与装置制作的一个光纤F-P腔传感器的波形图，初始F-P腔的腔长约为118微米。

图5是在150°高温下对该光纤F-P腔传感器进行的压强标定曲线，该光纤F-P腔传感器在150°的高温下可耐受超过50MPa的压强。

具体实施方式

    结合本技术方案以及详细附图，说明本发明装置及方法制作光纤F-P腔传感器的实施过程。

实施例1

如图1-2所示，一种光纤F-P腔传感器的制作装置，它包括设置有固定座5的装置支架1，在固定座5中固定有圆锥滚子轴承4；中空的固定轴3顶部与中空的三爪卡盘2固定连接；固定轴3中部穿过圆锥滚子轴承4支撑固定在装置支架1上并相对于装置支架1绕固定轴3的轴线枢转，固定轴3底部与大同步带轮6固定连接；；大同步带轮6与步进电机8驱动的小同步带轮7通过皮带传动；中空的管轴18穿过三爪卡盘2和固定轴3中心，管轴18的上部由三爪卡盘2夹持并随三爪卡盘2转动，管轴18的下端插入到固定在装置支架1上的管轴底座19中，管轴底座19通过两个密封圈23实现与管轴18的动密封，真空泵9通过塔形接头20连接在管轴底座19上，塔形接头20通过密封圈和螺纹实现与管轴底座19的密封固定；管轴18顶端设置有异径管，在异径管26上设置有毛细玻璃管固定夹具。

所述毛细玻璃管固定夹具包括旋装在异径管上的固定螺母13、设置在异径管中的中空的铜底座14和铜座15，铜底座14外缘设置有台阶面，铜座15套装在铜底座14外缘与异径管26内壁紧配合；在铜座15顶部设置有台阶孔27，台阶孔27上固定设置准直玻璃管17，台阶孔27下部允许毛细玻璃管21穿过，准直玻璃管17的内径与毛细玻璃管21的外径相匹配；在铜座15内腔设置有橡胶垫圈16，在橡胶垫圈16的中央设置有通孔，通孔的直径略小于毛细玻璃管21的外径；固定螺母13旋入异径管时压紧铜座15以及橡胶垫圈16和铜底座14实现毛细玻璃管21在管轴18顶端的固定和密封。管轴底座19通过螺钉固定在装置支架1上，通过固定的三爪卡盘2、固定轴3以及管轴底座19保证管轴18旋转时的同轴度。大同步带轮6卡入固定座5底端的台阶上，并通过下端的紧固螺母12定位及固定，大同步带轮6与步进电机8驱动的小同步带轮7通过皮带传动，在步进电机8的作用下实现360°旋转，通过调节步进电机8可以控制装置的旋转速度。圆锥滚子轴承4紧卡在固定座5内的台阶上，通过键11固定。中空的固定轴3顶部通过螺栓固定在三爪卡盘2底部的台阶面上。

实施例2

本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于它是一种光纤F-P腔传感器的制作方法，它使用了实施例1所述的光纤F-P腔传感器的制作装置，它包括如下步骤：

（1）搭建好熔接系统装置，将圆锥滚子轴承4固定于固定座5中，将固定轴3伸入三爪卡盘2及圆锥滚子轴承4中固定，用紧固螺母12将大同步带轮6定位固定，并连接好小同步带轮7、步进电机8，将管轴18伸入三爪卡盘2、固定轴3与圆锥滚子轴承4的空隙中，并插入管轴底座19中，管轴18与管轴底座19通过密封圈23实现动密封，管轴底座19用螺母固定在装置支架1上保持固定，与三爪卡盘2和固定轴3保证管轴18旋转的同轴性。将橡胶垫圈16放置于铜座15与铜底座14之间，将铜底座14卡紧，并将铜座15紧卡入管轴18顶端的腔体中，通过铜座15与管轴18的配合保证铜座15与管轴18的同轴度。真空泵9的软管连接塔形接头20保证密封，塔形接头20尾部套有密封圈并通过螺纹固定于管轴底座19上，将三爪卡盘2卡紧管轴18，管轴18在步进电机8和大同步带轮6、小同步带轮7的作用下旋转，通过调节步进电机8调整装置的转速为120-140r/min。

（2）将信号光纤22剥掉一段涂覆层，用光纤切割刀将信号光纤22端面切平，将信号光纤22从毛细玻璃管21的尾端插入，将剥掉涂覆层的信号光纤22裸纤完全插入到毛细玻璃管21中，信号光纤22的切平平面大约处于毛细玻璃管21的1/2处，打开氢氧焰热熔机10将毛细玻璃管21的顶端熔接密封住。

（3）将该顶端密封好的带有信号光纤22的毛细玻璃管21插入铜座15顶端的准直玻璃管17中，使信号光纤22顶端端面距离准直玻璃管17约1cm，毛细玻璃管21的尾端伸入橡胶垫圈16中，信号光纤22尾纤伸入管轴18中，将毛细玻璃管21的尾部通过准直玻璃管17伸入铜座15内部的橡胶垫圈16中，橡胶垫圈16通孔的直径略小于毛细玻璃管21的外径，通过拧紧固定螺母13压紧铜座15将毛细玻璃管21与橡胶垫圈16密封固定。

（4）打开真空泵9，抽气约3-5分钟，将管轴底座19、管轴18、以及毛细玻璃管21中的空气抽空。

（5）打开步进电机8使管轴18与铜座15、铜底座14、固定螺母13、毛细玻璃管21在大同步带轮6、小同步带轮7和圆锥滚子轴承4的作用下开始旋转，旋转速度设置为120-140r/min，，通过调节三爪卡盘2以及铜座15保证毛细玻璃管21的同轴度。

（6）打开氢氧焰热熔机10，调节火焰大小，将喷嘴火焰对准毛细玻璃管21的1/2处往下约10mm处部位，进行高温熔融，同时在真空泵9抽气的作用下使得毛细玻璃管21管壁向内瘪与信号光纤22熔接在一起；观察到毛细玻璃管21熔融部位由透明变为白色时停止熔融，形成焊点，约8-12秒，此时，毛细玻璃管21与信号光纤22已熔接为一体。

（7）信号光纤22熔接好后，关闭真空泵9，拧开固定螺母13，将与信号光纤22焊接好的毛细玻璃管21从铜座15中抽出，将信号光纤22与监测计算机25连接，用光纤切割刀切掉毛细玻璃管21顶端熔融密封的部分，取反射光纤24，将其端面擦净切平，从顶端插入毛细玻璃管21中，通过监测计算机25观测干涉信号以及腔长大小，腔长大约在115微米~125微米左右时用日本Fujikura光纤熔接机FSM-45F电弧放电，电弧强度150bit，放电时间1500ms，放电两至三次，将反射光纤24与毛细玻璃管21固定。

（8）用刀片将反射光纤24与毛细玻璃管21顶端面切平，在毛细玻璃管21顶端用氢氧焰热熔机10将毛细玻璃管21与反射光纤24熔融密封，将反射光纤24与毛细玻璃管21熔融为一体，这样反射光纤24与毛细玻璃管21和信号光纤22即熔接为一体，反射光纤24的端面与信号光纤22的端面在毛细玻璃管21内部形成一个空气腔，即一个光纤F-P腔传感器制作完成。

Claims (7)

1.一种光纤F-P腔传感器的制作装置，它包括设置有固定座的装置支架，在固定座中固定有圆锥滚子轴承；中空的固定轴顶部与中空的三爪卡盘固定连接；固定轴中部穿过圆锥滚子轴承支撑固定在装置支架上并相对于装置支架绕固定轴的轴线枢转，固定轴底部与大同步带轮固定连接；大同步带轮与步进电机驱动的小同步带轮通过皮带传动；中空的管轴穿过三爪卡盘和固定轴中心，管轴的上部由三爪卡盘夹持并随三爪卡盘转动，管轴的下端插入到固定在装置支架上的管轴底座中，管轴底座通过两个密封圈实现与管轴的动密封，真空泵通过塔形接头连接在管轴底座上，塔形接头通过密封圈和螺纹实现与管轴底座的密封固定；管轴顶端设置有异径管，在异径管上设置有毛细玻璃管固定夹具。

2.根据权利要求1所述的光纤F-P腔传感器的制作装置，其特征是所述毛细玻璃管固定夹具包括旋装在异径管上的固定螺母，设置在异径管中的中空的铜底座和铜座，铜底座外缘设置有台阶面，铜座套装在铜底座外缘与异径管内壁紧配合；在铜座顶部设置有台阶孔，台阶孔上部固定设置准直玻璃管，台阶孔下部允许毛细玻璃管穿过，准直玻璃管的内径与毛细玻璃管的外径相匹配；在铜座内腔设置有橡胶垫圈，在橡胶垫圈的中央设置有通孔，通孔的直径略小于毛细玻璃管的外径；固定螺母旋入异径管时压紧铜座以及橡胶垫圈和铜底座实现毛细玻璃管在管轴顶端的固定和密封。

3.根据权利要求1所述的光纤F-P腔传感器的制作装置，其特征是管轴底座通过螺钉固定在装置支架上，通过固定的三爪卡盘、固定轴以及管轴底座保证管轴旋转时的同轴度。

4.根据权利要求1所述的光纤F-P腔传感器的制作装置，其特征是大同步带轮卡入固定座底端的台阶上，并通过下端的紧固螺母定位及固定。

5.根据权利要求1所述的光纤F-P腔传感器的制作装置，其特征是圆锥滚子轴承紧卡在固定座内的台阶上，通过键固定。

6.根据权利要求1所述的光纤F-P腔传感器的制作装置，其特征是固定轴顶部通过螺栓固定在三爪卡盘底部的台阶面上。

7.一种光纤F-P腔传感器的制作方法，它使用了权利要求1所述的光纤F-P腔的制作装置，其特征是它包括如下步骤：（1）首先将信号光纤的一段涂覆层剥掉，用光纤切割刀将信号光纤端面切平，将信号光纤从毛细玻璃管的尾端插入，将剥掉涂覆层的信号光纤裸纤完全插入到毛细玻璃管中，信号光纤的切平平面接近毛细玻璃管的1/2处，打开氢氧焰热熔机将毛细玻璃管的顶端熔接密封住；

（2）将该顶端密封好的带信号光纤的毛细玻璃管插入铜座上的准直玻璃管中，将信号光纤尾纤伸入管轴中，将毛细玻璃管的尾端穿过准直玻璃管伸入铜座内部的橡胶垫圈中，橡胶垫圈通孔的直径略小于毛细玻璃管的外径，通过拧紧固定螺母压紧铜座将毛细玻璃管与橡胶垫圈密封固定；

（3）真空泵通过塔形接头与管轴底座连接，打开真空泵，真空泵速率1L/S，将管轴、管轴底座以及毛细玻璃管中的空气抽出；

（4）打开步进电机，调节旋转速度在120-140r/min之间，使管轴、铜座以及固定螺母旋转，通过调节三爪卡盘以及铜座保证毛细玻璃管的同轴度；

（5）打开氢氧焰热熔机，将喷嘴火焰对准毛细玻璃管1/2处往下10mm处的部位，进行高温熔融，同时在真空泵抽气的作用下使得毛细玻璃管管壁向内瘪与信号光纤熔接在一起；观察到毛细玻璃管熔融部位由透明变为白色时停止熔融， 8-12秒，此时毛细玻璃管与信号光纤已熔接为一体；

（6）关闭真空泵、氢氧焰热熔机，拧开固定螺母，将与信号光纤融为一体的毛细玻璃管从装置中取出；

（7）用光纤切割刀将毛细玻璃管顶端密封的部位切掉，取反射光纤将其端面切平，将反射光纤从毛细玻璃管的顶端插入，当反射光纤的切平端面距离信号光纤的切平平面5mm时，通过监测计算机监测腔长大小，监测腔长，即信号光纤端面与反射光纤端面的距离，为115微米～125微米之间时用光纤熔接机放电将毛细玻璃管顶端的反射光纤与毛细玻璃管固定； 

（8）将反射光纤与毛细玻璃管切平，在毛细玻璃管顶端用氢氧焰热熔机将毛细玻璃管与反射光纤熔融密封，将反射光纤与毛细玻璃管熔融为一体，至此，信号光纤与反射光纤都与毛细玻璃管焊接为一体，在毛细玻璃管内部，信号光纤的端面与反射光纤的端面之间形成一个空气腔，即光纤F-P腔传感器制作完成。

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