CN103954387A - 基于光纤fp干涉仪的压力传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤应用技术领域，尤其涉及一种基于光纤FP干涉仪的压力传感器及其制作方法。所述方法包括如下步骤：将两光纤的待熔接端面涂抹液体并进行熔接，使涂抹的液体在熔接过程中气化并在熔接后的光纤中形成气泡；将熔接后的光纤从所述气泡所在部位截断，使所述气泡分成两个，并分别位于截断后所形成的两光纤的端部；此时初步形成两个基于光纤FP干涉仪的压力传感器，所述气泡即为初步形成的压力传感器的FP腔；实时监测靠近所述光纤端部的气泡壁的厚度，并调节该气泡壁的厚度，使其低于设定值。采用本发明所提供的技术方案制作的基于光纤FP腔的压力传感器，采用全光纤式结构，可避免电磁干扰。同时，其结构及制作工艺简单，可靠性高、灵敏度高。

Description

基于光纤FP干涉仪的压力传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及光纤应用技术领域，尤其涉及一种基于光纤FP干涉仪的压力传感器及其制作方法。

背景技术

FP干涉仪(法布里-珀罗干涉仪)在众多领域具有广泛应用，其中一项应用就是基于FP干涉仪的压力传感器。然而，现有的基于光纤FP干涉仪的压力传感器存在诸多缺陷。有的压力传感器保证了检测精度，然而其组成部件较多，造成系统的整体可靠性降低。此外，该类压力传感器往往体积也较大，加工的工艺较为复杂。这类传感器不适应当前传感器逐渐小型化的趋势。有的压力传感器在制作过程中需要利用有害腐蚀气体对光纤内部进行腐蚀以形成FP腔，会对人体造成极大危险。有的制作方法中需要利用抛磨技术，对连接的光纤进行端面抛磨，不仅增加了制作成本，而且抛磨厚度不好控制，由此造成其检测灵敏度低。综合来看，现有的基于光纤FP干涉仪的压力传感器基本存在如下所述的一种或多种缺陷：结构复杂、制作工艺复杂、制作成本高、可靠性低、灵敏度低等。

发明内容

针对以上利用传统技术制作基于光纤FP干涉仪的压力传感器的过程中存在的问题，本发明拟提供一种结构简单、制作方法简单、灵敏度高、可靠性高的基于光纤FP干涉仪的压力传感器。本发明是这样实现的：

一种基于光纤FP干涉仪的压力传感器的制作方法，包括如下步骤：

将两光纤的待熔接端面涂抹液体并进行熔接，使涂抹的液体在熔接过程中气化并在熔接后的光纤中形成气泡；

将熔接后的光纤从所述气泡所在部位截断，使所述气泡分成两个，并分别位于截断后所形成的两光纤的端部；此时初步形成两个基于光纤FP干涉仪的压力传感器，所述气泡即为初步形成的压力传感器的FP腔；

实时监测靠近所述光纤端部的气泡壁的厚度，并调节该气泡壁的厚度，使其低于设定值。

进一步地，所述熔接包括如下步骤：

将两光纤的待熔接端面接触，并将两光纤的纤芯对准；

驱动两光纤对接触面施加挤压应力，并对处于挤压状态的接触面加热，使两光纤的待熔接端面熔接。

进一步地，将熔接后的光纤从所述气泡所在部位截断的步骤为：

将所述气泡两端的光纤分别向各自一端拉伸；

在拉伸过程中对气泡部位进行加热，使熔接后的光纤从所述气泡所在部位截断。

进一步地，所述气泡壁的厚度的调节方法为：

对位于所述光纤端部的气泡进行加热，使其膨胀，进而使所述气泡壁的厚度变薄。

进一步地，将两光纤的待熔接端面涂抹液体前，还包括如下步骤：

将两光纤的待熔接端面热熔成弧面。

进一步地，将两光纤的待熔接端面热熔成弧面之前，还包括如下步骤：

将两光纤的待熔接端面切平。

进一步地，所述两光纤通过电极放电热熔、CO₂激光热熔或氢氧焰热熔的方式进行熔接。

一种基于光纤FP干涉仪的压力传感器，包括光纤；

所述光纤端部具有一FP腔。

进一步地，所述FP腔的靠近光纤端部的气泡壁的厚度在被光纤轴心穿过的位置处最薄，由该位置向其外围逐渐增厚。

与现有技术相比，采用本发明所提供的技术方案制作的基于光纤FP腔的压力传感器，采用全光纤式结构，可避免电磁干扰对检测结果的影响。同时，该压力传感器结构及制作工艺简单，可靠性高。使用时，只需将该光纤的FP腔所在端部置于待检测压力的环境中，另一端连接光谱仪，通过检测经FP腔反射回的激光光谱的自由谱宽的方式检测环境压力，具有灵敏度高的特点。

附图说明

图1：本发明实施例提供的基于光纤FP干涉仪的压力传感器的制作装置结构示意图；

图2：采用上述制作装置制作上述压力传感器的流程示意图；

图3：上述流程中，两光纤待熔接端面被切平的示意图；

图4:上述流程中，两光纤待熔接端面被热熔成弧面示意图；

图5：上述流程中，两光纤被热熔成弧面的端面上涂抹液体的示意图；

图6：上述流程中，两涂抹液体后的待熔接端面的熔接过程示意图；

图7:上述流程中，两涂抹液体后的待熔接端面熔接后在光纤形成的气泡示意图；

图8：上述流程中，熔接后的光纤在所述气泡部位被截断的过程示意图；

图9：上述流程中，熔接后的光纤被截断后的结构示意图；

图10：上述流程中，气泡壁的厚度的调节示意图；

图11：上述压力传感器制作完成时的结构示意图；

图12：上述压力传感器的FP腔受到环境压力示意图；

图13：上述压力传感器的FP腔受到环境压力时，其沿光纤轴向的腔长变化示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

本发明提供的基于光纤FP干涉仪的压力传感器(以下简称压力传感器)，通过在光纤端部制作FP腔，通过检测该FP腔的腔长变化实现对环境压力的检测。图1示出了该压力传感器的制作装置结构示意图。图2示出了采用上述制作装置制作该压力传感器的流程示意图。首先参考图1，该压力传感器的制作装置包括光纤熔接机1、光谱仪4、激光光源3、3dB耦合器2，制作该压力传感器所需材料包括待熔接的两光纤以及液体。参考图2，制作该压力传感器的步骤如下：

步骤1，如图3所示，将两光纤的待熔接端面切平，并将待熔接端面放入光纤熔接机1中。同时，将3dB耦合器2的两输入端连接激光光源3及光谱仪4，两输出端口中的一端连接两待熔接光纤之一，另一端屏蔽。屏蔽3dB耦合器2的另一输出端的目的是为避免引入反射信号干扰后续的光纤熔接及对所形成的FP干涉仪参数的调节，因此可将另一端放入溶液5中或绕成小圈。

步骤2，如图4所示，通过设置在光纤熔接机1上的两步进马达控制两待熔接端面距离光纤熔接机1中的加热中心的距离，然后设置热熔参数对两待熔接端面进行加热，使两待熔接端面被热熔成弧面6。热熔可采用电极放电热熔、CO₂激光热熔或氢氧焰热熔的方式。弧面6的尺寸可影响后续形成的气泡大小，通过调节热熔参数可控制形成的弧面6的尺寸。若采用电极放电，则热熔参数为放电功率与放电时间，若采用CO₂激光热熔，则热熔参数为激光功率与加热时间，若采用氢氧焰热熔，则热熔参数为氢氧焰的温度。

步骤3、如图5所示，在被热熔成弧面的两待熔接端面上涂抹液体7。当两光纤的待熔接端面被热熔成弧面6后，将两光纤取出，并在两光纤的弧面6上涂抹液体7，然后再放入光纤熔接机1中。

步骤4、如图5箭头所示，将两光纤的两待熔接端面正对，然后通过两步进马达将涂抹了液体7的两待熔接端面向中间移动，使两待熔接端面接触，并将接触面置于光纤熔接机1的加热中心处，然后设置热熔参数对两待熔接端面进行熔接(如图6所示)。在熔接过程中所涂抹的液体7汽化而在熔接后的光纤中形成气泡8(如图7所示)。

步骤5、如图8所示，将所述气泡8两端的光纤分别向各自一端拉伸，在拉伸过程中对气泡部位进行加热，使该气泡分成两个，并分别位于截断后所形成的两光纤的端部。如图9所示，两个气泡分别定义为第一气泡801及第二气泡802。至此，初步形成两个压力传感器，第一气泡801和第二气泡802分别为两个压力传感器的FP腔。

步骤6、如图10所示(以其中一个压力传感器为例)，对位于光纤端部的第一气泡801进行加热，使其膨胀，进而使第一气泡801靠近光纤端部的气泡壁厚度变薄。在此过程中可通过调节加热中心与光纤端部的距离L，或者控制加热温度的方式，控制气泡壁变薄的程度。在对第一气泡801进行加热使其靠近光纤端部的气泡壁变薄的过程中，通过光谱仪实时监测反射光谱，从而监测该气泡壁的厚度。当该气泡壁的厚度变薄到纳米或亚微米级时，或者低于设定值时即可停止对第一气泡801进行加热。此时，压力传感器的制作完成。

制作完成的压力传感器如图11所示，第一气泡801作为该压力传感器的FP腔，而第一气泡801靠近光纤端部的气泡壁(图11中虚线所示区域)就是该压力传感器的压力敏感区域。从图11还可以看出，第一气泡801靠近光纤端部的气泡壁在被光纤轴心穿过的位置厚度最薄，由该位置向其外围，厚度逐渐增厚，这种厚度渐变式的气泡壁结构与传统的等厚度FP腔腔壁结构相比，结构更加稳定，可避免传统的等厚度FP腔腔壁结构因结构不稳定所引起的干扰信号。

进行压力检测时，将光纤的FP腔所在端部置于待检测压力的环境中，另一端连接光谱仪等光谱分析仪器。光纤的FP腔所在端部处于压力环境中时，环境对FP腔施加的压力如图12箭头所示。如图13所示，L为FP腔未受到环境压力时，其沿光纤轴向的腔长。当FP腔受到一个环境压力P时，其压力敏感区域因受到环境压力会向内凹，从而导致FP腔沿光纤轴向的腔长缩短相应的长度ΔL。通过实验发现，ΔL与P之间具有对应关系，而FP腔沿光纤轴向的腔长与经FP腔反射回的激光光谱的自由谱宽之间也存在对应关系，因此，通过检测经FP腔反射回的激光光谱的自由谱宽可检测出FP腔沿光纤轴向的腔长，从而检测出ΔL，进而检测出环境压力P。

由于环境压力导致FP腔沿光纤轴向的腔长产生相应变化，进而导致经FP腔反射回的激光光谱的自由谱宽产生相应变化的过程是非常迅速的，中间不存在滞后性问题，因此这种压力传感器具有很高灵敏度。同时，通过增大FP腔的半径或减少压力敏感区域的厚度都可以进一步增加该压力传感器的灵敏度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于光纤FP干涉仪的压力传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

将两光纤的待熔接端面涂抹液体并进行熔接，使涂抹的液体在熔接过程中气化并在熔接后的光纤中形成气泡；

将熔接后的光纤从所述气泡所在部位截断，使所述气泡分成两个，并分别位于截断后所形成的两光纤的端部；此时初步形成两个基于光纤FP干涉仪的压力传感器，所述气泡即为初步形成的压力传感器的FP腔；

实时监测靠近所述光纤端部的气泡壁的厚度，并调节该气泡壁的厚度，使其低于设定值。

2.如权利要求1所述的基于光纤FP干涉仪的压力传感器的制作方法，其特征在于，所述熔接包括如下步骤：

将两光纤的待熔接端面接触，并将两光纤的纤芯对准；

驱动两光纤对接触面施加挤压应力，并对处于挤压状态的接触面加热，使两光纤的待熔接端面熔接。

3.如权利要求1所述的基于光纤FP干涉仪的压力传感器的制作方法，其特征在于，将熔接后的光纤从所述气泡所在部位截断的步骤为：

将所述气泡两端的光纤分别向各自一端拉伸；

在拉伸过程中对气泡部位进行加热，使熔接后的光纤从所述气泡所在部位截断。

4.如权利要求1所述的基于光纤FP干涉仪的压力传感器的制作方法，其特征在于，所述气泡壁的厚度的调节方法为：

对位于所述光纤端部的气泡进行加热，使其膨胀，进而使所述气泡壁的厚度变薄。

5.如权利要求1所述的基于光纤FP干涉仪的压力传感器的制作方法，其特征在于，将两光纤的待熔接端面涂抹液体前，还包括如下步骤：

将两光纤的待熔接端面热熔成弧面。

6.如权利要求5所述的基于光纤FP干涉仪的压力传感器的制作方法，其特征在于，将两光纤的待熔接端面热熔成弧面之前，还包括如下步骤：

将两光纤的待熔接端面切平。

7.如权利要求1所述的基于光纤FP干涉仪的压力传感器的制作方法，其特征在于，所述两光纤通过电极放电热熔、CO₂激光热熔或氢氧焰热熔的方式进行熔接。

8.一种基于光纤FP干涉仪的压力传感器，其特征在于，包括光纤；

所述光纤端部具有一FP腔。

9.如权利要求8所述的基于光纤FP干涉仪的压力传感器，其特征在于，所述FP腔的靠近光纤端部的气泡壁的厚度在被光纤轴心穿过的位置处最薄，由该位置向其外围逐渐增厚。