CN105066895A

CN105066895A - 光纤珐珀应变传感器、传感系统及传感器制作方法

Info

Publication number: CN105066895A
Application number: CN201510124825.9A
Authority: CN
Inventors: 冉曾令; 罗配良; 骆书成; 饶云江; 杨彦广; 戴金雯; 李绪国; 闽夫
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2015-03-20
Filing date: 2015-03-20
Publication date: 2015-11-18

Abstract

本发明的光纤珐珀应变传感器，包括相互熔接的两段光纤(1)和(2)，光纤(1)上与光纤(2)熔接的一端具有圆孔，圆孔与单模光纤(1)和(2)形成非本征型珐珀腔；所述光纤(2)的另一端平整，并具有砷化镓镀膜。本发明的有益效果：本发明的光纤珐珀应变传感器及其系统与现有的珐珀应变传感器相比具有如下优点：砷化镓薄膜的本征吸收波长不受薄膜应力等外界因素影响，只和温度有关。砷化镓薄膜本征吸收快，耐高温，能满足高温条件下温度的实时测量。该珐珀应变传感器输入输出同一根光纤，结构简单，便于批量安装。

Description

光纤珐珀应变传感器、传感系统及传感器制作方法

技术领域

本发明属于光学传感元件技术领域，具体涉及一种光纤传感器，特别涉及一种能够同时测量应变和温度的吸收式温度补偿的光纤珐珀应变传感器、以该传感器为核心的传感系统以及上述传感器的制作方法。

背景技术

在半导体(如砷化镓)传感器应用领域，应用本征半导体的禁带宽度随温度升高而减小的现象，在1999年，曹康敏等人用砷化镓晶片作敏感元、光纤作导光系统、半导体发光二极管作光源、半导体光电二极管做光电转换元，构成了半导体吸收式光纤温度传感器。

上述半导体(如砷化镓)吸收式光纤温度传感器基本原理是当一定波长的光照射到半导体上时，半导体中的电子吸收了足够的能量，从价带跃迁到导带，从而发生本征吸收(发生本征吸收的条件是电子从价带跃迁到导带的光子能量hV必须大于半导体禁带宽度E_g，即hV≥hV_g＝E_g。其中h—普朗克常量，V—入射光频率,V_g—发生本征吸收的入射光最低频)。

而波长λ和光频率V之间的关系为λ＝C/V(C为光速)，也就是说，当温度升高时，禁带宽度近似线性减小，则发生本征吸收的最长波长只与温度有关(不受外界应力等因素影响)，从而实现温度测量。

光纤传感是现代光纤技术的重要应用之一，具有体积小、精度高以及抗电磁干扰等优点。光纤珐珀应变传感器是光纤传感器的一种，通过获取并分析受外界应变影响下光纤传感器中传输光的强度、相位、波长以及偏振态等信息，可实现对桥梁、天平结构以及石油管道等大型工程结构的实时健康检测。但是，在应变测量过程中，由于温度因素对应变测量传感器有一定的影响，应变因素和温度因素的分离以及热应变的误差是应变传感器在实际应用中的重要问题之一。

目前，在光纤传感领域，应变和温度的测量主要是依靠光纤布拉格光栅和珐珀干涉腔。如2003年吴文江等人设计了一种法布里‐珀罗应变测试系统，并在预应力混凝土连续桥梁上与电阻式应变传感器进行了应变对比测试试验。试验结果表明，法布里‐珀罗光纤传感器易与钢筋、混凝土复合，适用于桥梁结构的应变测试，但是并不能应用于高温环境下结构应变的测量。基于悬臂梁结构的珐珀应变传感器，大多数采用并联双路珐珀干涉腔分析技术来消除悬臂梁基底热应变对应变测量的影响，但由于基底对两只珐珀传感器的热应变不会完全一样，因此也不能精确消除热应变导致的误差。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的光纤传感器无法同时测量温度和应变，提出了一种方案，将对应力不敏感的温度传感器和对温度不敏感的应变传感器组合，实现温度和应变的同时测量。

本发明的技术方案是：光纤珐珀应变传感器，其特征在于，包括相互熔接的两段光纤(1)和(2)，光纤(1)上与光纤(2)熔接的一端具有圆孔，圆孔与光纤(1)和(2)形成非本征型珐珀腔；所述光纤(2)的另一端平整，并具有测温镀膜层。

进一步的，上述测温镀膜层具体为砷化镓镀膜、磷化镓镀膜或硅镀膜之一。

进一步的，上述光纤为单模光纤。

进一步的，上述光纤(2)的长度为1mm。

进一步的，上述测温镀膜层的厚度为100-300nm。

进一步的，上述光纤(1)和(2)截取自同一光纤。

光纤珐珀应变传感系统，其特征在于，包括由2×1耦合器连接的光纤珐珀应变传感器、光源和解调器，其连接关系满足光源发出的光经耦合器后传输至传感器，并经传感器反射回耦合器，反射光经耦合器传输至用于处理反射光的解调器。

光纤珐珀应变传感器制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、加工光纤(1)，将其一端切割平整，在平整的端面加工圆孔；

S2、截取与光纤(1)相同的光纤(2)，将其一端切割平整后与光纤A熔接形成非本征型珐珀腔；

S3、将距离珐珀腔10㎝处光纤(1)或(2)的另一端切割平整，并使用研磨机研磨处理；

S4、对经研磨处理后的光纤端镀上测温镀膜层。

进一步的，上述步骤S4中砷化镓薄膜的厚度为100nm。

进一步的，上述步骤S4的具体方法为：使用溅射离子镀膜设备在真空环境下用高能离子轰击砷化镓靶材，使靶材表面的离子获得能量并逸出表面，并沉积于所述研磨处理后的光纤端，形成砷化镓薄膜。

本发明的有益效果：本发明的光纤珐珀应变传感器及其系统与现有的珐珀应变传感器相比具有如下优点：砷化镓薄膜的本征吸收波长不受薄膜应力等外界因素影响，只和温度有关。砷化镓薄膜本征吸收快，耐高温，能满足高温条件下温度的实时测量。该珐珀应变传感器输入输出同一根光纤，结构简单，便于批量安装。

附图说明

图1为本发明的光纤珐珀应变传感器的一具体实施例结构示意图；

图2为基于图1所示传感器的传感系统连接待测基底的结构示意图。

具体实施方式

本发明的以下实施例是根据本发明的原理而设计，以下结合附图和实施例对本发明做进一步详述。本发明的实施例是为了解决在测量工程结构中被测基底应变时，珐珀应变传感器由于热应变引起的应变测量误差。

如图1及图2所示，本实施例的光纤珐珀应变传感器，包括相互熔接的两段光纤1和2，光纤1上与光纤2熔接的一端具有圆孔3，圆孔与光纤1和2形成非本征型珐珀腔；所述光纤2的另一端平整，并具有测温镀膜层4。作为优选方案，上述测温镀膜层具体为砷化镓镀膜、磷化镓镀膜或硅镀膜之一。其中选择硅镀膜层可获得更加宽的温度范围。光纤优选为为单模光纤。光纤2的长度为具体可为1mm。上述测温镀膜层的厚度优选为100-300nm。并且，光纤1和2截取自同一光纤，这可使光纤1和2在焊接时更容易，降低了工艺难度，并且在批量生产时节约工艺成本。需要说明的是，根据珐珀腔的形成条件，砷化镓薄膜(测温镀膜层)也可以选择镀于光纤1的另一端，只要保证该端面到珐珀腔的距离即可。因此，本实施例虽以光纤2的另一端作为镀砷化镓薄膜的端面，但并不构成对本发明的限制，仅作为一具体的实施方式而存在。

作为上述传感器的典型应用，其传感系统包括由2×1耦合器连接的光纤珐珀应变传感器、光源和解调器，其连接关系满足光源发出的光经耦合器后传输至传感器，并经传感器反射回耦合器，反射光经耦合器传输至用于处理反射光的解调器。具体的，上述耦合器与传感器、光源及解调器通过光纤连接。如图2所示，在系统中，珐珀传感器通过粘贴剂5粘贴到待测试的基底6上。

上述光纤珐珀应变传感器制作方法，包括以下步骤：S1、加工光纤1，将其一端切割平整，在平整的端面加工圆孔；S2、截取与光纤1相同的光纤2，将其一端切割平整后与光纤1熔接形成非本征型珐珀腔；S3、将距离珐珀腔10㎝处光纤1或2的另一端切割平整，并使用研磨机研磨处理；S4、对经研磨处理后的光纤端镀上砷化镓薄膜。其中，步骤S4中砷化镓薄膜的厚度为100nm。其具体方法为：使用溅射离子镀膜设备在真空环境下用高能离子轰击砷化镓靶材，使靶材表面的离子获得能量并逸出表面，并沉积于所述研磨处理后的光纤端，形成测温镀膜层。其中，测温镀膜层优选砷化镓镀膜、磷化镓镀膜或硅镀膜中的一种。

以下为上述传感器制作方法的优选工艺过程：首先将一普通单模光纤用切割刀切平后，采用激光微加工在切平的光纤端面加工一个几十微米的圆孔，再将光纤与一端切平的同种光纤通过光纤熔接机熔接，形成一个非本征型珐珀腔。在含有非本征型珐珀腔的光纤在远离珐珀腔10cm处，用切割刀切平后，将光纤放入研磨机里面，将粗略切平的光纤端面进行研磨，使经研磨处理的光纤端面达到光纤端面镀膜表面要求。将研磨平的光纤放入溅射离子镀膜设备中，在高真空环境下，用高能离子轰击砷化镓靶材，使砷化镓靶材固体表面的离子获得能量并逸出表面，最终沉积在磨平的光纤光纤端面，形成的砷化镓薄膜在100nm左右。

对于高温环境下，被测结构表面热应变对珐珀腔的拉伸，而造成被测结构表面载荷所导致的应变值有误差。下面结合附图2来进一步阐述在高温环境情况下，本发明的技术方案在结构健康检测中的原理及优势。

实施范例过程如下：先将具有砷化镓薄膜的珐珀腔传感器通过粘贴剂5固定在被测基底6上；选择一宽带光源作为信号光源，发出的光经过光纤到达2×1的耦合器，然后光传输到珐珀腔传感头；到达珐珀腔传感头的光在珐珀腔形成干涉谱，经过珐珀腔透射过的光到达砷化镓薄膜；砷化镓薄膜对波长小于等于本征吸收波长的光产生本征吸收，故只有波长大于本征波长的光被反射；在光纤珐珀腔传感头传输的干涉谱和砷化镓薄膜的反射谱经耦合器后，经过耦合器的另一端传送到解调仪；解调仪分析测得出因载荷产生应变和热应变引起的总珐珀腔腔长变化△d和温度；利用基底的热应变和外界温度的关系，即可知道热应变对珐珀腔长的拉伸△d_T，该应变产生的珐珀腔长变化△d_FP＝△d‐△d_T,根据△d_FP，从而计算出实际被测结构内部因载荷产生的应变，即算出被测基底的准应变。

本领域的研究人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的研究人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims

1.光纤珐珀应变传感器，其特征在于，包括相互熔接的两段光纤(1)和(2)，光纤(1)上与光纤(2)熔接的一端具有圆孔，圆孔与光纤(1)和(2)形成非本征型珐珀腔；所述光纤(2)的另一端平整，并具有测温镀膜层，所述测温镀膜层为砷化镓镀膜、磷化镓镀膜或硅镀膜之一。

2.根据权利要求1所述的光纤珐珀应变传感器，其特征在于，光纤为单模光纤。

3.根据权利要求2所述的光纤珐珀应变传感器，其特征在于，测温镀膜层的厚度为100-300nm。

4.根据权利要求1-3之任一项权利要求所述的光纤珐珀应变传感器，其特征在于，光纤(1)和(2)截取自同一光纤。

5.光纤珐珀应变传感系统，其特征在于，包括由2×1耦合器连接的光纤珐珀应变传感器、光源和解调器，其连接关系满足光源发出的光经耦合器后传输至传感器，并经传感器反射回耦合器，反射光经耦合器传输至用于处理反射光的解调器。

6.光纤珐珀应变传感器制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S4、对经研磨处理后的光纤端镀上测温镀膜层。

7.根据权利要求6所述的光纤珐珀应变传感器制作方法，其特征在于，测温镀膜层具体为砷化镓镀膜、磷化镓镀膜或硅镀膜之一。

8.根据权利要求6或7所述的光纤珐珀应变传感器制作方法，其特征在于，步骤S4中砷化镓薄膜的厚度为100nm。

9.根据权利要求8所述的光纤珐珀应变传感器制作方法，其特征在于，步骤S4的具体方法为：使用溅射离子镀膜设备在真空环境下用高能离子轰击砷化镓靶材，使靶材表面的离子获得能量并逸出表面，并沉积于所述研磨处理后的光纤端，形成砷化镓薄膜。