CN106671428A - 基于电弧焊接的光纤法珀腔快速制作系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电弧焊接的光纤法珀腔快速制作系统及方法。该系统包括光纤熔接机和光纤法珀腔解调仪，在光纤熔接机上将光纤穿入到毛细管中，然后根据预设算法利用放电电极输出预设幅值和预设时长的电流产生电弧以使毛细管与光纤进行焊接；在焊接过程中，利用光纤法珀腔解调仪获取反射光谱判断焊点质量，根据干涉光谱解调出的法珀腔腔长判断该腔长是否满足预设要求。本发明实施例利用光纤熔接机可以快速加工光纤法珀腔，操作简单，制作时间短。并且焊接过程可在线监测光谱，实时把握焊接质量，所制作的光纤法珀腔结构坚固，应用温度和应变传感器时具有优异的性能，稳定可靠。

Description

基于电弧焊接的光纤法珀腔快速制作系统及方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于电弧焊接的光纤法珀腔快速制作系统及方法。

背景技术

法布里-珀罗干涉仪，简称法珀腔，其基本组成结构是两个互相平行的光学反射平面。参见图1，石英毛细管11通过焊点12与去除涂覆层的两段光纤13和14焊接，并构成一个光纤法珀腔结构。上述两个端面之间的距离为该光纤法珀腔的腔长。实际应用中，该光纤法珀腔的腔长在环境(如温度、压力、应变等)变化时而发生改变，通过测量法珀腔的干涉光谱可以计算出法珀腔的腔长(目前的谱分析算法能到亚纳米精度腔长解调精度)，进而可以根据法珀腔腔长变化计算出环境变化。因此，上述光纤法珀腔可以作为不同的传感器，实现对不同物理量的高精度测量，具有重要的应用价值。

现有技术中，将光纤与毛细管焊接形成法珀腔的方法称为光纤法珀腔的制作方法或加工工艺，目前常用的制作方法包括胶粘法和激光焊接法，以及基于上述两种方法的发展和改进。

例如，胶粘法最初使环氧树脂，后面陆续采用性能优异的胶水替代上述环氧树脂。该胶粘法操作过程简单，但是所制作的法珀腔容易蠕动温漂甚至失效，导致长期稳定性不好。

又如，激光焊接法使用高频CO₂激光脉冲照射毛细管外壁将光纤与毛细管接触点熔接，由单侧照射到目前的三光束焊接，可以使法珀腔具有全密封、焊点变形小以及应力分布均匀等优点。但是该方法需要使用光路精细高速平台装置，成本高且操作复杂，而且光纤法珀腔的制作成功率也有限。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于电弧焊接的光纤法珀腔快速制作系统及方法，以解决现有技术中利用胶粘法制作的法珀腔长期稳定性不好或者激光焊接法制作法珀腔成功率低且制作平台装置成本高和操作复杂的问题。

第一方面，本发明提供了一种基于电弧焊接的光纤法珀腔快速制作系统，所述系统包括光纤法珀腔解调仪和光纤熔接机；其中，

所述光纤熔接机用于根据预设算法多次放电焊接放置到预设位置的毛细管和光纤；

所述光纤法珀腔解调仪与所述光纤光连接，用于实时获取所述光纤和所述毛细管所形成法珀腔的反射光谱以供用户根据该反射光谱调整焊接过程从而使法珀腔腔长满足预设要求。

可选地，所述光纤熔接机包括保护罩、显微镜、放电电极和可XYZ三方向平移的夹具平台；其中，

所述保护罩用于保护设置其内部的显微镜、放电电极和夹具平台；

所述可XYZ三方向平移的夹具平台用于固定所述光纤和所述毛细管；

所述显微镜用于放大放置在预设位置的光纤和毛细管以供用户将所述光纤穿入所述毛细管并调整焊点位置至所述夹具平台的预设位置；

所述放电电极用于根据所述预设算法多次输出预设幅值和预设时长的电流生成电弧在使所述毛细管和所述光纤的焊点熔融进行焊接。

第二方面，本发明实施例还提供了一种基于电弧焊接的光纤法珀腔快速制作方法，所述方法包括：

S1、将一段光纤第一端和毛细管第一端的焊点调整到预设位置；

S2、根据预设算法调整放电电极多次输出预设幅值和预设时长的电流生成电弧熔融所述光纤第一端和所述毛细管第一端的焊点进行焊接；

S3、在所述光纤的第二端实时监测所述光纤第一端端面的反射光谱，以供用户根据所述反射光谱判断焊点质量；

S4、在所述毛细管的第二端穿入另一光纤形成法珀腔，获取所述法珀腔的干涉光谱以使该法珀腔长度满足预设要求，然后根据步骤S1～S2对另一光纤第二端和所述毛细管第二端的焊点进行焊接。

可选地，所述预设算法包括：

第一次放电时间为1秒，电流为15～20mA；

第二次放电时间为3～4秒，电流为30～40mA；

第三次放电时间为2秒，电流为15～20mA。

可选地，所述步骤S4包括：

根据所述反射光谱解调所述光纤法珀腔的腔长；

调整两段光纤的端面距离以使所述光纤法珀腔的腔长满足要求。

可选地，所述步骤S1包括：

清洁所述毛细管内外壁后固定在可XYZ三方向平移的夹具平台的第一侧；

将光纤去除涂覆层切平端面后固定在所述夹具平台的第二侧；

在显微镜下将所述光纤穿入所述毛细管中。

可选地，所述步骤S2包括：

根据所述石英管材料和厚度以及所述光纤材料确定放电电极输出电流的预设幅值和预设时长。

可选地，所述根据所述石英管材料和厚度以及所述光纤材料确定放电电极输出电流的预设幅值和预设时长的步骤之前包括：

从同一批次的石英管和光纤中选取多组样品；

利用放电电极输出不同幅值和不同时长的电流以产生电弧施加到每组石英管和光纤样品；

将石英管和光纤焊接后的样品组对应电流的幅值和时长分别作为放电电极输出电流的预设幅值和预设时长。

本发明在光纤熔接机上将光纤穿入到毛细管中，然后根据预设算法利用放电电极输出预设幅值和预设时长的电流产生电弧以使毛细管与光纤进行焊接；在焊接过程中，利用光纤法珀腔解调仪获取光纤端面的反射光谱判断焊点质量即判断光纤端面是否受到焊接过程影响而发生变形，以及解调出的法珀腔腔长判断该腔长是否满足预设要求。与现有技术相比较，本发明实施例利用光纤熔接机可以快速加工光纤法珀腔，操作简单，制作时间短。并且焊接过程可在线监测光谱，实时把握焊接质量，所制作的光纤法珀腔结构坚固，应用温度和应变传感器时具有优异的性能，稳定可靠。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为非本征法-珀腔示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于电弧焊接的光纤法珀腔快速制作系统结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于电弧焊接的光纤法珀腔快速制作方法流程示意图；

图4为图3所示方法制作的光纤法珀腔的光谱图；

图5为图3所示方法制作的光纤法珀腔作为温度传感器在温度环境下的腔长响应曲线示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

第一方面，本发明提供了一种基于电弧焊接的光纤法珀腔快速制作系统，如图2所示，所述系统包括光纤法珀腔解调仪21和光纤熔接机23。其中，

光纤熔接机21用于根据预设算法多次放电焊接放置到预设位置的毛细管27和光纤22；

光纤法珀腔解调仪21与光纤22光连接，用于实时获取光纤22和毛细管27所形成法珀腔的反射光谱以供用户根据该反射光谱调整焊接过程从而使法珀腔腔长满足预设要求。

上述光纤熔接机21包括保护罩23、显微镜24、放电电极25和可XYZ三方向平移的夹具平台26。其中，

保护罩23用于保护设置其内部的显微镜24、放电电极25和夹具平台26；

可XYZ三方向平移的夹具平台26用于固定所述光纤22和所述毛细管27；

显微镜24用于放大放置在预设位置的光纤22和毛细管24以供用户将所述光纤22穿入所述毛细管27并调整焊点位置至所述夹具平台26的预设位置；

放电电极25用于根据所述预设算法多次输出预设幅值和预设时长的电流生成电弧在使所述毛细管27和所述光纤22的焊点熔融进行焊接。

实际应用中，本发明实施例中上述光纤熔接机可以采用现有技术中的光纤熔接机实现，例如，可采用爱立信FSU975型号的光纤熔接机。当然本领域技术人员也可以采用基于光纤熔接机设置的专用加工装置实现，还可以采用具有上述功能的设备实现，本发明不作限定。

需要说明的是，本发明实施例中上述放电电极25中包括已经集成预设算法的控制模块，例如将单片机、DSP、ARM芯片或者FPGA芯片中集成上述预设算法，然后由该芯片执行上述预设算法后输出预设幅值和预设时长的电流，分别位于石英管两侧的放电电极会产生电弧熔融该石英管。当然，本领域技术人员在采用现有技术中的光纤熔接机时，可以将上述控制模块设置在光纤熔接机的外部，或者设置在上位机中，由用户通过上述控制模块对放电电极中电流进行调节。本领域技术人员可以根据具体场景进行选择，本发明不作限定。

需要说明的是，本发明实施例中光纤法珀腔解调仪21与上述光纤22光连接，可以向该光纤22发射激光束，然后再接收由光纤22端面反射的激光束形成反射光谱。用户可以根据上述反射光谱判断焊接质量，然后根据焊接质量调节上述光纤熔接机中放电电极中的电流，从而调节产生电弧的强度，进而调整毛细管和光纤焊接质量。该光纤法珀腔解调仪21可以采用现有技术中的常用设备实现，也可以采用专用设备实现，还可以采用例如激光器、环形器和光谱仪多种设备组合构成，本领域技术人员可以根据具体场景进行选择，本发明不作限定。

第二方面，本发明实施例还提供了一种基于电弧焊接的光纤法珀腔快速制作方法，如图3所示，所述方法包括：

S1、将光纤第一端和毛细管第一端的焊点调整到预设位置；

S2、根据预设算法调整放电电极多次输出预设幅值和预设时长的电流生成电弧熔融所述光纤第一端和所述毛细管第一端的焊点进行焊接；

S3、在所述光纤的第二端实时监测所述光纤第一端端面的反射光谱，以供用户根据所述反射光谱判断焊点质量；

S4、在所述毛细管的第二端穿入另一光纤形成法珀腔，获取所述法珀腔的干涉光谱以使该法珀腔长度满足预设要求，然后根据步骤S1～S2对另一光纤第二端和所述毛细管第二端的焊点进行焊接。

本发明实施例中，首先将毛细管内外壁清洁，利用夹具平台固分为两部分，其中一部分固定石英管的一端，另一部分固定光纤夹具平台上，即将毛细管固定在夹具平台的第一侧，光纤固定在夹具平台的第二侧。在显微镜下将上述光纤穿入石英管中，并且将光纤第一端和毛细管的焊点调整到预设位置，例如，将光纤第一端和毛细管的焊点调整到夹具平台两部分的中间位置。由于夹具平台可以在XYZ三方向平移，因此非常方便地将焊点调整到上述中间位置。

其次控制模块调整放电电极多次输出预设幅值和预设时长的电流生成电弧对光纤第一端和毛细管的焊点进行焊接。可选地，本发明实施例中采用毛细管内径65μm、外径150μm的高硼硅玻璃管，光纤采用G.652普通单模光纤时，上述预设算法包括：

第一次放电时间为1秒，电流为15～20mA；

第二次放电时间为3～4秒，电流为30～40mA；

第三次放电时间为2秒，电流为15～20mA。

在上述放电过程中，利用光纤法珀腔解调仪实时采集反射光谱。需要说明的是，本发明实施例中反射光谱包括光纤端面反射光谱和法珀腔干涉光谱，本发明实施例中统称为反射光谱。可理解的是，步骤S3中，由于毛细管中仅有一段光纤，此时光纤法珀腔解调仪可以获取到光纤端面反射光谱。该光纤端面反射光谱与图4波形的外包络相近，为一条平滑的曲线，通过对比该光纤端面在焊接前后的光纤端面反射光谱即可判断该光纤端面是否因为焊接而发生变形，从而可以判断上述法珀腔第一端的焊点质量。

在毛细管第一端与光纤完成焊接后，按照步骤S1将毛细管的第二端固定在夹具平台，将另一光纤固定在夹具的另一侧，然后在显微镜的帮助下，将另一光纤穿入该毛细管中。光纤法珀腔解调仪与另一光纤光连接，此时获取法珀腔的干涉光谱，如图4所示，从而解调出法珀腔的腔长，调整两段光纤的端面距离以使光纤法珀腔的腔长满足要求。再按照步骤S2焊接毛细管第二端和光纤的焊点。另外，通过对比另一光纤端面在焊接前后的干涉光谱即可判断另一光纤端面是否因为焊接而发生变形，从而可以判断上述法珀腔第二端的焊点质量。当毛细管第二端与光纤完成焊接后，则光纤法珀腔制作完成。

步骤S2中根据石英管材料和厚度以及光纤材料确定放电电极输出电流的预设幅值和预设时长。例如，从同一批次的石英管和光纤中选取多组样品，然后放电电极分别对每组石英管和光纤输出不同幅值和不同时长的电流，以使上述放电电极产生电弧熔融焊接。然后将石英管与光纤完成焊接的样品组所对应电流的幅值和时长分别作为放电电极输出电流的预设幅值和预设时长，在制作光纤法珀腔时，由控制模块直接输出上述预设幅值和预设时长的电流即可。

实际应用中，由于光纤熔接机使用单电极放电，单电弧焊接难以使毛细管和光纤全密封，本发明实施例制作的光纤法珀腔不适宜用于压力传感器，但是可以作为温度和应变传感器。如图5所示，将上述光纤法珀腔(高硼硅玻璃管)作为温度传感器，在温度环境下法珀腔腔长的响应曲线，可看到该光纤法珀腔耐温高，且温度响应线性度好，即该光纤法珀腔作为温度传感器时具有优异的性能，稳定可靠。

本发明实施例提供的基于电弧焊接的光纤法珀腔快速制作系统及方法，在光纤熔接机上将光纤穿入到毛细管中，然后根据预设算法利用放电电极输出预设幅值和预设时长的电流产生电弧以使毛细管与光纤进行焊接；在焊接过程中，利用光纤法珀腔解调仪获取光纤端面的反射光谱判断焊点质量，根据干涉光谱解调出的法珀腔腔长判断该腔长是否满足预设要求。本发明实施例利用光纤熔接机可以快速加工光纤法珀腔，操作简单，制作时间短。并且焊接过程可在线监测光谱，实时把握焊接质量，所制作的光纤法珀腔结构坚固，应用温度和应变传感器时具有优异的性能，稳定可靠。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (8)

1.一种基于电弧焊接的光纤法珀腔快速制作系统，其特征在于，所述系统包括光纤法珀腔解调仪和光纤熔接机；其中，

所述光纤熔接机用于根据预设算法多次放电焊接放置到预设位置的毛细管和光纤；

所述光纤法珀腔解调仪与所述光纤光连接，用于实时获取所述光纤和所述毛细管所形成法珀腔的反射光谱以供用户根据该反射光谱调整焊接过程从而使法珀腔腔长满足预设要求。

2.根据权利要求1所述的光纤法珀腔快速制作系统，其特征在于，所述光纤熔接机包括保护罩、显微镜、放电电极和可XYZ三方向平移的夹具平台；其中，

所述保护罩用于保护设置其内部的显微镜、放电电极和夹具平台；

所述可XYZ三方向平移的夹具平台用于固定所述光纤和所述毛细管；

所述显微镜用于放大放置在预设位置的光纤和毛细管以供用户将所述光纤穿入所述毛细管并调整焊点位置至所述夹具平台的预设位置；

所述放电电极用于根据所述预设算法多次输出预设幅值和预设时长的电流生成电弧在使所述毛细管和所述光纤的焊点熔融进行焊接。

3.一种基于电弧焊接的光纤法珀腔快速制作方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、将一段光纤第一端和毛细管第一端的焊点调整到预设位置；

S2、根据预设算法调整放电电极多次输出预设幅值和预设时长的电流生成电弧熔融所述光纤第一端和所述毛细管第一端的焊点进行焊接；

S3、在所述光纤的第二端实时监测所述光纤第一端端面的反射光谱，以供用户根据所述反射光谱判断焊点质量；

S4、在所述毛细管的第二端穿入另一光纤形成法珀腔，获取所述法珀腔的干涉光谱以使该法珀腔长度满足预设要求，然后根据步骤S1～S2对另一光纤第二端和所述毛细管第二端的焊点进行焊接。

4.根据权利要求3所述的光纤法珀腔快速制作方法，其特征在于，所述预设算法包括：

第一次放电时间为1秒，电流为15～20mA；

第二次放电时间为3～4秒，电流为30～40mA；

第三次放电时间为2秒，电流为15～20mA。

5.根据权利要求3或4所述的光纤法珀腔快速制作方法，其特征在于，所述步骤S4包括：

根据所述反射光谱解调所述光纤法珀腔的腔长；

调整两段光纤的端面距离以使所述光纤法珀腔的腔长满足要求。

6.根据权利要求3或4所述的光纤法珀腔快速制作方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

清洁所述毛细管内外壁后固定在可XYZ三方向平移的夹具平台的第一侧；

将光纤去除涂覆层切平端面后固定在所述夹具平台的第二侧；

在显微镜下将所述光纤穿入所述毛细管中。

7.根据权利要求3或4所述的光纤法珀腔快速制作方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

根据所述石英管材料和厚度以及所述光纤材料确定放电电极输出电流的预设幅值和预设时长。

8.根据权利要求7所述的光纤法珀腔快速制作方法，其特征在于，所述根据所述石英管材料和厚度以及所述光纤材料确定放电电极输出电流的预设幅值和预设时长的步骤之前包括：

从同一批次的石英管和光纤中选取多组样品；

利用放电电极输出不同幅值和不同时长的电流以产生电弧施加到每组石英管和光纤样品；

将石英管和光纤焊接后的样品组对应电流的幅值和时长分别作为放电电极输出电流的预设幅值和预设时长。