CN106840219A - 基于火焰熔融拉锥的光纤法珀腔制作系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于火焰熔融拉锥的光纤法珀腔制作系统及方法。所述系统包括：操作平台、激光检测装置和火焰熔融装置；其中，所述火焰熔融装置用于产生温度和方向可调的火焰均匀加热石英管和光纤，以使石英管与所述光纤处于熔融状态且使石英管的内壁与所述光纤进行焊接；所述操作平台用于固定所述石英管和所述光纤，并按照预设速度拉制处于熔融状态的所述石英管和所述光纤以使所述石英管与所述光纤形成法珀腔；所述激光检测装置与所述光纤光连接，用于实时检测拉制过程中所述法珀腔的干涉光谱。本发明提供的法珀腔焊点牢固、密封性好。本发明采用激光检测装置实时监测干涉光谱，可以实时调整拉制过程即焊接过程，从而提高法珀腔的加工成功率。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于火焰熔融拉锥的光纤法珀腔制作系统及方法。
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。例如，在光纤中，将两个光纤反射端面对准固定在一段毛细管中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)，根据上述腔长标定不同的物理量；用于不同的传感器时，能够高精度测量不同的物理量。因此，法珀腔可以用于油田井下温度压力测量或者桥梁大坝等健康监测等。
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耐温性质不好，长期使用容易蠕变甚至失效。后续使特殊材料(玻璃粉)和方法(阳极键合)的粘接技术进行改进，但是所制成的法珀腔长期稳定性存在一定问题。
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火焰熔融拉锥的光纤法珀腔制作系统及方法，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火焰熔融拉锥的光纤法珀腔制作系统，所述系统包括：操作平台、激光检测装置和火焰熔融装置；其中，
所述火焰熔融装置用于产生温度和方向可调的火焰均匀加热石英管和光纤，以使所述石英管与所述光纤处于熔融状态且使所述石英管的内壁与所述光纤进行焊接；
所述操作平台用于固定所述石英管和所述光纤，并按照预设速度拉制处于熔融状态的所述石英管和所述光纤以使所述石英管与所述光纤形成法珀腔；
所述激光检测装置与所述光纤光连接，用于实时检测拉制过程中所述法珀腔的干涉光谱。
可选地，所述火焰熔融装置包括喷头、支撑架、第一气源和气体流量控制器；所述喷头、所述气体流量控制器和所述第一气源利用气管依次连通；
所述喷头通过所述支撑架固定在所述操作平台上；
所述支撑架可以在上下、左右、前后六方向移动喷头21以调整所述喷头的方向；
所述气体流量控制器用于调整所述第一气源流向所述喷头的气体流量以调整火焰的温度。
可选地，所述火焰熔融装置还包括第二气源；所述第二气源与所述气体流量控制器连通。
可选地，所述激光检测装置包括激光器、环形器和光谱仪；所述环形器分别与所述激光器和所述光谱仪光连接，并且所述环形器与所述光纤光连接；
所述激光器用于产生激光束发射给所述环形器；
所述环形器用于将上述激光束传输给所述光纤，并接收经过法珀腔后返回的激光束传输给所述光谱仪；
所述光谱仪用于根据所述法珀腔后返回的激光束形成干涉光谱，以供用户根据上述干涉光谱监测法珀腔拉制过程。
可选地，所述操作平台包括底座、电机平台、真空泵、两个石英管夹具和计算机；其中，所述电机平台固定在所述底座上，所述两个石英管夹具固定在所述电机平台上且间隔预设距离以容纳喷头的火焰；所述计算机与设置在所述电机平台上的电机电连接；所述真空泵与所述石英管夹具连通；
两个石英管夹具用于采用真空吸附和挤压方式分别固定石英管两端；
所述真空泵用于为所述两个石英管夹具提供真空吸附力和挤压力；
所述电机平台上的电机用于在所述计算机控制下带动所述两个石英管夹具以预设速度背向拉制处于熔融状态的石英管。
第二方面，本发明实施例提供了一种基于火焰熔融拉锥的光纤法珀腔制作方法，基于第一方面所述的光纤法珀腔制作系统实现，所述方法包括：
利用两个石英管夹具以真空吸附和挤压方式固定石英管；
调整喷头火焰的温度和方向均匀加热所述石英管以使所述石英管和光纤处于熔融状态且所述石英管内壁与所述光纤进行焊接；
控制电机带动所述两个石英管夹具以预设速度拉制所述石英管到预设位置以使所述石英管与所述光纤形成法珀腔；
调整所述喷头火焰的温度和方向以控制所述法珀腔在预设时间内完成退火过程。
可选地，所述方法还包括：
利用激光检测装置实时获取所述法珀腔的干涉光谱以供用户根据所述干涉光谱调整上述预设速度和所述喷头火焰的温度。
可选地，所述调整喷头火焰的温度和方向均匀加热所述石英管以使所述石英管和光纤处于熔融状态且所述石英管内壁与所述光纤进行焊接的步骤包括：
利用气体流量控制器调整第一气源流向所述喷头的气体流量以调整火焰的温度。
可选地，所述调整喷头火焰的温度和方向均匀加热所述石英管以使所述石英管和光纤处于熔融状态且所述石英管内壁与所述光纤进行焊接的步骤还包括：
利用气体流量控制器调整第一气源和第二气源流向所述喷头的气体流量以调整火焰的温度。
可选地，所述第一气源为氢气瓶或者氢气发生器，所述第二气源为氧气瓶或者氧气发生器。
本发明通过设置操作平台、激光检测装置和火焰熔融装置；利用火焰熔融装置产生温度和方向火焰均匀加热石英管和光纤使石英管和光纤处于熔融状态，这样石英管内壁与光纤可以进行焊接；操作平台用于固定石英管和光纤，并按照预设速度拉制处于熔融状态的所述石英管和所述光纤以使所述石英管与所述光纤形成法珀腔；激光检测装置与所述光纤光连接，用于实时检测拉制过程中所述法珀腔的干涉光谱。与现有技术相比较，本发明利用火焰烧制方式，在加热拉制过程中作用缓慢，受力均匀，从而使法珀腔焊点牢固、密封性好。并且，焊接过程相对缓慢，有足够的时间进行调整。另外，本发明采用激光检测装置实时监测干涉光谱，可以实时调整拉制过程即焊接过程，从而提高法珀腔的加工成功率。
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是本发明实施例提供的基于火焰熔融拉锥的光纤法珀腔制作系统结构示意图；
图2是图1中激光检测装置所获取的干涉波形示意图；
图3是本发明实施例提供的基于火焰熔融拉锥的光纤法珀腔制作方法流程示意图；
图4是利用图3所示光纤法珀腔制作方法所制作的法珀腔压力腔长曲线示意图。
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火焰熔融拉锥的光纤法珀腔制作系统，如图1所示，所述系统包括：激光检测装置1、火焰熔融装置2和操作平台3。其中，
火焰熔融装置2用于产生温度和方向可调的火焰均匀加热光纤4和石英管5，以使石英管5与光纤4处于熔融状态且使石英管5的内壁与光纤4进行焊接；
操作平台3用于固定石英管5和光纤4，并按照预设速度拉制处于熔融状态的石英管5和光纤4以使石英管5与4光纤形成法珀腔；
激光检测装置1与光纤4光连接，用于实时检测拉制过程中法珀腔的干涉光谱。
本发明实施例中上述火焰熔融装置2包括喷头21、支撑架(图中未示出)、第一气源23和气体流量控制器22。喷头21、气体流量控制器22和第一气源23利用气管24依次连通。其中，上述喷头21通过支撑架固定在操作平台3上；支撑架可以在上下、左右、前后六方向移动喷头21以调整喷头21的方向；上述气体流量控制器22用于调整第一气源23流向喷头21的气体流量以调整火焰的温度。
实际应用中，上述支撑架可以采用现有技术中机械结构实现，利用该机械结构将喷头21固定在操作平台3上，然后通过调整该机械结构的动作结构通过上下、左右和/或前后调整喷头21朝向。当然，该支撑架可以由用户手动调整，也可以采用自动控制装置实现，本领域技术人员可以根据具体使用场景进行选择，例如采用自动控制装置时此时支撑架至少包括电机，利用该电机驱动支撑架的动作结构带动喷头移动或者旋转，并且电机的控制信号可以来自计算机或者控制器。
参见图1，上下是指喷头21沿着图1的上下移动，左右是指喷头21沿着图1的左右移动，前后是指喷头21垂直图1移动。本领域技术人员可以根据具体场景进行设置，本发明不作限定。
实际应用中，本发明实施例中火焰温度是指，火焰被调整后在一定时间内保持稳定后的温度。通过控制火焰温度，可以提高法珀腔的制作质量，防止火焰温度过低时，光纤4和石英管5无法充分熔融，或者防止火焰温度过高时光纤4和石英管5应力不均匀，导致焊点变形。
需要说明的是，本发明实施例中上述火焰温度与光纤4的材料，以及与石英管5的材料和厚度有关，因此可以根据光纤4和石英管5的参数调整火焰温度。本领域技术人员可以根据光纤和石英管的相关参数查阅两者所需要的温度，由于这些内容属于现有技术，在此不再赘述。
实际应用中，本发明实施例通过在第一气源23与喷头21之间设置气体流量控制器22，利用该气体流量控制器22调整第一气体的气体流量以调整火焰的温度。若火焰温度无法满足石英管5或光纤4的需求，则还可以设置第二气源，该第二气源通过气管24与气体流量控制器22连通。该气体流量控制器22将第一气源24和第二气源混合后以提高火焰温度。
可选地，本发明实施例中第一气源23可以采用现有技术中的氢气瓶或者氢气发生器实现，和/或，该第二气源可以是为氧气瓶或者氧气发生器。本领域技术人员可以根据具体场景进行选择第一气源和第二气源，本发明不作限定。
本发明实施例中上述操作平台3包括底座30、电机平台31、两个石英管夹具32、真空泵33和计算机35。上述电机平台31固定在底座30上，上述两个石英管夹具32固定在电机平台31上且间隔预设距离以容纳喷头的火焰。计算机35与设置在电机平台31上的电机电连接；真空泵33与两个石英管夹具32连通。其中，两个石英管32夹具用于采用真空吸附和挤压方式分别固定石英管5两端；真空泵33用于为两个石英管夹具32提供真空吸附力和挤压力；电机平台31上的电机用于在计算机35控制下带动两个石英管夹具32以预设速度背向拉制处于熔融状态的石英管。
实际应用中，两个石英管夹具32间隔预设距离形成容纳喷头火焰的空间(图1中喷头21正下方白色区域)。石英管夹具32采用真空吸附和挤压方式固定石英管5的两端，使石英管需要加热的地方呈现在上述空间之上。
上述电机平台31一方面固定上述两个石英管夹具32，另一方面由电机带动石英管夹具32左右移动调整石英管32的位置。该电机的控制信号来自计算机35，包括左右移动信号、预设速度和预设距离。当然，该计算机35还可以调整喷头的方向，这样可以简化系统结构，节省硬件。
本发明实施例中上述激光检测装置1包括激光器11、环形器12和光谱仪13。环形器12分别与激光器11和光谱仪13光连接，并且环形器12与光纤4光连接。其中，激光器11用于产生激光束发射给环形器12；环形器12用于将上述激光束传输给光纤4，并接收经过法珀腔后返回的激光束传输给光谱仪13；光谱仪13用于根据法珀腔后返回的激光束形成干涉光谱，以供用户根据上述干涉光谱监测法珀腔拉制过程。如图2所示，上述激光检测装置1可以实时获取操作平台3拉制熔融石英管5和光纤4形成法珀腔过程中法珀腔反射激光束形成的干涉波形。
实际应用中，上述激光器11、环形器112和光谱仪13可以采用现有技术中的设备实现，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火焰熔融拉锥的光纤法珀腔制作方法，基于第一方面所述的基于火焰熔融拉锥的光纤法珀腔制作系统实现，如图3所示，所述方法包括：
S1、利用两个石英管夹具以真空吸附和挤压方式固定石英管；
S2、调整喷头火焰的温度和方向均匀加热所述石英管以使所述石英管和光纤处于熔融状态且所述石英管内壁与所述光纤进行焊接；
S3、控制电机带动所述两个石英管夹具以预设速度拉制所述石英管到预设位置以使所述石英管与所述光纤形成法珀腔；
S4、调整所述喷头火焰的温度和方向以控制所述法珀腔在预设时间内完成退火过程。
本发明一实施例中以内径为65μm外径150μm的熔融石英玻璃管和G.652普通掺锗单模光纤为例详细说明上述各步骤。
本发明实施例步骤S1之前，先将光纤去除涂覆层后，切平端面，然后在显微镜下将上述光纤穿入石英管中。进而根据步骤S1利用两个石英管夹具32以真空吸附和挤压方式固定住石英管。
本发明实施例步骤S2中第一气源23提供第一气体后，由气体流量控制器22调节气路中流程喷头21的气体流量调整喷头21处火焰温度。当火焰温度稳定后均匀加热石英管和光纤以使石英管和光纤处于熔融状态进行焊接。上述火焰温度可以根据石英管材料和厚度以及光纤材料综合确定。可选地，上述火焰温度为1100～1200℃。
本发明实施例步骤S3中计算机控制电机带动两个石英管夹具以预设速度拉制处理熔融状态的石英管和光纤，以使该石英管内壁和光纤完全焊接。可选地，上述预设速度为5～10μm/s，预设距离为300～500μm。
本发明实施例步骤S4中调整所述喷头火焰的温度和方向以控制所述法珀腔在预设时间内完成退火过程。可选地，上述预设时间为3～5min。
本发明实施例提供的光纤法珀腔制作方法还包括：
S5、利用激光检测装置实时获取所述法珀腔的干涉光谱以供用户根据所述干涉光谱调整上述预设速度和所述喷头火焰的温度。
如图2所示，本发明实施例中通过实时采集法珀腔的干涉光谱，可以看到干涉波形对比度高，信号质量良好。由于利用火焰加热作用缓慢，这样用户可以在石英管与光纤拉制过程中及时发现焊接不当位置，通过调整喷头火焰的温度和石英管移动的预设速度，这样通过在线操作，可以提高法珀腔加工成功率。
经过上述步骤可以完成石英管一端的焊接，重复使用上述方法继续完成石英管另一端的焊接。
本发明实施例将利用上述方法制成的法珀腔封闭成压力探头，然后测量在液压环境下上述法珀腔的腔长曲线。如图4所示，该压力探头的压力响应线性度非常好，并且可耐60MPa压力。
综上所述，本发明实施例提供的基于火焰熔融拉锥的光纤法珀腔制作系统及方法，利用火焰熔融装置产生温度和方向可调的火焰均匀加热石英管和光纤使其处于熔融状态进行焊接；利用操作平台固定石英管和光纤左右移动处于熔融状态的石英管和光纤使其完全焊接形成法珀腔；利用激光检测装置实时检测拉制过程中法珀腔的干涉光谱，通过在线操作，可以使焊点牢固，提高法珀腔制作成功率。本发明实施例提供的法珀腔可以作为温度压力等传感器，具有迟滞性好，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 (10)
1.一种基于火焰熔融拉锥的光纤法珀腔制作系统，其特征在于，所述系统包括：操作平台、激光检测装置和火焰熔融装置；其中，
所述火焰熔融装置用于产生温度和方向可调的火焰均匀加热石英管和光纤，以使所述石英管与所述光纤处于熔融状态且使所述石英管的内壁与所述光纤进行焊接；
所述操作平台用于固定所述石英管和所述光纤，并按照预设速度拉制处于熔融状态的所述石英管和所述光纤以使所述石英管与所述光纤形成法珀腔；
所述激光检测装置与所述光纤光连接，用于实时检测拉制过程中所述法珀腔的干涉光谱。
2.根据权利要求1所述的光纤法珀腔制作系统，其特征在于，所述火焰熔融装置包括喷头、支撑架、第一气源和气体流量控制器；所述喷头、所述气体流量控制器和所述第一气源利用气管依次连通；
所述喷头通过所述支撑架固定在所述操作平台上；
所述支撑架可以在上下、左右、前后六方向移动喷头21以调整所述喷头的方向；
所述气体流量控制器用于调整所述第一气源流向所述喷头的气体流量以调整火焰的温度。
3.根据权利要求2所述的光纤法珀腔制作系统，其特征在于，所述火焰熔融装置还包括第二气源；所述第二气源与所述气体流量控制器连通。
4.根据权利要求1～3任一项所述的光纤法珀腔制作系统，其特征在于，所述激光检测装置包括激光器、环形器和光谱仪；所述环形器分别与所述激光器和所述光谱仪光连接，并且所述环形器与所述光纤光连接；
所述激光器用于产生激光束发射给所述环形器；
所述环形器用于将上述激光束传输给所述光纤，并接收经过法珀腔后返回的激光束传输给所述光谱仪；
所述光谱仪用于根据所述法珀腔后返回的激光束形成干涉光谱，以供用户根据上述干涉光谱监测法珀腔拉制过程。
5.根据权利要求1～3任一项所述的光纤法珀腔制作系统，其特征在于，所述操作平台包括底座、电机平台、真空泵、两个石英管夹具和计算机；其中，所述电机平台固定在所述底座上，所述两个石英管夹具固定在所述电机平台上且间隔预设距离以容纳喷头的火焰；所述计算机与设置在所述电机平台上的电机电连接；所述真空泵与所述石英管夹具连通；
两个石英管夹具用于采用真空吸附和挤压方式分别固定石英管两端；
所述真空泵用于为所述两个石英管夹具提供真空吸附力和挤压力；
所述电机平台上的电机用于在所述计算机控制下带动所述两个石英管夹具以预设速度背向拉制处于熔融状态的石英管。
6.一种基于火焰熔融拉锥的光纤法珀腔制作方法，基于权利要求1～5任一项所述的光纤法珀腔制作系统实现，其特征在于，所述方法包括：
利用两个石英管夹具以真空吸附和挤压方式固定石英管；
调整喷头火焰的温度和方向均匀加热所述石英管以使所述石英管和光纤处于熔融状态且所述石英管内壁与所述光纤进行焊接；
控制电机带动所述两个石英管夹具以预设速度拉制所述石英管到预设位置以使所述石英管与所述光纤形成法珀腔；
调整所述喷头火焰的温度和方向以控制所述法珀腔在预设时间内完成退火过程。
7.根据权利要求6所述的光纤法珀腔制作方法，其特征在于，所述方法还包括：
利用激光检测装置实时获取所述法珀腔的干涉光谱以供用户根据所述干涉光谱调整上述预设速度和所述喷头火焰的温度。
8.根据权利要求6所述的光纤法珀腔制作方法，其特征在于，所述调整喷头火焰的温度和方向均匀加热所述石英管以使所述石英管和光纤处于熔融状态且所述石英管内壁与所述光纤进行焊接的步骤包括：
利用气体流量控制器调整第一气源流向所述喷头的气体流量以调整火焰的温度。
9.根据权利要求8所述的光纤法珀腔制作方法，其特征在于，所述调整喷头火焰的温度和方向均匀加热所述石英管以使所述石英管和光纤处于熔融状态且所述石英管内壁与所述光纤进行焊接的步骤还包括：
利用气体流量控制器调整第一气源和第二气源流向所述喷头的气体流量以调整火焰的温度。
10.根据权利要求9所述的光纤法珀腔制作方法，其特征在于，所述第一气源为氢气瓶或者氢气发生器，所述第二气源为氧气瓶或者氧气发生器。
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