CN107300437B - 一种基于微椭球空气腔的光纤压力传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于微椭球空气腔的光纤压力传感器和一种基于微椭球空气腔的光纤压力传感器的制造方法，属于光纤压力传感器技术领域。包括单模光纤、压力敏感膜；所述单模光纤上端固定连接所述压力敏感膜下端，所述单模光纤、所述压力敏感膜连接处开设空气法布里‑珀罗腔。本发明中材质均为二氧化硅，使得本发明热膨胀系数相同，避免了不同材料高温失配造成的结构失效，温度串扰小，成本低廉；传感头制作工艺只需要熔接、切割和研磨，制作工艺简单；本装置中的共焦法布里‑珀罗腔与现有技术中腐蚀工艺或飞秒激光器制作的法布里‑珀罗腔相比，干涉腔损耗小，干涉条纹对比度高，解调精度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于微椭球空气腔的光纤压力传感器和一种基于微椭球空气腔的光纤压力传感器的制造方法，属于光纤压力传感器技术领域。
背景技术
常用的光纤压力传感器主要有光纤光栅压力传感器和光纤法布里-珀罗压力传感器两种。与光纤光栅压力传感器相比，光纤法布里-珀罗压力传感器对外界产生的压力信号的反应更敏锐，采用不同的结构参数能够满足不同测量量程和灵敏度的要求,具有耐恶劣环境、抗电磁干化、温度交叉敏感度小等优点。应用于生物医疗、高温高压油井、航空航天、桥梁检测等领域的压力检测。
光纤法布里-珀罗压力传感器有毛细管结构和膜片结构。毛细管结构采用毛细管轴向形变来实现对压力的感知，可用于大压强范围的测量，但由于对压力感知敏感度低，不适用于对精度要求高的测量。膜片结构采用对压力敏感的膜片构成法布里-珀罗干涉仪的一个反射面，外界压力作用在膜片上时膜片发生弹性形变，从而使法布里－珀罗干涉仪的腔长改变，实现对压力的感知，具有灵敏度高，抗干扰能力强，线性度好,动态范围大等优点。
膜片结构的光纤法布里-珀罗压力传感器可由光纤端面的凹腔和受力会变形的压力敏感膜构成。凹腔的形成有化学腐蚀法[1,2]和飞秒激光制备法[3]。化学腐蚀制备法腔内刻蚀控制是难点，腔型难以控制且腔内损耗大；飞秒激光制备法可以精密控制干涉腔腔型，但加工系统昂贵。文献[1]中的压力敏感膜为特殊处理的单晶硅，与端面腐蚀了凹腔的硼硅酸盐光纤进行阳极键合构成传感头。这种光纤压力传感器制作工艺复杂且不同的材料对温度的热膨胀系数不同，因此当温度变化时，传感头由于热膨胀不同会产生应力，易损坏。文献[2][3]中压力敏感膜均为石英材料，与制作了凹腔的光纤熔接构成传感头。这种光纤压力传感器热膨胀系数一致，结构稳定；光纤端面凹腔的形成以及与敏感膜的熔接需要两步工艺；且由于凹腔中光传输损耗较大，反射谱条纹对比度较小，波长跟踪解调时压力测量精度不够高。
[1] 葛益娴、王婷婷、张闯、冒晓莉. 一种微型光纤法布里-珀罗压力传感器及其制作方法，发明专利：201310524956.7，授权日：2015.11；
[2] 杨春弟，王鸣，葛益娴，戴丽华. 微型非本征光纤法布里-珀罗压力传感器[J], 光学学报, 2010, 30(5): 1458-1461；
[3] 姜澜，江毅，王鹏，王素梅，刘达. 一种光纤微纳法珀干涉型压力传感器及其制作方法，专利申请号：201510282041.9。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种制作工艺简单、测量精度高的基于微椭球空气法布里-珀罗腔的光纤压力传感器和一种基于微椭球空气腔的光纤压力传感器的制造方法，该传感器的制作仅需熔接、切割和研磨工艺，且反射谱具有很高的条纹对比度，波谷尖锐，压力测量精度高。
为达到上述目的，本发明提供一种基于微椭球空气腔的光纤压力传感器，包括单模光纤、压力敏感膜；所述单模光纤上端固定连接所述压力敏感膜下端，所述单模光纤、所述压力敏感膜连接处开设空气法布里-珀罗腔。
优先地，所述空气法布里-珀罗腔为微椭球形，所述空气法布里-珀罗腔为共焦腔。
优先地，所述空气法布里-珀罗腔的腔长40μm-50μm。
优先地，所述压力敏感膜中央的厚度为6-12μm。
优先地，所述单模光纤材质为二氧化硅。
优先地，所述压力敏感膜材质为二氧化硅。
一种基于微椭球空气腔的光纤压力传感器的制造方法，包括以下步骤：
剥除单模光纤和光子晶体光纤的涂覆层后，清洁单模光纤和光子晶体光纤；
切割单模光纤右端面、光子晶体光纤左端面；
将单模光纤右端面、光子晶体光纤左端面放置在熔接机的电极两侧；
熔接机的电极放电若干次直至单模光纤、光子晶体光纤连接处熔接形成腔长为40μm-50μm的空气法布里-珀罗腔，熔接机的电极放电使得光子晶体光纤的空气孔坍塌形成二氧化硅塌陷区，控制处理显示器通过光纤传感分析仪实时监测空气法布里-珀罗腔的腔长变化；
垂直光轴方向切割光子晶体光纤的右端面，仅留下光子晶体光纤的二氧化硅塌陷区形成压力敏感膜；
将单模光纤、压力敏感膜的结合体插入光纤接续子中，压力敏感膜的上端朝下放置，用砂纸研磨压力敏感膜的上端面反射面三直到压力敏感膜的厚度达到20-30μm；
再继续用砂纸研磨压力敏感膜上端面反射面三，使空气法布里-珀罗腔上方即压力敏感膜的中央的厚度达到6-12μm，控制处理显示器通过光纤传感分析仪实时监测压力敏感膜的中央的厚度；
用氢氟酸腐蚀压力敏感膜的反射面三，对压力敏感膜的反射面三进行粗糙化处理。
优先地，单模光纤右端面、光子晶体光纤左端面相距50μm，熔接机的电极距单模光纤端面20μm；熔接机的电极放电6~7次；垂直光轴方向切割光子晶体光纤的右端，形成中央厚度为40μm的二氧化硅敏感膜。
优先地，熔接机的熔接参数为熔接电流7mA，熔接时间650ms，z轴推进量5μm。
优先地，先用3μm砂纸研磨压力敏感膜上端的反射面三直到压力敏感膜中央的厚度达到20-30μm；再用0.5μm砂纸研磨压力敏感膜上端的反射面三使压力敏感膜中央的厚度至6-12μm。
本发明所达到的有益效果：
本发明中材质均为二氧化硅，使得本发明热膨胀系数相同，避免了不同材料高温失配造成的结构失效，温度串扰小，成本低廉；传感头制作工艺只需要熔接、切割和研磨，制作工艺简单、可实现性强；
该传感器的传感头在光纤内部，被测压力能够直接调制光纤中光波的特征参量，可有效缩小传感器的尺寸，减少外界干扰和环境因素的影响；
本装置中的共焦法布里-珀罗腔，与现有技术中腐蚀工艺或飞秒激光器制作的法布里-珀罗腔相比，具有干涉腔损耗小，干涉条纹对比度高，解调精度高的优势。
附图说明
图1是本装置的结构图；
图2是本装置的制作工艺流程图；
图3是本装置的解调系统；
图4是本装置的实验结果图；
图5是现有技术中采用腐蚀工艺制作的光纤法布里-珀罗压力传感器的反射谱；
图6是本装置反射谱。
附图中标记含义，1-单模光纤；2-压力敏感膜；3-微椭球空气法布里-珀罗腔；4-反射面一；5-反射面二；6-反射面三；7-电极；8-光纤接续子；9-光纤研磨砂纸；10-光轴。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
一种基于微椭球空气腔的光纤压力传感器，包括单模光纤、压力敏感膜；所述单模光纤上端固定连接所述压力敏感膜下端，所述单模光纤、所述压力敏感膜连接处开设空气法布里-珀罗腔。
进一步地，所述空气法布里-珀罗腔为微椭球形，所述空气法布里-珀罗腔为共焦腔。
进一步地，所述空气法布里-珀罗腔的腔长40μm-50μm。
进一步地，所述压力敏感膜厚度为6-12μm。
进一步地，所述单模光纤材质为二氧化硅。
进一步地，所述压力敏感膜材质为二氧化硅。
一种基于微椭球空气腔的光纤压力传感器的制造方法，包括以下步骤：
剥除单模光纤和光子晶体光纤的涂覆层后，清洁单模光纤和光子晶体光纤；
切割单模光纤右端面、光子晶体光纤左端面；
将单模光纤右端面、光子晶体光纤左端面放置在熔接机的电极两侧；
熔接机的电极放电若干次直至单模光纤、光子晶体光纤连接处熔接形成腔长为40μm-50μm的空气法布里-珀罗腔，熔接机的电极放电使得光子晶体光纤的空气孔坍塌形成二氧化硅塌陷区，控制处理显示器通过光纤传感分析仪实时监测空气法布里-珀罗腔的腔长变化；
垂直光轴方向切割光子晶体光纤的右端面，仅留下光子晶体光纤的二氧化硅塌陷区形成压力敏感膜；
将单模光纤、压力敏感膜的结合体插入光纤接续子中，压力敏感膜的上端朝下放置，用砂纸研磨压力敏感膜的上端面反射面三直到压力敏感膜的厚度达到20-30μm；
再继续用砂纸研磨压力敏感膜上端面反射面三，使空气法布里-珀罗腔上方即压力敏感膜的中央的厚度达到6-12μm，控制处理显示器通过光纤传感分析仪实时监测压力敏感膜的中央的厚度；
用氢氟酸腐蚀压力敏感膜的反射面三，对压力敏感膜的反射面三进行粗糙化处理。
进一步地，单模光纤右端面、光子晶体光纤左端面相距50μm，熔接机的电极距单模光纤端面20μm；熔接机的电极放电6~7次；垂直光轴方向切割光子晶体光纤的右端，形成中央厚度为40μm的二氧化硅敏感膜。
进一步地，熔接机的熔接参数为熔接电流7mA，熔接时间650ms，z轴推进量5μm。
进一步地，先用3μm砂纸研磨压力敏感膜上端的反射面三直到压力敏感膜中央的厚度达到20-30μm；再用0.5μm砂纸研磨压力敏感膜上端的反射面三使压力敏感膜中央的厚度至6-12μm。
光波E0经单模光纤1垂直入射传感探头，分别被反射面一4、反射面二5、反射面三6三个反射面反射，三束反射光
E 1 、
E 2 和
E 3 发生干涉，将反射面三6进行粗糙化处理后，可以忽略
E 3 ，反射谱近似为
E 1 、
E 2 双光束干涉。当压力敏感膜2受压变形时，反射谱变化，通过反射谱波谷波长追踪可以解调出外加的压力。
所述微椭球空气法布里-珀罗腔3为共焦腔，即两凹腔的曲率半径与法布里-珀罗腔腔长相等，这时干涉腔损耗小，反射谱干涉条纹更尖锐，大大提高测量精度。
基于上述方法制作而成的光纤法布里-珀罗压力传感器，利用图3所示的解调系统进行解调，结果如图4所示，本专利提供的压力传感器有着较好的线性和重复度。在同样的实验条件下，对比采用现有技术中腐蚀工艺的平面膜压力传感器和本专利提供的压力传感器，各自的反射谱如图5和图6所示。反应本装置的图6反射谱对比度30dB，远大于现有技术中腐蚀工艺的平面膜压力传感器的图5的10dB，尖锐的波谷使得本专利提出的基于微椭球空气腔的光纤压力传感器具有更高的测量精度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于微椭球空气腔的光纤压力传感器的制造方法，其特征在于：光纤压力传感器包括单模光纤、压力敏感膜；所述单模光纤上端固定连接所述压力敏感膜下端，所述单模光纤、所述压力敏感膜连接处开设空气法布里-珀罗腔，所述空气法布里-珀罗腔为微椭球形，所述空气法布里-珀罗腔为共焦腔，所述空气法布里-珀罗腔的腔长40μm-50μm，所述压力敏感膜厚度为6-12μm，所述单模光纤材质和所述压力敏感膜材质为二氧化硅；
光纤压力传感器的制造方法包括以下步骤：
剥除单模光纤和光子晶体光纤的涂覆层后，清洁单模光纤和光子晶体光纤；
切割单模光纤右端面、光子晶体光纤左端面；
将单模光纤右端面、光子晶体光纤左端面放置在熔接机的电极两侧；
熔接机的电极放电若干次直至单模光纤、光子晶体光纤连接处熔接形成腔长为40μm-50μm的空气法布里-珀罗腔，熔接机的电极放电使得光子晶体光纤的空气孔坍塌形成二氧化硅塌陷区，控制处理显示器通过光纤传感分析仪实时监测空气法布里-珀罗腔的腔长变化；
垂直光轴方向切割光子晶体光纤的右端面，仅留下光子晶体光纤的二氧化硅塌陷区形成压力敏感膜；
将单模光纤、压力敏感膜的结合体插入光纤接续子中，压力敏感膜的上端面朝下放置，用砂纸研磨压力敏感膜的上端面反射面三直到压力敏感膜的厚度达到20-30μm；
再继续用砂纸研磨压力敏感膜上端面反射面三，使空气法布里-珀罗腔上方即压力敏感膜的中央的厚度达到6-12μm，控制处理显示器通过光纤传感分析仪实时监测压力敏感膜的中央的厚度；
用氢氟酸腐蚀压力敏感膜的反射面三，对压力敏感膜的反射面三进行粗糙化处理。
2.根据权利要求1所述的一种基于微椭球空气腔的光纤压力传感器的制造方法，其特征在于，单模光纤右端面、光子晶体光纤左端面相距50μm，熔接机的电极距单模光纤端面20μm；熔接机的电极放电6~7次；垂直光轴方向切割光子晶体光纤的右端面，形成厚度为40μm的二氧化硅敏感膜。
3.根据权利要求1所述的一种基于微椭球空气腔的光纤压力传感器的制造方法，其特征在于，熔接机的熔接参数为熔接电流7mA，熔接时间650ms，z轴推进量5μm。
4.根据权利要求1所述的一种基于微椭球空气腔的光纤压力传感器的制造方法，其特征在于，先用3μm砂纸研磨压力敏感膜上端的反射面三直到压力敏感膜中央的厚度达到20-30μm；再用0.5μm砂纸研磨压力敏感膜上端的反射面三使压力敏感膜中央的厚度至6-12μm。
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