CN107632345A - 基于紫外固化胶的光纤宏弯耦合结构及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于紫外固化胶的光纤宏弯耦合结构及其加工方法，通过有源光纤和无源光纤以固定步长进行双绞，再利用高温导线在双绞光纤外部以小于5mm螺距缠绕；在双绞光纤和高温导线首末端涂覆硅胶并固化后，在有源光纤和无源光纤的缝隙中注射UV光胶，并在紫外灯照射下固化后，成为宏弯一体式结构；再将一体式结构进行弯曲或者缠绕，形成光纤宏弯耦合结构。所述光纤宏弯耦合结构由于UV光胶的使用，增加了宏弯耦合结构的耦合能量，增大了宏弯暗场的耦合光功率，提升了信号强度，也使光源功率便可以适当降低，因而系统功耗也随之降低；其加工工艺方法也改善了传感器的一致性和鲁棒性。

Description

基于紫外固化胶的光纤宏弯耦合结构及其加工方法

技术领域

本发明涉及传感技术领域，具体为一种基于紫外固化胶的光纤宏弯耦合结构及其加工方法，适用于化工液体、液位、气体、位移与应力等传感应用。

背景技术

2014年，中北大学刘文怡团队在国际知名光学期刊《Optics Express》上发表文章《Polymer optical fiber twisted macro-bend coupling system for liquid leveldetection》，提出了基于POF光纤的新型传感结构——光纤宏弯耦合结构（macro-bendcoupling structure，简称MBCS）。POF光纤宏弯耦合结构是将两根普通的通信用塑料光纤紧密贴合在一起，并且通过弯曲，螺旋缠绕等方式形成宏弯结构；其中一根光纤由于连接LED光源，称为有源光纤；另一个光纤为无源光纤；当两根光纤同时弯曲产生宏弯时，在宏弯位置上光能量从有源光纤耦合进入无源光纤内，这个过程我们称为宏弯暗场耦合，并且把这种结构称为光纤宏弯耦合结构。利用该新型结构，可以实现化工液体，液位，气体，位移，应力等传感应用。其中液位传感在石油化工领域，飞机、轮船、汽车燃油系统内有广泛的应用前景，而在MBCS基础上发展出的连续宏弯耦合结构，可以实现连续，实时的液位测量，不仅具备抗电磁干扰，抗腐蚀、非电测量等普通光纤传感器的优点，更可以满足化学化工生产领域，液体化工品的储藏，装卸，运输等过程中，液位的动态、实时、连续自动化检测需求。

由于光纤宏弯耦合结构目前尚无公开任何针对性的加工工艺和技术，而基于光纤宏弯耦合结构的传感器，需要加工固定以保证该结构的稳定性和鲁棒性，二者直接关系到实际传感器的一致性和使用寿命。此外，由于宏弯耦合结构的传感信号来自于光纤宏弯暗场耦合，其暗场耦合功率极低，当光源功率在20mw左右时，传感信号的功率仅仅在数百nw量级。微弱的传感信号是信噪比降低的主要原因之一，提高传感信号强度，也就是提高暗场耦合功率，可以极大地改善传感系统的信噪比。此外，在连续液位检测的情况下，微弱的传感信号会在光纤的传播过程中进一步衰减，从而影响到传感器的量程。量程是连续式液位传感器的关键性技术参数，大量程连续式光纤液位传感一直以来是国内外未被攻克的技术难点之一。因此为了使光纤宏弯耦合结构加工保证传感器鲁棒性和一致性的同时，实现大幅提升暗场耦合功率，以提高系统信噪比，提高传感器量程，并且降低系统功耗的目的，需要提供一种改进的光纤宏弯耦合结构及其加工方法，来实现上述目的。

发明内容

本发明为了解决基于光纤宏弯耦合结构的传感器稳定性和鲁棒性差、宏弯暗场耦合功率较低、系统功耗高、信噪比降低以及传感器量程较小的问题，提供了一种改进的基于紫外固化胶的光纤宏弯耦合结构及其加工方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：一种基于紫外固化胶的光纤宏弯耦合结构的加工方法，包括以下步骤：

①将有源光纤和无源光纤以固定步长进行双绞，双绞过程中，预留双绞光纤中有源光纤和无源光纤各自的首末端；

②利用高温导线在双绞光纤外部以小于5mm螺距缠绕；

③在双绞光纤首末端位置均匀涂覆硅胶，同时将高温导线的首末端也裹覆在硅胶内，然后在涂抹硅胶处套上热缩套管，静置使硅胶自然固化，使有源光纤、无源光纤、高温导线形成一体式结构；

④在有源光纤与无源光纤的缝隙中均匀注射UV光胶（即紫外固化胶，又称UV光固化胶，通常简称为UV光胶）；

⑤利用紫外光固化灯照射注射了UV光胶的位置，使光胶固化；

⑥将注射入光胶的一体式结构弯曲或者缠绕，形成光纤宏弯耦合结构。

本发明提供的方法构思如下：有源光纤受到弯曲时将发生宏弯辐射效应，导致一部分光能量转变为辐射光，当无源光纤与有源光纤紧密贴合时，辐射光中的一小部分将耦合进入临近的无源光纤内部，我们把通过这种形式耦合进入无源光纤内，并且满足光纤导波条件的光称为宏弯暗场耦合光。试验表明，宏弯暗场耦合光的能量水平相对较低。当光源功率在20mw左右时，宏弯耦合光的功率仅为数百nw。因此，可以通过两种方式增大宏弯暗场耦合光功率：

一、减小有源光纤宏弯半径。这是因为，宏弯半径减小，将导致更多宏弯损耗，更多的光能辐射出有源光纤，导致通过辐射光耦合进入无源光纤内的能量增加。但是，这种方法使得更多的光能通过宏弯辐射损耗在周围环境中，增加了额外的光能损耗，并不能有效地提升系统的光能利用效率。

二、提高宏弯耦合效率。利用高折射率UV光胶（折射率1.5左右，高于sk-40光纤包层折射率1.402）填充有源光纤和无源光纤之间的空气夹层，建立一条由高折射率介质构成的“耦合通道”。这时，大量的光能可以穿过高折射率介质，耦合进入无源光纤。通过该方法，可以实现宏弯耦合功率一个数量级以上的提升。此外，通过紫外灯对光胶的固化，进一步使得有源光源和无源光纤相互粘合为一体式结构，改善了传感器的一致性和鲁棒性。

利用上述两种方法，因此本发明提供的方法详述如下：

①将有源光纤和无源光纤以固定步长进行双绞，双绞过程中，预留双绞光纤中有源光纤和无源光纤各自的首末端；有源光纤首端连接LED光源，无源光纤末端连接探测器接头，其余首端和末端连接黑色遮光帽；这一步可以保证光纤之间的相对位置不发生变化，进而保证传感器的一致性，该步骤中的双绞为机器操作，用于保证固定步长以及双绞的稳定性；黑色遮光帽可以保证没有外来光源来影响测量结果。

②利用高温导线在双绞光纤外部以小于5mm螺距缠绕；这一步的作用是进一步排除两根光纤之间缠绕松动引起的误差，实现光能量的稳定耦合，同时避免光纤因双绞和后续工艺产生的内部应力而导致的光纤崩裂，提高了传感结构的鲁棒性。

③在双绞光纤末端位置均匀涂覆硅胶，同时将高温导线的末端也裹覆在硅胶内，然后在涂抹硅胶处套上热缩套管，静置12小时以上等待硅胶自然固化，使有源光纤、无源光纤、高温导线形成一体式结构；该步骤是为了保证双绞光纤的稳定性。

④利用注射器吸取UV光胶，并在有源光纤与无源光纤的缝隙中均匀注射；该步骤的作用是利用光胶填充两根光纤中间的空气薄层，提高耦合效率。

⑤利用48W紫外光固化灯照射注射了UV光胶的位置2~3min，使光胶固化；但需要注意：照射时应保证紫外光灯与光纤之间的距离不能过近，否则固化灯的高温将超过POF光纤的耐受温度，导致光纤脆化。

⑥将注射入光胶的一体式结构弯曲或者缠绕，形成光纤宏弯耦合结构。

优选的，在步骤⑥中，将光纤宏弯耦合结构在固定载体上弯曲或者缠绕，形成实体结构。

优选的，该固定载体可为圆柱型或者椭圆柱型导体或者绝缘棒体。

优选的，在固定载体上缠绕时，需要等螺距缠绕，而缠绕螺距由量程和测量精度决定：缠绕螺距越大，量程越大，但是测量精度也会下降；缠绕螺距越小，量程也会减小，测量精度相应提高。

同时，本发明提供了一种利用前述方法所制的基于紫外固化胶的光纤宏弯耦合结构，包括有源光纤和无源光纤，所述有源光纤和无源光纤以固定步长进行双绞，形成双绞光纤，双绞后分别预留出有源光纤和无源光纤各自的首末端；所述双绞光纤的外部以小于5mm螺距缠绕高温导线，所述高温导线的首末端通过硅胶和热缩套管分别固定于双绞光纤的首末端，所述双绞光纤的缝隙内注入UV光胶，弯曲或者缠绕，形成光纤宏弯耦合结构。将该结构缠绕在固定载体上，所述固定载体可为圆柱型或者椭圆柱型导体或者绝缘棒载体，例如尼龙棒；通过调整缠绕螺距来调整测量精度和量程，由实验得知，缠绕时需要等距缠绕。

而通过本发明的方法与现有技术相比，带来的技术效果如下：由于紫外固化胶的使用，增加了宏弯耦合结构的耦合能量，增大了宏弯暗场的耦合光功率，提升了信号强度，在连续的缠绕过程中，可以传输更远的距离，测量更高的高度，从而大幅提高连续液位传感器的量程，也提高了系统信噪比，同时在有效提高传感信号强度的同时，光源功率便可以适当降低，因而系统功耗也随之降低；其加工工艺方法也改善了传感器的一致性和鲁棒性。

附图说明

图1表示本发明具体实施例的结构图。

图2表示双绞宏弯耦合传感系统不加光胶的液位响应特性图。

图3表示双绞宏弯耦合传感系统加光胶的液位响应特性图。

图4表示本发明的加工方法流程图。

图中：1-双绞宏弯耦合结构，2-测量容器，3-水，4-光功率计，5-LED光源，6-有源光纤，7-无源光纤，8-黑色遮光帽，9-圆柱尼龙棒。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行说明。

一种基于紫外固化胶的光纤宏弯耦合结构的加工方法，如图4所示，包括以下步骤：

①将有源光纤和无源光纤以固定步长进行双绞，双绞过程中，预留双绞光纤中有源光纤和无源光纤各自的首末端；

②利用高温导线在双绞光纤外部以小于5mm螺距缠绕；

③在双绞光纤首末端位置均匀涂覆硅胶，同时将高温导线的首末端也裹覆在硅胶内，然后在涂抹硅胶处套上热缩套管，静置使硅胶自然固化，使有源光纤、无源光纤、高温导线形成一体式结构；

④在有源光纤与无源光纤的缝隙中均匀注射UV光胶；

⑤利用紫外光固化灯照射注射了UV光胶的位置，使光胶固化；

⑥将注射入光胶的一体式结构弯曲或者缠绕，形成光纤宏弯耦合结构。

利用上述方法制得的光纤宏弯耦合结构，应用优选方案，将该光纤宏弯耦合结构以固定螺距缠绕在固定载体上，将有源光纤的首端连接LED光源，其末端连接黑色遮光帽，无源光纤的首端连接黑色遮光帽，其末端连接探测器；固定载体为导体棒或者绝缘体棒，截面形状为圆状或者椭圆状；步骤⑥中，光纤宏弯耦合结构在固定载体上缠绕的螺距根据所测量程和测量精度来决定。

该实施例为应用本发明的加工方法制造而成的双绞光纤宏弯耦合结构来实现的液位传感系统，为本发明的具体应用实例。

图1为该连续型液位传感系统的实验设置图，它包括光源5、光功率计4、测量容器2以及缠绕在圆柱尼龙棒9上的双绞光纤宏弯耦合结构1。其中：光源5为一个中心波长为660nm的LED光源(Thorlabs, M660F1)，光功率计4为一个分辨率为0.1nW的光功率计(Thorlabs, PM100USB)、测量容器2为一个透明测量容器。利用热缩套管对该双绞光纤的非敏感区域与高温导线的空闲端进行可见光屏蔽；将高折射率UV光胶（折射率1.5，高于sk-40光纤包层折射率1.402）填充在有源光纤和无源光纤之间的空气夹层，并用紫外灯进行照射，使UV光胶固化。将双绞结构一端的有源光纤6连接于光源5，将双绞结构另一端的无源光纤7连接于光功率计4。基于两根双绞光纤(Mitsubishi, SK40)缠绕在一根圆柱尼龙棒9上形成的双绞宏弯耦合结构；将该圆柱尼龙棒9置于测量容器2中，将有源光纤6和无源光纤7的空闲端分别套上黑色遮光帽8，使外来光源对光纤不造成干扰。同时将光源5功率设置为30mW，圆柱尼龙棒9的直径为20mm；根据所测液位的量程和精度，设置光纤宏弯耦合结构缠绕圆柱尼龙棒9的螺距为20mm，测量过程中，使的液位在0mm到350mm之间连续变化，观察无源光纤7相应输出功率即在光功率计4上得出的功率。

图2和图3为光纤宏弯耦合液位传感系统不加光胶与加光胶的液位响应特性图。由两图对比可知，在有源光纤与无源光纤中填充UV光胶后，经光功率计4检测，无源光纤7的初始输出功率从677nW提升到10149nW，灵敏度也从-1.168nW/mm增加到-11.978nW/mm，通过计算机采集光功率计4的数据，经过计算，可以得出液位数据。该光纤宏弯耦合液位传感系统在扩大测量量程的同时还提高了灵敏度，提高了宏弯耦合功率。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于紫外固化胶的光纤宏弯耦合结构的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：

①将有源光纤和无源光纤以固定步长进行双绞，双绞过程中，预留双绞光纤中有源光纤和无源光纤各自的首末端；

②利用高温导线在双绞光纤外部以小于5mm螺距缠绕；

③在双绞光纤首末端位置均匀涂覆硅胶，同时将高温导线的首末端也裹覆在硅胶内，然后在涂抹硅胶处套上热缩套管，静置使硅胶自然固化，使有源光纤、无源光纤、高温导线形成一体式结构；

④在有源光纤与无源光纤的缝隙中均匀注射UV光胶；

⑤利用紫外光固化灯照射注射了UV光胶的位置，使光胶固化；

⑥将注射入光胶的一体式结构弯曲或者缠绕，形成光纤宏弯耦合结构。

2.根据权利要求1所述的基于紫外固化胶的光纤宏弯耦合结构的加工方法，其特征在于：步骤⑥中，将光纤宏弯耦合结构弯曲或者缠绕在固定载体上。

3.根据权利要求1所述的基于紫外固化胶的光纤宏弯耦合结构的加工方法，其特征在于：所述有源光纤的首端连接LED光源、其末端连接黑色遮光帽；所述无源光纤的首端连接黑色遮光帽、其末端连接探测器。

4.根据权利要求2所述的基于紫外固化胶的光纤宏弯耦合结构的加工方法，其特征在于：所述固定载体为导体棒或者绝缘体棒，其截面形状为圆状或者椭圆状。

5.根据权利要求2所述的基于紫外固化胶的光纤宏弯耦合结构的加工方法，其特征在于：所述光纤宏弯耦合结构在固定载体上缠绕为等螺距缠绕。

6.一种基于紫外固化胶的光纤宏弯耦合结构，其特征在于：包括有源光纤和无源光纤，所述有源光纤和无源光纤以固定步长进行双绞，形成双绞光纤后分别预留出有源光纤和无源光纤各自的首末端；所述双绞光纤的外部以小于5mm螺距缠绕高温导线，所述高温导线的首末端通过硅胶和热缩套管分别固定于双绞光纤的首末端，所述双绞光纤的缝隙内注入UV光胶，弯曲或者缠绕，形成光纤宏弯耦合结构。

7.根据权利要求6所述的基于紫外固化胶的光纤宏弯耦合结构，其特征在于：所述光纤宏弯耦合结构弯曲或者缠绕在固定载体上。

8.根据权利要求7所述的基于紫外固化胶的光纤宏弯耦合结构，其特征在于：所述固定载体为导体棒或者绝缘体棒，截面形状为圆状或者椭圆状。

9.根据权利要求7所述的基于紫外固化胶的光纤宏弯耦合结构，其特征在于：所述光纤宏弯耦合结构在固定载体上为等螺距缠绕。

10.根据权利要求9所述的基于紫外固化胶的光纤宏弯耦合结构，其特征在于：所述光纤宏弯耦合结构在固定载体上以螺距为20mm等螺距缠绕。