CN108168583A - 基于化学腐蚀结合放电熔接制备的双参数光纤传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于化学腐蚀结合放电熔接制备的双参数光纤传感器,本发明基于氢氟酸腐蚀不同光纤端面并对其进行放电熔接制得光纤传感结构,实现温度和应变双参数实时监测的传感测量,该双参量传感器结构简单,制作成本低,测量稳定性好,对应力和温度的交叉敏感问题,具有较高的参考价值,同时在航空航天,生物医学检测以及大型建筑健康监测等方面都具有重要的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域,特别涉及一种基于化学腐蚀结合放电熔接制备的双参数光纤传感器。
背景技术
光纤具有轻巧,灵敏、抗强电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、信号衰减小等特点,现在已经被人们广泛应用于传感领域。光纤用于传感,可以组网,易于实现智能化,集信息传输与传感于一体,可有效解决常规检测技术难以完全胜任的测量问题。
相对于传统的传感器,光纤传感器具有测量精度高,响应速度快,质量轻,体积小,不易受电磁干扰等优点,受到科学界广泛关注。其中,干涉型传感器测量灵敏度高,具有很快的响应速度,被广泛应用于温度、折射率、应变、曲率和湿度等参数的测量。其中,温度和应变是对于材料本身非常重要两个参数,在航空航天,石油勘探、生物医疗以及大型建筑及飞行器的健康监测等领域都需要对材料的温度和应变进行测量,迄今为止,测量温度和应变的方法有很多。由于干涉型传感器自身的优点以及光纤微结构的发展,基于光纤微结构的光纤干涉型传感器受到广泛青睐。
目前制作光纤微结构传感器的方法主要有熔接放电法、化学腐蚀法和激光加工法。其中化学腐蚀法主要是利用氢氟酸腐蚀光纤制作光纤传感器,化学腐蚀法操作简单,制作成本低,近年来受到广泛关注。利用化学腐蚀法制作的光纤传感器,并研究传感器的传感特性具有重要意义。
因此,需要一种结构简单、可实现温度和应变双参数实时监测的传感测量的基于化学腐蚀结合放电熔接制备双参数光纤传感器。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明提供一种基于化学腐蚀结合放电熔接法制备双参数光纤传感器的方法,包括如下步骤:
步骤一:将第一单模光纤和第二单模光纤去除涂覆层,并将光纤端面切平,固定在支架上;
步骤二:将上述单模光纤端面放入40%浓度氢氟酸中腐蚀20min,得到光纤凹槽;
步骤三:将腐蚀过的光纤端面从氢氟酸中取出,先放入蒸馏水中清洗,再放入超声波清洗机中清洗,防止继续腐蚀;
步骤四:利用光纤熔接机将腐蚀过的第一单模光纤端面与第二单模光纤的未腐蚀端面进行熔接,得到F-P腔结构;
步骤五:调节光纤熔接机的放电参数,使所述光纤F-P腔结构只有一个谐振波谷,并通过放电参数调节其波峰位置,进而所述光纤F-P墙结构与腐蚀过的第二单模光纤端面的凹槽构成传感结构,得到双参数光纤传感器。
优选地,所述第一单模光纤采用Corning公司生产的SMF-28光纤。
优选地,所述第二单模光纤采用Corning公司生产的HI-1060单模光纤。
根据本发明的另一方面,本发明还提供一种双参数光纤传感器,包括第一单模光纤和第二单模光纤,所述第一单模光纤的末端设置有凹槽,所述第二单模光纤的一端切平,另一端设置有凹槽,所述第一单模光纤的凹槽与第二单模光纤的切平端相对熔接,构成光纤F-P腔,所述光纤F-P结构与第二单模光纤的凹槽构成传感结构。
优选地,所述光纤F-P腔的腔长为20μm。
优选地,所述第二单模光纤纤芯半径5.8μm,凹槽深度为45μm。
优选地,所述第一单模光纤采用Corning公司生产的SMF-28光纤。
优选地,所述第二单模光纤采用Corning公司生产的HI-1060单模光纤。
相比于现有技术,本发明的有益效果是:
1、制备得到的双参量传感器结构简单,测量稳定性好,对应力和温度的交叉敏感问题,具有较高的参考价值,同时在航空航天,生物医学检测以及大型建筑健康监测等方面都具有重要的应用价值。
2、采用化学腐蚀不同光纤端面并对其进行放电熔接的方法制备双参量传感器,操作简单,制作成本低,可实现温度和应变双参数实时监测的传感测量。
应当理解,前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释,并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图,本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明,其中:
图1示出了本发明的基于化学腐蚀结合放电熔接法制备的温度、应变双参数光纤传感器的结构示意图。
图2示出了本发明的温度、应变双参数光纤传感器的特性检测系统示意图。
图3示出了本发明的温度、应变双参数光纤传感器的反射谱图。
图4示出了本发明的温度、应变双参数光纤传感器的温度传感特性图。
图5示出了本发明的温度、应变双参数光纤传感器应变传感特性图。
具体实施方式
通过参考示范性实施例,本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而,本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例;可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中,将参考附图描述本发明的实施例。在附图中,相同的附图标记代表相同或类似的部件,或者相同或类似的步骤。
参见图1,本发明提供一种基于化学腐蚀结合放电熔接法制备的双参数光纤传感器,包括第一单模光纤和第二单模光纤,所述第一单模光纤的末端设置有凹槽,所述第二单模光纤的一端切平,另一端设置有凹槽,所述第一单模光纤的凹槽与第二单模光纤的切平端相对熔接,构成光纤F-P腔,所述光纤F-P结构与第二单模光纤的凹槽构成传感结构,如图1所示。
具体地,所述第一单模光纤采用Corning公司生产的SMF-28光纤;所述第二单模光纤采用Corning公司生产的HI-1060单模光纤。所述光纤F-P腔的腔长为20μm;所述第二单模光纤的凹槽的深度为45μm。
根据本发明的另一个方面,还提供一种基于化学腐蚀结合放电熔接法制备双参数光纤传感器的方法,包括如下步骤:
步骤一:将第一单模光纤和第二单模光纤去除涂覆层,并将光纤端面切平,固定在支架上;
步骤二:将上述单模光纤端面放入40%浓度氢氟酸中腐蚀20min,得到光纤凹槽;
步骤三:将腐蚀过的光纤端面从氢氟酸中取出,先放入蒸馏水中清洗,再放入超声波清洗机中清洗,防止继续腐蚀;
步骤四:利用光纤熔接机将腐蚀过的第一单模光纤端面与第二单模光纤的未腐蚀端面进行熔接,得到F-P腔结构;
步骤五:调节光纤熔接机的放电参数,使所述光纤F-P腔结构只有一个谐振波谷,并通过放电参数调节其波峰位置,进而所述光纤F-P墙结构与腐蚀过的第二单模光纤端面的凹槽构成传感结构,得到双参数光纤传感器。
具体地,所述第一单模光纤采用Corning公司生产的SMF-28光纤。所述第二单模光纤采用Corning公司生产的HI-1060单模光纤。
参见图2-图5,分别设计不同温度及不同应变对传感器的温度特性以及应变特性进行分析研究。
温度特性分析
利用制作好的双参数光纤传感器搭建传感系统以完成温度特性曲线研究。所述传感系统包括:宽带光源100、1×2光纤耦合器200、光谱仪400、双参数光纤传感器300、加热平台;所述双参数光纤传感器300通过1×2耦合器200与宽带光源100和光谱仪400连接,将双参数光纤传感器300的传感结构310平直无应力放在加热台500上,如图2所示;
具体操作如下:
为避免其他变量的影响,实验在超净间内完成。将连接好的光纤传感器平放在加热平台上,在100~300温度范围内,测量传感器反射光谱波长的漂移量。待温度稳定后记录光谱仪400中光谱数据。
由图3、图4可知:随着温度的增加,光纤F-P结构形成的的谐振波长不发生漂移,HI-1060末端凹槽形成谐振波长发生红移。根据不同谐振波谷波长漂移特征便可得到该传感器的温度以及应变传感特性。
应变特性曲线研究
参见图2,利用制作好的双参数光纤传感器搭建传感系统以完成应变特性曲线研究。所述应变测试系统包括1×2耦合器200、光谱仪400、光源100和等强度梁。将所制备的双参数光纤传感器300通过1×2耦合器200与光谱仪400和光源100连接,由光谱仪400检测双参数光纤传感器300的波长偏移量,所述光谱仪400的工作波长范围1200nm~2400nm,如图2所示。
具体操作如下:
首先给予双参数光纤传感器300一定的预紧力并将其固定住,用低温胶将传感器两端固定,在室温下固化24小时,整个实验在超净间完成,避免湿度等其他参数的影响。
将双参数光纤传感器300粘贴于等强度梁后,在恒温环境下对等强度梁进行加载卸载标定实验。所述等强度梁还包括微分头,微分头控制的行程范围为0~25mm,实验中等强度梁端头微分头每次改变1mm,等强度梁在水平方向上的形变为40με。为使实验数据更准确,采用相对应变值,即先将微分头调制光谱图中反射谱线移动开始记为初始值,拧动微分头对双参数光纤传感器300进行加载和卸载,在0~500με应变范围内,用光谱仪400采集加载以及卸载反射谱。
由图5可知:应变的增加,光纤F-P形成的谐振波长发生红移。根据不同谐振波谷波长漂移特征便可得到该传感器的温度以及应变传感特性。综上:随着温度增加波长红移,应变增加,波长红移。
本发明基于氢氟酸腐蚀不同光纤端面并对其进行放电熔接制得光纤传感结构,实现温度和应变双参数实时监测的传感测量,该双参量传感器结构简单,制作成本低,测量稳定性好,对应力和温度的交叉敏感问题,具有较高的参考价值,同时在航空航天,生物医学检测以及大型建筑健康监测等方面都具有重要的应用价值。
结合这里披露的本发明的说明和实践,本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的,本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。
Claims (8)
1.一种基于化学腐蚀结合放电熔接法制备双参数光纤传感器的方法,包括如下步骤:
步骤一:将第一单模光纤和第二单模光纤去除涂覆层,并将光纤端面切平,固定在支架上;
步骤二:将上述单模光纤端面放入40%浓度氢氟酸中腐蚀20min,得到光纤凹槽;
步骤三:将腐蚀过的光纤端面从氢氟酸中取出,先放入蒸馏水中清洗,再放入超声波清洗机中清洗,防止继续腐蚀;
步骤四:利用光纤熔接机将腐蚀过的第一单模光纤端面与第二单模光纤的未腐蚀端面进行熔接,得到F-P腔结构;
步骤五:调节光纤熔接机的放电参数,使所述光纤F-P腔结构只有一个谐振波谷,并通过放电参数调节其波峰位置,进而所述光纤F-P墙结构与腐蚀过的第二单模光纤端面的凹槽构成传感结构,得到双参数光纤传感器。
2.根据权利要求1所述的制备双参数光纤传感器的方法,其特征在于,所述第一单模光纤采用SMF-28光纤。
3.根据权利要求1所述的制备双参数光纤传感器的方法,其特征在于,所述第二单模光纤采用HI-1060单模光纤。
4.一种基于化学腐蚀结合放电熔接法制备的双参数光纤传感器,其特征在于,包括第一单模光纤和第二单模光纤,所述第一单模光纤的末端设置有凹槽,所述第二单模光纤的一端切平,另一端设置有凹槽,所述第一单模光纤的凹槽与第二单模光纤的切平端相对熔接,构成光纤F-P腔,所述光纤F-P结构与第二单模光纤的凹槽构成传感结构。
5.根据权利要求4所述的双参数光纤传感器,其特征在于,所述光纤F-P腔的腔长为20μm。
6.根据权利要求4所述的双参数光纤传感器,其特征在于,所述第二单模光纤纤芯半径5.8μm,凹槽深度为45μm。
7.根据权利要求4所述的双参数光纤传感器,其特征在于,所述第一单模光纤采用SMF-28光纤。
8.根据权利要求4或6所述的双参数光纤传感器,其特征在于,所述第二单模光纤采用HI-1060单模光纤。
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