CN108195483A - 一种实现温度和应变测量的光纤f-p传感器制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种实现温度和应变测量的光纤F‑P传感器制作方法包括：在高精度三维运动平台上固定光纤夹具，将去除涂层的HI‑1060光纤固定在光纤夹具上；800nm飞秒激光器以划线的方式发射飞秒激光，所述飞秒激光依次穿过所述半波片、偏振片、衰减片和窗口，经所述高反镜反射后由45倍的显微镜聚焦至所述光纤夹具上的HI‑1060光纤，对所述HI‑1060光纤划线刻写；在所述高反镜正上方布置电荷耦合器件，所述电荷耦合器观测激光的聚焦位置和激光对所述夹具上HI‑1060光纤的加工形貌。本发明制作的光纤F‑P传感器具有更高的温度灵敏度和应变灵敏度。

Description

一种实现温度和应变测量的光纤F-P传感器制作方法
技术领域
本发明涉及光纤传感器技术领域，特别涉及一种实现温度和应变测量的光纤F-P传感器制作方法。
背景技术
近年来，光纤传感器由于具有质量轻、体积小、抗腐蚀、抗电磁干扰和灵敏度高等优点，已经广泛应用于物理、化学和生物传感领域，利用光纤传感器实现温度、应变、折射率、相对湿度和压强等多参数的测量。现有技术中对实现两种参数测量的传感器制备方法有以下几种情况：
在单模光纤上分别熔接两个球形结构并在单模光纤中间熔接一段细芯光纤制作马赫-曾德(Mach-Zehnder,M-Z)干涉传感器实现对应变和温度的同时测量
利用光纤锥形结构和球形结构相结合的方式制作了M-Z干涉传感器，并将该M-Z传感器与布拉格光纤光栅级联的方式实现了液位与温度的双参数测量。
利用将拉锥处理的单模光纤与多模光纤结合制作了光纤M-Z干涉传感器实现了对温度和液位的双参数同时测量。
利用单模光纤、多模光纤和光子晶体光纤制作了集成光纤法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)干涉仪与M-Z干涉仪的光纤传感器，通过分别观测F-P干涉仪的反射光谱与M-Z干涉仪的透射光谱，实现对折射率和温度的双参数测量。
现有技术中实现温度和应变测量的光纤F-P传感器较少，而且现有技术中的实现双参数测量的传感器，在测量温度和应变时，其测量精度相对较低。
因此，为了解决上述问题，需要一种实现温度和应变测量的光纤F-P传感器制作方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实现温度和应变测量的光纤F-P传感器制作方法，所述方法包括：
在高精度三维运动平台上固定光纤夹具，将去除涂层的HI-1060光纤固定在所述光纤夹具上；
在所述光纤夹具正上方布置高反镜，在所述高反镜前端依次布置800nm飞秒激光器、半波片、偏振片、衰减片和用于激光穿过的窗口，所述800nm飞秒激光器以划线的方式发射飞秒激光，所述飞秒激光依次穿过所述半波片、偏振片、衰减片和窗口，经所述高反镜反射后由45倍的显微物镜聚焦至所述光纤夹具上的HI-1060光纤，对所述HI-1060光纤划线刻写，得到刻写长度为25μm，腔长为80μm的光纤F-P传感器；
在所述高反镜正上方布置电荷耦合器件，所述电荷耦合器观测激光的聚焦位置和激光对所述夹具上HI-1060光纤的加工形貌。
优选地，所述HI-1060光纤介于测试宽带光源与测试光谱分析仪之间，所述HI-1060光纤一端连接所述测试宽带光源，另一端连接所述测试光谱分析仪，所述测试光谱分析仪实时观测所述测试宽带光源发射的测试激光的反射光谱。
优选地，所述HI-1060光纤通过环形器连接测试宽带光源和测试光谱分析仪，所述测试光谱分析仪实时观测所述测试宽带光源发射的测试激光的反射光谱。
优选地，所述测试宽带光源发射的测试激光的波长范围为1530nm～1600nm。
优选地，所述测试光谱分析仪的工作波长范围为1200nm～2400nm，最小分辨精度为0.05nm。
优选地，在所述HI-1060光纤刻写过程中，控制所述高精度三维运动平台的移动和所述窗口的闭合/开启，制作不同腔长的光纤F-P传感器。
7、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述显微物镜的放大倍数为100倍，数值孔径为0.70。
优选地，在所述光纤夹具的上方和下方分别安装LED照明设备。
优选地，所述800nm飞秒激光器发射的飞秒激光的单脉冲能量为5μJ，加工速度为80um/s，刻写长度为40μm。
本发明一种光纤F-P传感器测量应变的方法，利用800nm飞秒激光器制作光纤F-P传感器进行应变测量，由于本发明制作光纤F-P传感器的干涉条纹对比度相对较高，具有更高温度灵敏度和应变灵敏度，使温度测量结果和应变测量结果的精度更高。
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示意性示出了本发明制作F-P传感器的示意图；
图2示出了本发明制作的光纤F-P传感器的结构示意图；
图3示出了本发明制作的光纤F-P传感器常温下的反射光谱示意图；
图4示出了本发明使用光纤F-P传感器进行温度测量和应变测量的示意图；
图5示出了本发明一个实施例中制作的光纤F-P传感器不同温度下的反射光谱示意图；
图6示出了本发明一个实施例中光纤F-P传感器不同特征波谷的波长漂移量与温度的变化关系曲线；
图7示出了本发明一个实施例中制作的光纤F-P传感器不同应变下的反射光谱示意图；
图8示出了本发明一个实施例中光纤F-P传感器不同特征波谷的波长漂移量与应变的变化关系曲线。
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，相关技术术语应当是本领域技术人员所熟知的。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，除非另有说明。下面通过具体的实施例对本发明的内容进行说明，如图1所示本发明制作F-P传感器的示意图，根据本发明一种实现温度和应变测量的光纤F-P传感器制作方法包括：
在高精度三维运动平台101上固定光纤夹具(图中未示出)，将去除涂层的HI-1060光纤102固定在光纤夹具上。
在光纤夹具正上方布置高反镜104，在高反镜前端依次布置800nm飞秒激光器105、半波片106、偏振片107、衰减片108和用于激光穿过的窗口109，800nm飞秒激光器105以划线的方式发射飞秒激光，飞秒激光依次穿过半波片106、偏振片107、衰减片108和窗口109，经高反镜104反射后由45倍的显微物镜103聚焦至光纤夹具上的HI-1060光纤102，对HI-1060光纤102划线刻写，得到刻写长度为25μm，腔长为80μm的光纤F-P传感器。优选地，实施例中使用的HI-1060光纤102纤芯直径为20um，包层直径为125um。
在高反镜104正上方布置电荷耦合器件110，电荷耦合器110观测激光的聚焦位置和激光对夹具上HI-1060光纤102的加工形貌。在光纤夹具的上方和下方分别安装LED照明设备，以保证电荷耦合器件准确观测到飞秒激光光斑在HI-1060光纤102中的聚焦位置和光纤的加工形貌。
根据本发明的实施例，优选地800nm飞秒激光器105选用激光器中心波长800nm、脉冲宽度35fs、重复频率1kHz的钛蓝宝石飞秒激光器，发射的飞秒激光的单脉冲能量为5μJ，加工速度为80um/s，刻写长度为40μm。
在一些实施例中，HI-1060光纤102介于测试宽带光源111与测试光谱分析仪112之间，HI-1060光纤102一端连接测试宽带光源111，另一端连接测试光谱分析仪112，测试光谱分析仪实时观测测试宽带光源发射的测试激光的反射光谱。
在另一些实施例中HI-1060光纤102通过环形器连接测试宽带光源和测试光谱分析仪，所述测试光谱分析仪实时观测所述测试宽带光源发射的测试激光的反射光谱。
应当理解，上述制作光纤线F-P传感器的过程中，测试宽带光源111发射测试激光，测试光谱分析仪112实时观测测试激光的反射光谱，同时控制高精度三维运动平台101的移动和窗口109的闭合/开启，制作不同腔长的光纤F-P传感器。根据本发明的实施例，测试宽带光源111发射的测试激光的波长范围为1530nm～1600nm。测试光谱分析仪的工作波长范围为1200nm～2400nm，最小分辨精度为0.05nm。显微物镜的放大倍数为45倍，数值孔径为0.75。
如图2所示本发明制作的光纤F-P传感器的结构示意图，本发明制作的光纤F-P传感器201具有两个锥形槽202，两个锥形槽202构成了F-P的两个反射端面，两个锥形槽202的反射光会在纤芯203中发生耦合。两束反射光的相位差异产生不同的干涉光强，对应反射光谱的不同峰值，形成干涉光谱。
图3示出了本发明制作的光纤F-P传感器常温下的反射光谱示意图，实施例中通过上述制作F-P传感器的方法，由飞秒激光的加工速度为80μm/s，刻线长度为25μm制作的腔长为80μm、干涉条纹对比度大于10dB的光纤F-P传感器。从图中可以看出，光纤F-P干涉传感器的两个特征波谷的波长分别为1571.77nm和1585.27nm，干涉条纹对比度大于10dB。
下面首先对实施例中的制作的光纤F-P传感器的温度测量和应变测量进行理论分析，
当光纤F-P传感器的两个锥形反射槽的相位差满足π的奇数倍时，干涉强度取最小值，即：
其中，I1和I2分别表示两个锥形槽的反射光强；L是F-P腔的腔长；n为纤芯的有效折射率；为两束反射光的初始相位差；m为整数；λm为干涉光谱中波谷的对应波长。
使nL对λm进行求导运算可得：
式中，Δ(nL)表示F-P腔内光程变化量，Δλm为干涉光谱中波谷的波长漂移量。
当外界环境温度变化时，由于热光效应和热膨胀效应，光纤F-P干涉传感器的光程差会发生变化，即：
Δ(nL)＝nL(ξ+α)·ΔT (3)
其中，ξ和α分别为光纤的热光系数和热膨胀系数。
将式(3)带入式(2)可得波谷波长漂移量与温度变化量的关系：
Δλm＝(ξ+α)·ΔT·λm (4)
当传感器所受外界应变改变时，由于应变效应和光弹效应，光纤F-P传感器的腔长和折射率会发生改变，导致光程发生改变：
Δ(nL)＝nL(k+ρ)·Δε (5)
式中，k和ρ分别是光纤材料的应变系数和光弹系数。
将式(5)带入式(2)可得波长漂移量与应变变化量的关系：
Δλm＝(k+ρ)·Δε·λm (6)
由式(4)和式(6)可以得出，不同波谷的特征波长对应变和温度的响应灵敏度不同。因此，可以通过F-P传感器不同波谷的特征波长漂移变化量，结合灵敏度系数矩阵实现对温度和应变同时测量。F-P干涉传感器的灵敏度系数矩阵为：
式中，Δλ1和Δλ2分别特征波谷A和特征波谷B对应波长的漂移量；kT1、kT2和kε1、kε2分别为干涉波谷1和干涉波谷2的温度和应变灵敏度；ΔT和Δε分别为干涉波谷1和干涉波谷2的温度和应变的变化量。
对式(7)灵敏度系数矩阵进行转置运算可得：
其中，D＝kT1kε2-kε1kT2。由式(8)可知，通过测量不同特征波谷的波长漂移量就可以实现对外界温度和应变的同时测量。将波谷A和波谷B的温度和应变响应灵敏度代入式(8)可得：
因此可以通过观察干涉光谱中波谷波长的漂移量，结合温度、应变响应灵敏度和敏感系数矩阵，实现对温度和应变的同时测量。
根据本发明的实施例，利用制作的光纤F-P传感器进行温度和应变同时测量，如图4所示本发明使用光纤F-P传感器进行温度测量和应变测量的示意图，测量过程按照如下方法进行：
搭建测试系统，测试系统包括宽带光源402、环形器404、光纤F-P传感器201、加热平台401、移动拉伸平台和光谱分析仪403。
将光纤F-P传感器201固定在加热平台401上，同时移动拉伸平台固定光纤F-P传感器201的两端。改变加热平台的温度，同时左右移动所述移动拉伸平台。测量过程中，精确温度值为0.1℃。
光谱分析仪403实时观测并记录光纤F-P传感器201的反射光谱，根据的到反射光谱得到对应的温度值和应变值。
实施例中，制作的光纤F-P传感器腔长为80μm，加热平台的温度变化范围为30℃-150℃，温度采样间隔为30℃，利用光谱分析仪记录F-P传感器在不同温度下的反射光谱。
如图5所示本发明一个实施例中制作的光纤F-P传感器不同温度下的反射光谱示意图，如图6本发明一个实施例中光纤F-P传感器不同特征波谷的波长漂移量与温度的变化关系曲线。从图中可以看出，在30℃-150℃范围内，特征波谷A对应波长向长波方向移动1.073nm；特征波谷B对应波长向长波方向移动1.112nm，两个干涉波谷均发生红移。图6中(a)为特征波谷A对应波长漂移量与温度的拟合曲线，(b)为特征波谷B对应波长漂移量与温度的拟合曲线。其中，波谷A和波谷B的温度灵敏度分别为8.72pm/℃和9.18pm/℃，拟合系数分别为0.98473和0.99554，由此可见，利用本发明制作的光纤F-P传感器两个特征波谷的波长漂移量与温度有良好的线性关系。
实施例中，通过左右拉伸移动拉伸平台，改变光纤纤F-P传感器上的应变量，分别采集应变量为50με、150με、250με、350με和450με时波谷A和波谷B的波长漂移量。为了防止温度对传感器产生影响，实施例中在温度为20℃的超净间完成。
如图7所示本发明一个实施例中制作的光纤F-P传感器不同应变下的反射光谱示意图，图8示出了本发明一个实施例中光纤F-P传感器不同特征波谷的波长漂移量与应变的变化关系曲线。从图中可以看出，在50με-450με范围内，波谷A和波谷B分别向长波方向移动了0.599nm和0.694nm。图8中(a)为特征波谷A的波长漂移量与应变的拟合曲线，(b)为特征波谷B的波长漂移量与应变的拟合曲线。其中，波谷A和波谷B的波长灵敏度分别为1.50pm/με和1.68pm/με，拟合系数分别为0.99126和0.99317，由此可见，利用本发明制作的光纤F-P传感器两个特征波谷漂移量与应变之间有良好的线性关系。
本发明一种光纤F-P传感器测量应变的方法，利用800nm飞秒激光器制作光纤F-P传感器进行应变测量，由于本发明制作光纤F-P传感器的干涉条纹对比度相对较高，具有更高温度灵敏度和应变灵敏度，使温度测量结果和应变测量结果的精度更高。
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 (9)

1.一种实现温度和应变测量的光纤F-P传感器制作方法，其特征在于，所述方法包括：
在高精度三维运动平台上固定光纤夹具，将去除涂层的HI-1060光纤固定在所述光纤夹具上；
在所述光纤夹具正上方布置高反镜，在所述高反镜前端依次布置800nm飞秒激光器、半波片、偏振片、衰减片和用于激光穿过的窗口，所述800nm飞秒激光器以划线的方式发射飞秒激光，所述飞秒激光依次穿过所述半波片、偏振片、衰减片和窗口，经所述高反镜反射后由45倍的显微物镜聚焦至所述光纤夹具上的HI-1060光纤，对所述HI-1060光纤划线刻写，得到刻写长度为25μm，腔长为80μm的光纤F-P传感器；
在所述高反镜正上方布置电荷耦合器件，所述电荷耦合器观测激光的聚焦位置和激光对所述夹具上HI-1060光纤的加工形貌。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述HI-1060光纤介于测试宽带光源与测试光谱分析仪之间，所述HI-1060光纤一端连接所述测试宽带光源，另一端连接所述测试光谱分析仪，所述测试光谱分析仪实时观测所述测试宽带光源发射的测试激光的反射光谱。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述HI-1060光纤通过环形器连接测试宽带光源和测试光谱分析仪，所述测试光谱分析仪实时观测所述测试宽带光源发射的测试激光的反射光谱。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述测试宽带光源发射的测试激光的波长范围为1530nm～1600nm。
5.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述测试光谱分析仪的工作波长范围为1200nm～2400nm，最小分辨精度为0.05nm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述HI-1060光纤刻写过程中，控制所述高精度三维运动平台的移动和所述窗口的闭合/开启，制作不同腔长的光纤F-P传感器。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述显微物镜的放大倍数为45倍，数值孔径为0.75。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述光纤夹具的上方和下方分别安装LED照明设备。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述800nm飞秒激光器发射的飞秒激光的单脉冲能量为5μJ，加工速度为80um/s，刻写长度为40μm。
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