CN108413995A - 微纳米光纤efpi传感器f-p腔体制作装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种属于光纤传感技术领域的一种微纳米光纤EFPI传感器F‑P腔体制作装置及方法。所述装置由扩束准直聚焦光路和制作平台组成，所述光路包括激光器、扩束准直镜、微调机构、反射镜、聚焦透镜，用于将一束发散的激光束扩束准直聚焦为微米级的平行激光束；所述制作平台包括水平、竖直旋转台和直线滑台，用于实现膜片切割、膜片与毛细管熔接以及光纤与毛细管熔接等一体化集成制作。所述方法将整形后的激光光束均匀辐射至制作平台焊件表面，利用制作平台一体化集成构造对光纤EFPI传感器进行精密熔接密封。本发明制作过程一体集成连续，操作简单方便，有效保证焊点均匀，利用微米级腔长调节技术可实现实时监测、自动反馈功能，具有重要的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种微纳米光纤EFPI传感器F-P腔体制作装置及方法。
背景技术
随着光纤通讯技术在国防科工领域的不断发展，使得光纤传感器也得到了广泛的应用，相比于其他传感器，光纤传感器具备零电磁干扰的特性，尤其适用于电力系统在线监测与故障诊断。光纤传感技术以石英玻璃光纤为传光媒介，利用光信号对外界变化信号的感知探测能力，并利用光电转换技术来对应变光信号进行处理，解调出外界参量变化信号。光纤传感型传感器由于结构紧凑无需专用探测敏感元件、光纤利用率高以及检测灵敏度高的优点得到了广泛的应用与改进。热量、压强、声场能量、磁能、电流、电压以及图形像素等外界参量变化信号均可被光纤探测感知，由此也发展改进出了各种诸如温敏、压感、测距的专用的传感器。1981年TOSHIHIKO YOSHINO和YOTAKA OHNO将F-P干涉仪理论实物化为F-P光纤传感器并验证其具有可靠工作能力。各国研究人员和学者通过改进F-P干涉仪结构、改良制作工艺，研究出多种性能稳定、高探测灵敏度、耐受恶劣环境的光纤传感器，取得了丰硕的成果。在过去近30年间，多种粘合技术被应用到光纤传感器的制作工序中，根据所用粘合剂的不同，粘合固定技术可分为以下几种：环氧胶固定、玻璃焊料固定和阳极键合等方法。这些方法由于引入了不同热膨胀系数的材料，增加了热膨胀应力对结构的破坏，影响了固定前后的结构连续性，并且不耐高温，难以应用在复杂物理化学环境中。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种微纳米光纤EFPI传感器F-P腔体制作装置及方法，其特征在于，
一种微纳米光纤EFPI传感器F-P腔体制作装置，包括：激光扩束准直聚焦光路和传感器制作平台，
所述激光扩束准直聚焦光路由三部分组成，第一部分为二氧化碳激光器1，作为焊接激光热源；第二部分由扩束准直镜2、扩束准直镜筒3、4个顶丝4组成，所述扩束准直镜2位于扩束准直镜筒3的前端，通过扩束准直镜筒3上的4个顶丝4来调节入射到反射镜6上的激光束位置和角度；第三部分包括竖直方向依次连接的微调机构5、反射镜6、聚焦透镜7、镜筒8、聚焦透镜9；所述反射镜6与水平线呈45°夹角；所述镜筒8开2个孔，分别放置两个焦距可替换的聚焦透镜7和聚焦透镜9，用于调节激光光斑的大小，经聚焦后的激光光束光斑焦点位置保持不变；
所述传感器制作平台位于激光扩束准直聚焦光路的下方，由竖直旋转台10、水平旋转台11、L型支架12、直线滑台13组成；所述竖直旋转台10、水平旋转台11与直线滑台13依次固定在L型支架12上；其中，竖直旋转台10与水平旋转台11相互独立呈面垂直，竖直旋转台10与直线滑台13呈面平行；所述激光扩束准直聚焦光路将经过反射镜6和聚焦透镜整形后的光束作用于传感器制作平台上，对传感器进行激光熔接。
所述竖直旋转台10表面有4个螺孔，呈中心对称分布，利用4个螺孔将夹具固定在竖直旋转台10的表面。
所述二氧化碳激光器1发射出发散度为5mrad，尺寸为3.6mm的CO2激光。
所述激光扩束准直聚焦光路用于将一束发散的高斯激光束经由扩束准直镜2变为尺寸增大、发散角减小的平行激光束，再经由45°反射镜6变为竖直向下照射并且尺寸及发散角不变的激光光束，再经由聚焦透镜7和聚焦透镜9扩束准直聚焦为光斑直径最小为55微米的平行激光束。
所述传感器制作平台用于膜片切割、膜片与毛细管熔接以及光纤与毛细管熔接的一体化集成制作。
所述镜筒8中内置距离微调装置，用于对聚焦透镜7在竖直方向上进行距离微调，使激光聚焦光斑的空间在竖直方向高度调节。
一种微纳米光纤EFPI传感器F-P腔体制作方法，所述方法包括膜片与毛细管的熔接和光纤与毛细管的熔接两部分工序，具体制作方法如下所述：
步骤1：调节扩束准直镜筒3上4个顶丝4的嵌入深度，进而调整入射到反射镜6上的激光束位置和角度；
步骤2：调整二氧化碳激光器1发射激光的功率以及占空比，根据激光照射点的位置，调节镜筒8的空间位置，使其位于水平旋转台11上表面内孔边缘处的正上方，调节微调机构5，使有机玻璃上的光斑尺寸达到最小；
步骤3：在扩束准直聚焦光路位置固定传感器，将膜片与毛细管竖直固定在竖直旋转台10的夹具上，夹具与竖直旋转台10通过螺孔固定，当激光光束的焦点汇聚于膜片表面时，利用控制卡调节二氧化碳激光器1的出射功率及占空比，经过水平旋转台11带动膜片与毛细管旋转一周，激光随之将其熔接固定，完成膜片与毛细管的焊接制作；
步骤4：更换夹具，将熔接好的带膜片的毛细管水平固定在竖直旋转台10上的夹具的内孔中，将膜片密封的一侧放置于靠近旋转台的一侧，并利用顶丝固定，将光纤固定在直线滑台13上，使光纤中心与毛细管中心保持一致的同心度，将光纤的一端插入毛细管中，使激光光束的焦点位于光纤与毛细管连接处的表面，通过调节直线滑台13的前后滑动距离，完成对F-P腔体腔长的调节；
步骤5：当F-P腔长调整到预设值时，停止直线滑台13的工作，利用控制卡调节二氧化碳激光器1的出射功率及占空比，左右转动水平旋转台11各90°，激光光束随之在光纤与毛细管表面熔接一周，完成毛细管与光纤的熔接制作，最终得到一个微纳米光纤EFPI传感器F-P腔体。
本发明的有益效果在于：
本发明提出的一种微纳米光纤EFPI传感器F-P腔体制作装置，可以实现对光纤EFPI传感器F-P进行微纳米级精度的焊接密封，焊接角度及热应力随时可调，通过更换夹具，一体集成的光路和制作平台可实现膜片与毛细管以及光纤与毛细管的一体化连续焊接。该装置无需改变激光光源及光路的相对位置，仅通过更换电动旋转台1上的夹具即可实现对传感器F-P腔体两部分工序的制作。在此基础上，本发明提出了一种微纳米光纤EFPI传感器F-P腔体制作方法，该方法是利用经扩束准直聚焦后的激光光束，其微米级尺寸的光斑均匀辐射至制作平台焊件表面，利用制作平台一体化集成构造对光纤EFPI传感器进行精密熔接密封。整个过程中，光路的空间位置不需改变，仅通过更换夹具即完成了光纤EFPI传感器F-P腔体制作膜片与毛细管焊接和光纤与毛细管焊接两个工序，制作过程一体集成连续，操作简单方便，能有效保证焊点均匀。由于F-P腔长互相关解调技术具有纳米级的腔长分辨率、绝对腔长值解调以及解调范围广等优点，利用微米级腔长调节技术可实现实时监测、自动反馈等功能，软硬件配合可实现对光纤EFPI传感器全范围腔长的实时动态监测与调节，具有重要的应用价值。
附图说明
附图1为一种微纳米光纤EFPI传感器F-P腔体制作装置结构示意图；
附图2为传感器制作平台结构示意图；
附图3为膜片与毛细管焊接时夹具结构示意图；
附图4为光纤与毛细管焊接时夹具结构示意图；
附图标记：
1－二氧化碳激光器，2－扩束准直镜，3－扩束准直镜筒，4－顶丝，5－微调机构，6－反射镜，7－聚焦透镜，8－镜筒，9－聚焦透镜，10－竖直旋转台，11－水平旋转台，12－L型支架，13－直线滑台；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
附图1为一种微纳米光纤EFPI传感器F-P腔体制作装置结构示意图，如图1所示，所述装置包括：激光扩束准直聚焦光路和传感器制作平台，
所述激光扩束准直聚焦光路由三部分组成，第一部分为二氧化碳激光器1，作为焊接激光热源；第二部分由扩束准直镜2、扩束准直镜筒3、4个顶丝4组成，所述扩束准直镜2位于扩束准直镜筒3的前端，通过扩束准直镜筒3上的4个顶丝4来调节入射到反射镜6上的激光束位置和角度；第三部分包括竖直方向依次连接的微调机构5、反射镜6、聚焦透镜7、镜筒8、聚焦透镜9；所述反射镜6与水平线呈45°夹角；所述镜筒8开2个孔，分别放置两个焦距可替换的聚焦透镜7和聚焦透镜9，用于调节激光光斑的大小，经聚焦后的激光光束光斑焦点位置保持不变；
附图2为传感器制作平台结构示意图，如图2所示，所述传感器制作平台位于激光扩束准直聚焦光路的下方，由竖直旋转台10、水平旋转台11、L型支架12、直线滑台13组成；所述竖直旋转台10、水平旋转台11与直线滑台13依次固定在L型支架12上；其中，竖直旋转台10与水平旋转台11相互独立呈面垂直，竖直旋转台10与直线滑台13呈面平行；所述激光扩束准直聚焦光路将经过反射镜6和聚焦透镜整形后的光束作用于传感器制作平台上，对传感器进行激光熔接。
具体的，所述竖直旋转台10表面有4个螺孔，呈中心对称分布，利用4个螺孔将夹具固定在竖直旋转台10的表面。
具体的，所述二氧化碳激光器1发射出发散度为5mrad，尺寸为3.6mm的CO2激光。
具体的，所述激光扩束准直聚焦光路用于将一束发散的高斯激光束经由扩束准直镜2变为尺寸增大、发散角减小的平行激光束，再经由45°反射镜6变为竖直向下照射并且尺寸及发散角不变的激光光束，再经由聚焦透镜7和聚焦透镜9扩束准直聚焦为光斑直径最小为55微米的平行激光束。
具体的，所述传感器制作平台用于膜片切割、膜片与毛细管熔接以及光纤与毛细管熔接的一体化集成制作。
具体的，所述镜筒8中内置距离微调装置，用于对聚焦透镜7在竖直方向上进行距离微调，使激光聚焦光斑的空间在竖直方向高度调节。
一种微纳米光纤EFPI传感器F-P腔体制作方法，所述方法是利用经扩束准直聚焦后的激光光束，其微米级尺寸的光斑均匀辐射至制作平台焊件表面，利用制作平台一体化集成构造对光纤EFPI传感器进行精密熔接密封。所述方法不需改变激光光源及光路的相对位置，仅通过更换竖直旋转台10上的夹具即可实现对传感器F-P腔体两部分工序的制作，即膜片与毛细管的熔接和光纤与毛细管的熔接。实现该方法的具体步骤如下所述：
步骤1：调节扩束准直镜筒3上4个顶丝4的嵌入深度，进而调整入射到反射镜6上的激光束位置和角度；
步骤2：选择55.5mm焦距的聚焦透镜7，调整二氧化碳激光器1发射激光的功率以及占空比，根据激光照射点的位置，调节镜筒8的空间位置，使其位于水平旋转台11上表面内孔边缘处的正上方，调节微调机构5，使有机玻璃上的光斑尺寸达到最小；
步骤3：在扩束准直聚焦光路位置固定传感器，将膜片与毛细管竖直固定在竖直旋转台10的夹具上，夹具与竖直旋转台10通过螺孔固定，当激光光束的焦点汇聚于膜片表面时，利用控制卡调节二氧化碳激光器1的出射功率及占空比，经过水平旋转台11带动膜片与毛细管旋转一周，激光随之将其熔接固定，完成膜片与毛细管的焊接制作；在制作膜片与毛细管焊接时使用的夹具如图3所示，当激光光斑落在夹具中的通孔边缘处时，对膜片与毛细管进行焊接。
步骤4：更换夹具，将熔接好的带膜片的毛细管水平固定在竖直旋转台10上的夹具的内孔中，将膜片密封的一侧放置于靠近旋转台的一侧，并利用顶丝固定，将光纤固定在直线滑台13上，使光纤中心与毛细管中心保持一致的同心度，将光纤的一端插入毛细管中，使激光光束的焦点位于光纤与毛细管连接处的表面，通过调节直线滑台13的前后滑动距离，完成对F-P腔体腔长的调节；
步骤5：当F-P腔长调整到预设值时，停止直线滑台13的工作，利用控制卡调节二氧化碳激光器1的出射功率及占空比，左右转动水平旋转台11各90°，激光光束随之在光纤与毛细管表面熔接一周，完成毛细管与光纤的熔接制作，最终得到一个微纳米光纤EFPI传感器F-P腔体。在制作毛细管与光纤的熔接时使用的夹具如图4所示，当激光光斑及其焦点空间水平和竖直位置均落在夹具通孔中心处，对光纤及毛细管进行焊接。
在整个制作过程中，光路的空间位置不需改变，仅通过更换夹具即完成了光纤EFPI传感器F-P腔体制作的两个工序：膜片与毛细管焊接和光纤与毛细管焊接。制作过程一体集成连续，操作简单方便，有效的保证了焊点均匀。
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种微纳米光纤EFPI传感器F-P腔体制作装置，其特征在于，包括：激光扩束准直聚焦光路和传感器制作平台，
所述激光扩束准直聚焦光路由三部分组成，第一部分为二氧化碳激光器(1)，作为焊接激光热源；第二部分由扩束准直镜(2)、扩束准直镜筒(3)、4个顶丝(4)组成，所述扩束准直镜(2)位于扩束准直镜筒(3)的前端，通过扩束准直镜筒(3)上的4个顶丝(4)来调节入射到反射镜(6)上的激光束位置和角度；第三部分包括竖直方向依次连接的微调机构(5)、反射镜(6)、聚焦透镜(7)、镜筒(8)、聚焦透镜(9)；所述反射镜(6)与水平线呈45°夹角；所述镜筒(8)开2个孔，分别放置两个焦距可替换的聚焦透镜(7)和聚焦透镜(9)，用于调节激光光斑的大小，经聚焦后的激光光束光斑焦点位置保持不变；
所述传感器制作平台位于激光扩束准直聚焦光路的下方，由竖直旋转台(10)、水平旋转台(11)、L型支架(12)、直线滑台(13)组成；所述竖直旋转台(10)、水平旋转台(11)与直线滑台(13)依次固定在L型支架(12)上；其中，竖直旋转台(10)与水平旋转台(11)相互独立呈面垂直，竖直旋转台(10)与直线滑台(13)呈面平行；所述激光扩束准直聚焦光路将经过反射镜(6)和聚焦透镜整形后的光束作用于传感器制作平台上，对传感器进行激光熔接。
2.根据权利要求1所述的一种微纳米光纤EFPI传感器F-P腔体制作装置，其特征在于，所述竖直旋转台(10)表面有4个螺孔，呈中心对称分布，利用4个螺孔将夹具固定在竖直旋转台(10)的表面。
3.根据权利要求1所述的一种微纳米光纤EFPI传感器F-P腔体制作装置，其特征在于，所述二氧化碳激光器(1)发射出发散度为5mrad，尺寸为3.6mm的CO2激光。
4.根据权利要求1所述的一种微纳米光纤EFPI传感器F-P腔体制作装置，其特征在于，所述激光扩束准直聚焦光路用于将一束发散的高斯激光束经由扩束准直镜(2)变为尺寸增大、发散角减小的平行激光束，再经由45°反射镜(6)变为竖直向下照射并且尺寸及发散角不变的激光光束，再经由聚焦透镜(7)和聚焦透镜(9)扩束准直聚焦为光斑直径最小为55微米的平行激光束。
5.根据权利要求1所述的一种微纳米光纤EFPI传感器F-P腔体制作装置，其特征在于，所述传感器制作平台用于膜片切割、膜片与毛细管熔接以及光纤与毛细管熔接的一体化集成制作。
6.根据权利要求1所述的一种微纳米光纤EFPI传感器F-P腔体制作装置，其特征在于，所述镜筒(8)中内置距离微调装置，用于对聚焦透镜(7)在竖直方向上进行距离微调，使激光聚焦光斑的空间在竖直方向高度调节。
7.一种微纳米光纤EFPI传感器F-P腔体制作方法，其特征在于，所述方法包括膜片与毛细管的熔接和光纤与毛细管的熔接两部分工序，具体制作方法如下所述：
步骤1：调节扩束准直镜筒(3)上4个顶丝(4)的嵌入深度，进而调整入射到反射镜(6)上的激光束位置和角度；
步骤2：调整二氧化碳激光器(1)发射激光的功率以及占空比，根据激光照射点的位置，调节镜筒(8)的空间位置，使其位于水平旋转台(11)上表面内孔边缘处的正上方，调节微调机构(5)，使有机玻璃上的光斑尺寸达到最小；
步骤3：在扩束准直聚焦光路位置固定传感器，将膜片与毛细管竖直固定在竖直旋转台(10)的夹具上，夹具与竖直旋转台(10)通过螺孔固定，当激光光束的焦点汇聚于膜片表面时，利用控制卡调节二氧化碳激光器(1)的出射功率及占空比，经过水平旋转台(11)带动膜片与毛细管旋转一周，激光随之将其熔接固定，完成膜片与毛细管的焊接制作；
步骤4：更换夹具，将熔接好的带膜片的毛细管水平固定在竖直旋转台(10)上的夹具的内孔中，将膜片密封的一侧放置于靠近旋转台的一侧，并利用顶丝固定，将光纤固定在直线滑台(13)上，使光纤中心与毛细管中心保持一致的同心度，将光纤的一端插入毛细管中，使激光光束的焦点位于光纤与毛细管连接处的表面，通过调节直线滑台(13)的前后滑动距离，完成对F-P腔体腔长的调节；
步骤5：当F-P腔长调整到预设值时，停止直线滑台(13)的工作，利用控制卡调节二氧化碳激光器(1)的出射功率及占空比，左右转动水平旋转台(11)各90°，激光光束随之在光纤与毛细管表面熔接一周，完成毛细管与光纤的熔接制作，最终得到一个微纳米光纤EFPI传感器F-P腔体。
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