CN109374026A - 一种免熔接的简易高质量开腔fp光纤光栅传感器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种免熔接的简易高质量开腔FP光纤光栅传感器的制备方法，准备FTTH预埋式SC光纤冷接头，去掉外层保护套，只留陶瓷插芯所带的冷接头，陶瓷插芯套筒，光纤光栅；取2个光纤冷接头，用1个陶瓷插芯套筒将两SC头连接，两SC头在陶瓷插芯套筒里边留一点缝隙；取1根光纤光栅，将光纤光栅用光纤切刀从光栅一端截断；将截断一端的光纤光栅插入在陶瓷插芯套筒所连接的两个光纤冷接头的一端；将连接好的光纤光栅的另一端用剩余的2个光纤冷接头与解调仪或光谱仪相连，取一端光纤剥去涂覆层，用光纤切刀将其切掉约3cm，并将其插在陶瓷插芯套筒所连接的两个光纤冷接头的另一端，得到传感器；本发明大大降低了传感器的制作成本，而且提高了传感器的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感器件技术领域，特别涉及一种免熔接的简易高质量开腔FP光纤光栅传感器的制备方法。
背景技术
随着光导纤维的实用化和光通信技术的发展，光纤传感技术成为一个热门的研究方向且发展迅速。当光在光纤中传输时，由于外界压力的作用，光的强度、相位、 频率、偏振态等参量发生变化，这就形成了光纤压力传感器。与传统的电量传感器 相比，光纤压力传感器具有适应性强，抗电磁干扰，传输距离长，使用寿命长，结 构小巧等优点，其中最为代表的就是光纤光栅传感器和光纤FP干涉型传感器。法布 里—珀罗(FP)干涉型传感器被广泛应用于温度、压力、应变等测量场合，是光纤 传感器中较为灵活的一种传感器，突破完成了在很多情况下传统传感器很难甚至不 能完成的任务，因此光纤FP传感器在各行业受到了高度重视。而光纤光栅(FBG) 传感器自产生以来，就成为传感领域的研究热点。FBG传感器作为一种稳定性好、 实用性强的传感器，对温度、应力等有高灵敏度、高分辨率、耐腐蚀和耐高温等特 点，还可以组建大规模准分布式传感网络等优点，可应用于民用工程结构、舰船结 构、核设施领域的安全监测等。然而伴随着高科技的快速发展，面对实际检测环境 的复杂性和多变性特点，单参量测量传感器已经不能满足当下生产需要，所以研究 功能集成化、测量多样化传感器是当下研究的主要方向。
光纤传感器目前没有大规模进入商业化市场应用，其主要原因是传感器制作成本高，熔接设备和解调设备价格昂贵，促使光纤传感器发展缓慢。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种免熔接的简易高质量开腔FP光纤光栅传感器的制备方法，此方法制作出的传感器不仅能避免熔接设备 带来高成本问题，而且还可以同时测量气体压力以及气体在升、降压过程中伴随的 温度变化问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种免熔接的简易高质量开腔FP光纤光栅传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：准备材料，4个FTTH预埋式SC光纤冷接头，去掉所有外层保护套， 只留陶瓷插芯所带的冷接头，1个陶瓷插芯套筒，1根光纤光栅；
步骤二：取2个FTTH预埋式SC光纤冷接头光纤冷接头，用陶瓷插芯套筒将其 连接，在陶瓷插芯套筒中2个FTTH预埋式SC光纤冷接头之间留一点缝隙；
步骤三：将光纤光栅用光纤切刀从光栅一端截断；
步骤四：将截断一端的光纤光栅插入在陶瓷插芯套筒所连接的两个FTTH预埋 式SC光纤冷接头的一端；
步骤五：将光纤光栅的另一端用剩余的2个FTTH预埋式SC光纤冷接头与解调 仪或光谱仪相连；
步骤六：取一新光纤，将其一端剥去5cm的涂覆层，并用光纤切刀将剥去涂覆 层的部分再切掉3cm以保证端面平整，将该光纤插在陶瓷插芯套筒所连接的2个 FTTH预埋式SC光纤冷接头的另一端，且剥去涂覆层的端面与所述的另一端相对应， 光纤的另一端尽可能弯曲，使得光纤中的光尽可能损耗掉，阻止端面反射，增加FP 反射谱的质量，得到传感器；
步骤七：打开解调仪或者光谱仪检查传感器的反射光谱是否出现FP干涉谱，解 调仪或者光谱仪与传感器相连。
所述的光纤为普通单模光纤；
所述的光纤冷接头采用的是FTTH预埋式SC光纤冷接头。
所述的陶瓷插芯套筒可在光纤连接器的法兰中取。
所述的步骤一中去除光纤冷接头的外保护层的光纤冷接头连接方法：①将光纤的一端用剥线钳剥掉5cm涂覆层；②用酒精和无尘纸清洗裸光纤；③将清洁好的裸 光纤放在光纤切刀上切掉约3cm；④将制作好的光纤沿尾端导轨穿入，穿至光纤呈微 弯状态时，停止穿入；⑤用右手维持光纤微弯状态，左手向前推进固定环，紧锁光 纤，完成连接。
本发明的有益效果：
第一，该传感器在制作和测量的过程中采用的是完全免熔接的方式，不仅大大 降低了传感器的制作成本，而且提高了传感器的稳定性，光谱规整，对折射率响应 灵敏度较高。第二，该传感器解决了在测量气体压力过程中伴随的温度变化问题， 实现了同时测量气体压力和温度的双参量测量目标；第三，该传感器的FP腔是一个 开放的腔，与外界连通，其腔长的大小不仅可以随意调节，而且还可以根据需要填 充其他敏感材料。
附图说明
图1传感器制作配件示意图。
图2陶瓷插芯套筒连接两个SC光纤冷接头示意图。
图3光纤光栅用光纤切刀沿光栅边缘切断示意图。
图4光纤光栅插入陶瓷插芯套筒所连接的两个光纤冷接头的一端的示意图。
图5传感器的连接方式以及解调系统示意图。
图6传感器在压力装置中气压从0.1MPa升至0.7MPa是光谱图。
图7传感器的光栅部分反射光谱图。
图8传感器对压力的响应灵敏度的线性拟合图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
制备仪器的技术方案包括以下步骤：
步骤一：准备材料，4个FTTH预埋式SC光纤冷接头(去掉所有外层保护套，只 留陶瓷插芯所带的冷接头)，1个陶瓷插芯套筒(法兰中的陶瓷插芯)，1根光纤光 栅，如图1所示器件。
步骤二：取2个光纤冷接头，用1个陶瓷插芯套筒将两SC头连接，两SC头在陶 瓷插芯套筒里边留一点缝隙，如图2所示。
步骤三：取1根光纤光栅，将光纤光栅用光纤切刀从光栅一端截断，如图3所示。
步骤四：将截断一端的光纤光栅插入在陶瓷插芯套筒所连接的两个光纤冷接头的一端(光纤冷接方法见下所述)，如图4所示。
步骤五：将连接好的光纤光栅的另一端用剩余的2个光纤冷接头与解调仪(光谱仪)相连，这在光栅连接解调仪时使用。
步骤六：取一端光纤，剥去约5cm的涂覆层，用光纤切刀将其切掉约3cm，并将 其插在陶瓷插芯套筒所连接的两个光纤冷接头的另一端，插入光纤的另一端让尽可 能弯曲，使得光纤中的光尽可能损耗掉，阻止端面反射，增加FP反射谱的质量，如 图5右端所示光纤。
步骤七：打开解调仪或者光谱仪检查传感器的反射光谱是否出现FP干涉谱，连 接装置如图5所示，解调仪中检测的反射谱如图6所示。
本发明提出一种FP光纤光栅的压力和温度同时测量的双参量光纤传感器，传感器的制作和测量使用过程中不需要熔接设备，大大减少了传感器使用成本，这对低 成本、商业化的光纤传感器研制提供一定的技术支持。
所述的光纤为普通单模光纤；光纤冷接头采用的是FTTH预埋式SC光纤冷接头， 是市面通信中应用的一种最为普遍的光纤冷接头。去除光纤冷接头的外保护层是为 了所制作的传感器与外界环境能很好的接触，达到更好的测量效果；陶瓷插芯套筒 可在光纤连接器的法兰中取)；实验中解调设备是SM125解调仪，是微米光学国际 公司生产。
已去除光纤冷接头的外保护层的光纤冷接头连接方法：①将光纤的一端用剥线钳剥掉5cm涂覆层；②用酒精和无尘纸清洗裸光纤；③将清洁好的裸光纤放在光纤切 刀上切掉约3cm；④将制作好的光纤沿尾端导轨穿入，穿至光纤呈微弯状态时，停止 穿入；⑤用右手维持光纤微弯状态，左手向前推进固定环，紧锁光纤，完成连接。
传感原理与测量：
传感器工作基本原理是由于外界环境参数的变化，比如，当环境温度改变时，由于光纤的热胀冷缩效应，使得光纤光栅的栅距发生变化，从而影响光纤光栅的反射 谱，通过解调仪检测光栅谱的变化，实现传感器对温度的测量。根据光纤光栅布拉 格公式知，周围环境温度发生变化时，光纤光栅布拉格中心波长将发生变化，此时 光纤光栅布拉格公式λB＝2·neff·Λ将变为：
其中，表示光纤光栅的折射率温度系数，一般为0.68neff×10-5/℃，(△neff)ep表示光纤热膨胀所引起的弹光效应，表示光纤热膨胀引起的光 纤芯径变化产生的波导效应，表示光纤的线性热膨胀系数，约为5.5×10-7/℃。 通常情况下，由于温度变化时，光纤波导效应及线性热膨胀系数引起光纤光栅布拉 格波长变化很小可以忽略不计。因此，光纤光栅材料一旦确定，只考虑温度变化引 起的光纤光栅布拉格中心波长漂移时的温度灵敏度基本由光纤材料折射率温度系数 确定。
当环境压力改变时，与外界相通的FP腔，则可以通过感受外界压力变化时折射 率变化产生的光程差，这一结果导致腔体形成的反射干涉谱发生漂移，达到传感器 对压力的测量。本发明制备出的光纤传感器，在陶瓷插芯套筒中对接的两根陶瓷插 芯产生FP腔，该FP腔只感受外界环境折射率变化，即在压力测试时只对气压变化 时对应气体折射率变化响应，由于陶瓷插芯对温度热胀冷缩效应和空气随温度改变 时空气折射率影响较小，所以该FP腔对温度不响应。
该光纤传感器FP有2个反射面(两个光纤冷接头陶瓷端面)，分别为M1(左光 纤冷接头陶瓷端面)和M2(右光纤冷接头陶瓷端面)，在这该腔形成的干涉中，反 射光强度为：
其中A1、A2分别表示入射光经过M1和M2面反射后干涉时的振幅；(M1和M2 组成)表示经过FP腔传播的相位差。
其中λ为入射光的入射波长；l0为FP物理腔长；n0为FP腔的折射率。以下实验 室数据全部建立在如图5示意图所示的传感器之上，
图5是光纤传感器与解调仪和计算机连接的测量实验装置图，检测仪器SM125精度是1pm。从图6传感器光谱我们看出，该谱有两部分组成，一部分是光栅的反射峰， 如图6光栅谱反射谱的放大图，如图7所示，另一部分是FP腔形成的类似余弦曲线。 我们将传感器放入密封气压罐中，缓慢向罐中加压，每隔0.1MPa记录一组数据，直 至增加到0.7MPa。图6显示的是0.1MPa和0.7MPa时的光谱图，不难看出，随之气 罐内气压的增加，光谱向长波方向漂移，我们对类余弦光谱漂移量进行数据线性拟 合，如图8所示，该传感器对压力灵敏度为4.541nm/MPa，对压力响应较为敏感。图 6栅的反射谱放大，如图7所示，栅的反射谱在0.1MPa时的1555.045漂移到了0.7MPa 时的1555.135，波长漂移量为0.09nm，这是由于在加压过程中气体压缩伴随的温度 升高，光谱向右漂移，符合光栅测温规律；根据该光栅对温度响应灵敏度为0.01nm/℃， 反推漂移0.09nm气罐温度变化为9℃，这与罐中温度计显示基本一致。因此，本发 明制作的传感器可同时测量气体压力及伴随的温度变化；该传感器FP是一个开腔， 与外界介质交换迅速，而光栅可对温度响应，二者结合可在特定环境中作区分测量， 例如，水的温度伴随的折射率变化问题等，应用前景较为广泛。
Claims (5)
1.一种免熔接的简易高质量开腔FP光纤光栅传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：准备材料，4个FTTH预埋式SC光纤冷接头，去掉所有外层保护套，只留陶瓷插芯所带的冷接头，1个陶瓷插芯套筒，1根光纤光栅；
步骤二：取2个FTTH预埋式SC光纤冷接头，用陶瓷插芯套筒将其连接，在陶瓷插芯套筒中2个FTTH预埋式SC光纤冷接头之间留一点缝隙；
步骤三：将光纤光栅用光纤切刀从光栅一端截断；
步骤四：将截断一端的光纤光栅插入在陶瓷插芯套筒所连接的两个FTTH预埋式SC光纤冷接头的一端；
步骤五：将光纤光栅的另一端用剩余的2个FTTH预埋式SC光纤冷接头与解调仪或光谱仪相连；
步骤六：取一新光纤，将其一端剥去5cm的涂覆层，并用光纤切刀将剥去涂覆层的部分再切掉3cm以保证端面平整，将该光纤插在陶瓷插芯套筒所连接的2个FTTH预埋式SC光纤冷接头的另一端，且剥去涂覆层的端面与所述的另一端相对应，光纤的另一端尽可能弯曲，使得光纤中的光尽可能损耗掉，阻止端面反射，增加FP反射谱的质量，得到传感器；
步骤七：打开解调仪或者光谱仪检查传感器的反射光谱是否出现FP干涉谱，解调仪或者光谱仪与传感器相连。
2.根据权利要求1所述的一种免熔接的简易高质量开腔FP光纤光栅传感器的制备方法，其特征在于，所述的光纤为普通单模光纤。
3.根据权利要求1所述的一种免熔接的简易高质量开腔FP光纤光栅传感器的制备方法，其特征在于，所述的光纤冷接头采用的是FTTH预埋式SC光纤冷接头。
4.根据权利要求1所述的一种免熔接的简易高质量开腔FP光纤光栅传感器的制备方法，其特征在于，所述的陶瓷插芯套筒可在光纤连接器的法兰中取。
5.根据权利要求1所述的一种免熔接的简易高质量开腔FP光纤光栅传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤一中去除光纤冷接头的外保护层的光纤冷接头连接方法：①将光纤的一端用剥线钳剥掉5cm涂覆层；②用酒精和无尘纸清洗裸光纤；③将清洁好的裸光纤放在光纤切刀上切掉约3cm；④将制作好的光纤沿尾端导轨穿入，穿至光纤呈微弯状态时，停止穿入；⑤用右手维持光纤微弯状态，左手向前推进固定环，紧锁光纤，完成连接。
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|---|---|
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