CN109374112B - 光纤二维振动传感器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光纤二维振动传感器及其制作方法，包括单模光纤，所述单模光纤的端部为光纤悬臂梁，光纤悬臂梁上套有光纤毛细管，光纤毛细管的一端与单模光纤固定连接，光纤毛细管的另一端封堵有薄膜，所述光纤悬臂梁、光纤毛细管以及薄膜之间形成法布里‑珀罗干涉腔。相比于现有的光纤振动传感器，具有成本低、可检测方向性等优点。

Description

光纤二维振动传感器及其制作方法
技术领域
本发明属于光纤传感领域，特别涉及一种光纤二维振动传感器及其制作方法。
背景技术
法布里-珀罗干涉仪的基本工作原理是在一根光纤中实现光束干涉，外界环境变化会引起法布里-珀罗干涉仪的腔长变化，通过光谱干涉条纹变化来监测外界物理量的变化。这种光纤微腔型传感器因其体积小、无需额外振动转能和不受电磁干扰等优点，在振动传感方面有很大的应用潜力，近年来被广泛应用于地震波检测、光纤水听器、无损探伤、石油天然气勘探、工业过程化控制和结构健康检测等众多领域。工业生产过程中，由于振动方向的不确定性造成机械故障由此造成生产停滞，或者因此使得本来固定方向振动的机械偏离了原来轨道，可能会给生产生活带来巨大损失。2006年，来自丹麦的Koheras公司实现了4点DFB光纤激光传感器阵列的海上复用；加拿大卡尔顿大学J.Albert课题组于2008年报道了一种基于倾斜光纤光栅错位熔接技术，实现高灵敏度振动传感的方法；2011年，中山大学的李双佶等人提出了一种基于M-Z干涉仪的单模光纤声波传感器。
目前光纤振动传感器主要存在以下问题：1.无法实现同时检测振动的多种特性；2.需要使用复杂的阵列来检测振动方向，对振动的方向性检测灵敏度不高，有少数的矢量型光纤振动传感器，会利用到光纤的偏振特性进行光纤横向振动传输方向的检测，这种方法往往需要高精度和高稳定性的偏振检测技术的支持；3.由于造价较高，测量装置与检测手段也比较复杂，光纤振动传感器难以在工业生产中得到广泛应用。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种光纤二维振动传感器及其制作方法，该传感器接收到的垂直光纤方向振动使得悬臂梁发生微小弯曲，平行光纤方向振动使得法布里-珀罗干涉腔长发生改变，从而改变反射干涉谱的特性，实现对振动的频率、强度和方向的同时检测，相比于现有的光纤振动传感器，具有成本低、可检测方向性等优点。
本发明通过以下的技术方案实现：一种光纤二维振动传感器，包括单模光纤，所述单模光纤的端部为光纤悬臂梁，光纤悬臂梁上套有光纤毛细管，光纤毛细管的一端与单模光纤固定连接，光纤毛细管的另一端封堵有薄膜，所述光纤悬臂梁、光纤毛细管以及薄膜之间形成法布里-珀罗干涉腔。
本发明的另一目的是提供一种光纤二维振动传感器的制作方法，包括以下步骤：
(1)将单模光纤的端部加工出光纤悬臂梁；
(2)将光纤悬臂梁内嵌入光纤毛细管中并固定连接；
(3)将光纤毛细管外端镀薄膜，形成法布里-珀罗干涉腔。
作为优选，采用化学腐蚀法或拉锥工艺将单模光纤的端部加工出光纤悬臂梁。
作为优选，采用环氧树脂固定或利用熔接机进行放电熔接的方式将光纤悬臂梁与光纤毛细管固定连接。
作为优选，所述薄膜采用弹性材料。
作为优选，所述弹性材料为聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯或石墨烯等等。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：(1)本发明所提出的光纤传感器结构能够同时检测出振动的频率、强度和方向；(2)本发明创新性地将悬臂梁结构和法布里-珀罗微腔相结合，利用不同方向的振动对复合结构所产生不同影响来进行振动信息的解调，提供了一种低成本、快速、高效的方向性振动检测手段；(3)本发明提出的传感器结构简单，尺寸小，制作成本低，有潜力进行批量化生产。
附图说明
图1是本发明中所提出的一种新型的光纤二维振动传感器结构示意图；
图2是本发明所提出传感器的反射光谱示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，本实施例一种光纤二维振动传感器，包括单模光纤1，所述单模光纤1的端部为光纤悬臂梁3，光纤悬臂梁3上套有光纤毛细管2，光纤毛细管2的一端与单模光纤1固定连接，光纤毛细管2的另一端封堵有薄膜4，所述光纤悬臂梁3、光纤毛细管2以及薄膜4之间形成法布里-珀罗干涉腔。
一种光纤二维振动传感器的制作方法包括以下步骤：
(1)将单模光纤1的端部加工出光纤悬臂梁3结构，利用已有技术可以设计多种实现方案，如对普通单模光纤进行化学腐蚀法，普通单模光纤的拉锥工艺，或者直接利用特种光纤。
(2)将光纤悬臂梁3内嵌入光纤毛细管2中，可在显微镜的帮助下采用环氧树脂固定或利用熔接机进行放电熔接；
(3)光纤毛细管2右侧镀薄膜4形成法布里-珀罗干涉腔。在步骤(2)得到的结构的基础上，选择具有优异弹性的材料，例如聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯和石墨烯等等，在光纤毛细管2的右端制作一个薄膜4，使光纤悬臂梁3的末端与薄膜4之间形成一个法布里-珀罗干涉腔。
本实施例中，光纤悬臂梁3和薄膜4的制作工艺已经相对成熟，在现有技术的基础上，结合光纤悬臂梁与法布里-珀罗干涉腔两种结构，构建本实施例所述复合结构，最终实现同时测量振动的频率、强度和方向，大大降低了方向性振动传感器的成本，提高了灵敏度，具有较大的推广应用价值。
本实施例所述传感器采用如下的传感方法：光纤悬臂梁3在外界垂直光纤方向振动影响下，将会产生微小的受迫振动，而在光纤毛细管2的右侧端面将会镀上一层薄膜4，薄膜4和光纤悬臂梁3之间的微腔形成了法布里-珀罗干涉腔，传感头在受到来自平行光纤方向振动影响下，薄膜4将会进行纵向的振动，导致法布里-珀罗干涉腔的腔长发生改变。垂直光纤方向振动使得悬臂梁发生微小弯曲，导致从悬臂梁输出的光线通过右侧的薄膜反射之后再次耦合回悬臂梁的效率变小，将主要影响反射干涉谱的对比度；而平行光纤方向振动使得法布里-珀罗干涉腔的腔长发生改变，将主要影响反射干涉谱的消逝峰的漂移。因此，只要实时测量传感器的反射干涉谱的对比度和消逝峰的变化，将可以同时测量出振动信号沿光纤纵向和横向分量的大小和频率。当实时接收传感器的反射光谱时，如图2所示，其中纵坐标5为反射光强，横坐标6为波长，垂直光纤方向振动使得光纤悬臂梁3发生微小弯曲，导致从光纤悬臂梁3输出的光线通过薄膜4反射之后再次耦合回光纤悬臂梁3的效率变小，影响反射干涉谱的对比度8；而平行光纤方向振动使得法布里-珀罗干涉腔的腔长发生改变，影响反射干涉谱的消逝峰7的漂移。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种光纤二维振动传感器，其特征在于，包括单模光纤，所述单模光纤的端部为光纤悬臂梁，光纤悬臂梁上套有光纤毛细管，光纤毛细管的一端与单模光纤固定连接，光纤毛细管的另一端封堵有薄膜，所述光纤悬臂梁、光纤毛细管以及薄膜之间形成法布里-珀罗干涉腔。
2.根据权利要求1所述的一种光纤二维振动传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将单模光纤的端部加工出光纤悬臂梁；
（2）将光纤悬臂梁内嵌入光纤毛细管中并固定连接；
（3）将光纤毛细管外端镀薄膜，形成法布里-珀罗干涉腔。
3.根据权利要求2所述的一种光纤二维振动传感器的制作方法，其特征在于，采用化学腐蚀法或拉锥工艺将单模光纤的端部加工出光纤悬臂梁。
4.根据权利要求2所述的一种光纤二维振动传感器的制作方法，其特征在于，采用环氧树脂固定或利用熔接机进行放电熔接的方式将光纤悬臂梁与光纤毛细管固定连接。
5.根据权利要求2所述的一种光纤二维振动传感器的制作方法，其特征在于，所述薄膜采用弹性材料。
6.根据权利要求5所述的一种光纤二维振动传感器的制作方法，其特征在于，所述弹性材料为聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯或石墨烯。
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