CN109374113B - 末端集成微气泡的微纳光纤光栅二维振动传感器及其制作方法 - Google Patents

末端集成微气泡的微纳光纤光栅二维振动传感器及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种末端集成微气泡的微纳光纤光栅二维振动传感器及其制作方法，包括第一单模光纤，所述第一单模光纤的尾端具有光纤悬臂梁结构，所述光纤悬臂梁结构由依次相连的光纤布拉格光栅、第二单模光纤、光纤毛细管和第三单模光纤组成，所述光纤毛细管和第三单模光纤形成法布里‑珀罗干涉腔。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；制作简单，结构紧凑；具有光纤传感器的传统优势，具有高灵敏度、体积小巧、抗电磁干扰、无需供电、易组网等诸多优点，弥补了电子式传感器的缺点。

Description

末端集成微气泡的微纳光纤光栅二维振动传感器及其制作 方法
技术领域
本发明属于光纤光学工程领域，特别涉及了一种末端集成微气泡的微纳光纤光栅二维振动传感器及其制作方法。
背景技术
目前很多场景都需要用到振动传感器。例如在进行水下探测时，电磁波和光不易在水中大面积有效传播。迄今为止，声波仍然是能在海洋中远距离传输信息的最有效的载体。水听器是通过接收声波对水下目标进行探测、定位与识别的传感器。
特别地，光纤水听器是基于光纤、光电子技术的一种新型水听器，具有灵敏度高、频带响应宽、抗电磁干扰、耐恶劣环境、结构轻巧、易于遥测和构成大规模阵列等特点。光纤水听器研究始于冷战时期反潜战的需要。20世纪70年代中期，美国海军研究室开始了光纤水听器研究。1977年，Bucaro等人发表首篇论文，演示了一套基于光纤技术的水声传感系统。光纤水听器的第一次海上试验是美国为海军流动噪声驳船系统的噪声监测装置开发的塑料芯轴光纤水听器，并于1983年7月部署在巴哈马群岛。从此，各军事强国纷纷投入大量人力和财力进行有关光纤水听器的研究和试验。早在20世纪90年代初，美国的光纤水听器研究就已经到达实用阶段，目前，美国在该领域仍处于领先地位。2000年，美国利通资源勘探仪器公司研制成功96基元全光光纤水听器系统，应用于海洋、陆地石油、天然气勘探。2001年，美国海军与利通公司签订基于光纤水听器的远程供电全光固定分布式系统(RPFDS-C)开发合同。光纤水听器已经由实验室走向应用。
但目前的光纤水听器在全光的声波方向性识别上还有待探究。
发明内容
针对全光的声波方向性探测问题，本发明提出一种末端集成微气泡的微纳光纤光栅二维振动传感器结构及其制作方法，同时探测沿光纤方向和垂直于光纤方向的声波分量，一定程度上解决了声波方向性探测问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：一种末端集成微气泡的微纳光纤光栅二维振动传感器，包括第一单模光纤，所述第一单模光纤的尾端具有光纤悬臂梁结构，所述光纤悬臂梁结构由依次相连的光纤布拉格光栅、第二单模光纤、光纤毛细管和第三单模光纤组成，所述光纤毛细管和第三单模光纤形成法布里-珀罗干涉腔。
进一步的，所述第三单模光纤的长度小于光纤毛细管的壁厚。
这种结构，垂直光纤方向上的振动会使得悬臂梁发生微小弯曲，导致悬臂梁上的光纤光栅因受到周期性的应变而使得布拉格反射峰发生漂移，漂移量的大小表示振动强度大小；而沿光纤方向的振动会使得法布里-珀罗干涉腔的腔长发生周期性的改变，从而引起干涉谱的消逝峰的漂移。通过分别对光纤光栅布拉格反射谱和F-P腔干涉谱的解调，可以实现对振动的频率、强度和方向的解调。
本发明的另一目的是提供一种末端集成微气泡的微纳光纤光栅二维振动传感器的制作方法，包括如下步骤：
(1)在单模光纤上刻写出光纤布拉格光栅，并在光纤布拉格光栅右端进行切割，此时，光纤布拉格光栅的左端为第一单模光纤，光纤布拉格光栅的右端为第二单模光纤；
(2)在第二单模光纤右端依次熔接光纤毛细管和第三单模光纤，然后将光纤毛细管和第三单模光纤结构进行化学腐蚀，得到法布里-珀罗干涉腔。
进一步的，利用准分子激光器和相位掩模板法刻写出光纤布拉格光栅。
进一步的，所述第三单模光纤的长度小于光纤毛细管的壁厚。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：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；制作简单，结构紧凑；具有光纤传感器的传统优势，具有高灵敏度、体积小巧、抗电磁干扰、无需供电、易组网等诸多优点，弥补了电子式传感器的缺点。
附图说明
图1是本发明中所提出的末端集成微气泡的微纳光纤光栅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
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明提供一种末端集成微气泡的微纳光纤光栅二维振动传感器，包括第一单模光纤1，所述第一单模光纤1的尾端具有光纤悬臂梁结构，所述光纤悬臂梁结构由依次相连的光纤布拉格光栅2、第二单模光纤3、光纤毛细管4和第三单模光纤5组成，所述光纤毛细管4和第三单模光纤5形成法布里-珀罗干涉腔，整个结构实现振动的频率、强度和方向的传感。
具体地，可通过以下方案实现：
制作刻有光纤布拉格光栅2的光纤悬臂梁结构。具体地，首先在单模光纤上利用准分子激光器和相位掩模板法刻写出光纤布拉格光栅2；在显微镜和精密平移台的帮助下，利用光纤切割刀在光纤布拉格光栅2右端进行切割，光纤布拉格光栅2的左端为第一单模光纤1，光纤布拉格光栅2的右端为第二单模光纤3。
在光纤布拉格光栅2末端制作法布里-珀罗干涉腔。具体地，一种实现方法是，在第二单模光纤3右端依次熔接光纤毛细管4和第三单模光纤5，注意第三单模光纤5的长度应该小于光纤毛细管3的壁厚，然后将光纤毛细管4和第三单模光纤5结构浸入质量浓度为20％-45％的氢氟酸进行0.5-1.5小时的化学腐蚀，得到法布里-珀罗干涉腔。
在光纤布拉格光栅2的地方利用化学腐蚀法制做得到小尺寸的锥区结构，使得光纤布拉格光栅2的在外界垂直于光纤方向的振动影响下容易发生应变。
由此方案制成的光纤传感器的光谱信号为光纤光栅反射谱与F-P腔干涉谱的叠加，如附图2所示，其中横坐标6为波长，纵坐标7为光强，8为光纤光栅的反射峰，9为F-P腔干涉谱的消逝峰。垂直光纤方向的振动信号使得光纤悬臂梁发生周期性的微小弯曲变化，从而导致锥区的光纤布拉格光栅2遭受周期性的应变，将主要影响布拉格反射峰的变化；而平行光纤方向的振动信号使得集成于光纤悬臂梁末端的微气泡腔长发生周期性的改变，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谱中布拉格反射峰和法布里-珀罗干涉消逝峰的变化，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。
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 (5)

1.一种末端集成微气泡的微纳光纤光栅二维振动传感器，其特征在于，包括第一单模光纤，所述第一单模光纤的尾端具有光纤悬臂梁结构，所述光纤悬臂梁结构由依次相连的光纤布拉格光栅、第二单模光纤、光纤毛细管和第三单模光纤组成，所述光纤毛细管和第三单模光纤形成法布里-珀罗干涉腔。
2.根据权利要求1所述的末端集成微气泡的微纳光纤光栅二维振动传感器，其特征在于，所述第三单模光纤的长度小于光纤毛细管的壁厚。
3.根据权利要求1所述的一种末端集成微气泡的微纳光纤光栅二维振动传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）在单模光纤上刻写出光纤布拉格光栅，并在光纤布拉格光栅右端进行切割，此时，光纤布拉格光栅的左端为第一单模光纤，光纤布拉格光栅的右端为第二单模光纤；
（2）在第二单模光纤右端依次熔接光纤毛细管和第三单模光纤，然后将光纤毛细管和第三单模光纤结构进行化学腐蚀，得到法布里-珀罗干涉腔。
4.根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于，利用准分子激光器和相位掩模板法刻写出光纤布拉格光栅。
5.根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述第三单模光纤的长度小于光纤毛细管的壁厚。
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