CN110031146A - 基于毛细管拼接型光纤微结构传感器制备方法及测量原理 - Google Patents
基于毛细管拼接型光纤微结构传感器制备方法及测量原理 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110031146A CN110031146A CN201910389832.XA CN201910389832A CN110031146A CN 110031146 A CN110031146 A CN 110031146A CN 201910389832 A CN201910389832 A CN 201910389832A CN 110031146 A CN110031146 A CN 110031146A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- hollow
- fiber
- core fiber
- optical fiber
- single mode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
- G01K11/32—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L11/00—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00
- G01L11/02—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00 by optical means
- G01L11/025—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00 by optical means using a pressure-sensitive optical fibre
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Abstract
基于毛细管拼接型光纤微结构传感器制备方法及测量原理，包括以下步骤；将宽带光源接入光谱仪，将单模光纤一端接入宽带光源中，另一端剥掉5cm的涂覆层后得到一段裸光纤，并用酒精清洗，用光纤切刀将裸光纤切平；取一段空芯光纤，剥离涂覆层后一端利用光纤切刀切平，通过高温放电形式把步骤一中的单模光纤和空芯光纤进行熔接；用切刀截取空芯光纤后，取另一个单模光纤将该单模光纤与空芯光纤的另一端熔接形成一个普通单模光纤中间熔接2‑3cm的一个空芯光纤的微结构；本方法制造的传感器具有制作简单，原理新颖，便于应用的特点。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工器件、光纤传感器件和复合微型结构技术领域，特别涉及基于毛细管拼接型光纤微结构传感器制备方法及测量原理。
背景技术
随着社会的不断进步，人们探究物质本质的尺寸越来越小，各种微型化物质的产生成为发展的必然趋势，在传感器方面而言也是同样。相比于传统的传感器，光纤传感器的优点是：抗电磁干扰、损耗低、耐化学腐蚀、可适用于各种恶劣的环境中等。因此，光纤传感逐渐受到人们的关注，发展的进程越来越快。更多的专家开始研究光纤在传感领域上的贡献。
通过光纤传感器可以直接或间接获得我们需要的温度、压力、折射率、震动等很多物理量。可以应用到各种实际生活中，例如：测量大桥或者大坝的寿命，实时监控公路使用状况，及时对不同路段做出调整，提前提出存在的隐患核问题。更大的改善了人们便捷的生活，甚至保护了人们的生命。在油气井方面，可以区分井下各种气体成分类别，也可以测量气体浓度，是否发生泄漏，还可以测量井下温度和气压，便于人们分析井下情况，合理利用资源，长久安全的服务大众。
现如今光纤传感器由于结构的多样性和灵活性是光纤传感器研究领域的热点，光纤MZI传感技术通过待测量作用于微结构腔产生的腔长变化引起光谱干涉变化进行传感。光纤微结构腔是光纤传感的核心敏感元件，入射光在不同的光纤节点处产生两束不同光路的光线，然后在后面光线节点处汇合产生干涉信号，干涉信号随着光束的能量不同引起干涉信号发生改变，最后对干涉信号进行解调实现待测量和光谱对应完成传感。
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基于毛细管拼接型光纤微结构传感器制备方法及测量原理，结合空芯光纤的特性改变周围气压降低通过包层的光束能量实现压强和功率的对应测量。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
基于毛细管拼接型光纤微结构传感器制备方法，包括以下步骤；
步骤一：将宽带光源接入光谱仪，把输入的宽带光源调整成稳定信号，保证输入光源稳定后，断开宽带光源与光谱仪的链接，用法兰将单模光纤一端接入到宽带光源的输出信号上，另一端剥掉5cm的涂覆层后得到一段裸光纤，并用酒精清洗，用光纤切刀将裸光纤切平；
步骤二：取一段芯径为30μm包层为150μm的空芯光纤，剥离涂覆层后一端利用光纤切刀切平，然后将空芯光纤利用手动熔接的方式在可视的熔接机显示器上调整三维位置，通过高温放电形式把步骤一中的单模光纤的切平端和空芯光纤切平端进行熔接；
步骤三：控制空芯光纤的长度范围在2-3cm，用切刀截取空芯光纤后，取另一个单模光纤重复步骤一后半部分，然后按照步骤二的操作将该单模光纤与空芯光纤的另一端熔接形成一个普通单模光纤中间熔接2-3cm的一个空芯光纤的微结构；
步骤四：将微结构后面一段单模光纤接到光谱仪上，实现光信号的传递，当宽带光源的光入射到单模光纤和空芯光纤的节点处时单模光纤芯径里面的光线会发散出来，一部分从空芯光纤的空腔里传播，另一部分光线会从空芯光纤的包层里面传播，经过2-3cm的距离之后在第二段空芯光纤和单模光纤的熔接点处光线发生耦合产生稳定的干涉条纹。
基于毛细管拼接型光纤微结构传感器的测量原理
将制作好的微结构传感器密封到气压测量装置中，传感器一端连接着宽带光源，另一端接入到光谱仪中观察干涉图样并记录数据，然后将气压从0.1MPa逐渐增大到2.0Mpa，当气压增大时该传感器周围空气的折射率增大，又因为空芯光纤的包层中有光线通过，当空气折射率增大时空气和空芯光纤包层之间的折射率差逐渐减小，在这个过程当中空芯光纤包层里面的光线会有一部分因为折射率差的接近进入到空气中进而损耗掉，导致干涉光谱的总功率降低，我们可以通过数据采集获得对应的光谱图。那么在日常应用中，该传感器在测量气压的时候，当所测得的光谱图功率发生变化时说明该微结构的空芯光纤包层中传递的光线能量发生了变化。根据光谱图功率的变化测量气压是一种新型的测量方式。传统的MZI气压传感器的原理都是通过改变微结构腔内的空气折射率进而改变光波长，从波长的飘移量来计算气压的改变量，这种结构普遍存在交叉敏感问题。气压引起温度的变化，而温度也会引起波长的飘移，所以当光波长发生飘移时我们无法确定到底是气压还是温度或者两者都有引起的变化。但是，我们设计的这种微结构传感器就可以避免这种问题的产生；
测完气压后，将该传感器放入到高温箱中，设置高温箱一个小时将温度从室温20℃升温到200℃，在此过程中每隔5℃记录一个数据，温度升高后导致空芯光纤受热膨胀，由干涉公式2nl＝kλ，当l发生变化后导致干涉几级次发生变化，从而影响光波长发生飘移，向长波方向飘移。
本发明的有益效果：
第一，结合空芯光纤的特性改变周围气压降低通过包层的光束能量实现压强和功率的对应测量。第二，对温度测量的灵敏度也大于普通光栅的灵敏度，可实现温度、压强的双参量测量。第三，该结构制作较为简单，且重复率超高，成本低，便于日后量产。
附图说明
图1是将宽带光源信号接入光谱仪并调平。
图2是单模切平熔接空芯光纤，制作微结构传感器件。
图3是将微结构传感器接入宽带光源和光谱仪示例图。
图4是在标准气压和室温状态下的透射光谱图。
图5是传感器气压测量装置图。
图6是经过FFT后传感器气压变化量的带通滤波图。
图7是传感器的气压响应灵敏度的线性拟合图。
图8是传感器温度测量装置图。
图9是经过FFT后传感器温度变化量的带通滤波图。
图10是传感器的温度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。
马赫-曾德(Mach-Zehnder)干涉型光纤传感器是目前最常用的干涉型光纤传感器之一。因此它具有重要的研究、开发和应用价值，是工业测量中的理想选择。
制备仪器的技术方案包括以下步骤：
1.如图1所示，将宽带光源接入光谱仪，把输入的宽带光源调整成稳定信号，保证输入光源稳定后将单模光纤一端接入宽带光源中，另一端剥掉5cm的涂覆层后得到一段裸光纤，并用酒精清洗，使用光纤切刀将裸光纤切平。然后使用剥线钳剥掉一段芯径为10μm微米的空芯光纤，同样的方法使用光纤切刀切平。将切好的两段光纤分别放在光纤熔接机两端，使用手动熔接方式控制放电次数实现熔接；熔接好之后空心光纤的另一端使用相同方法接一段单模光纤。制作好的传感器简易图如图2所示，一段空心光纤两端分别熔接一段单模光纤。
2.将制作好的空心光纤微结构左端接入到宽带光源中，光信号通过光纤结构右端接入到光谱仪中去，检测光信号的变化如图3所示。
传感原理与测量：
1.该传感器测量气压时由于在第一段单模光纤和空心光纤接口处将光线分为两束，一束通过空心光纤的包层传输，另一束通过在空心光纤的空心里面短距离传输。到达第二段熔接处是空心光纤包层里面传输的光纤和芯径里面传输的光纤耦合发生干涉再通过单模光纤传输到光谱仪中。当我们改变传感器周围的气压时导致该传感器周围空气的折射率增大，又因为空芯光纤的包层中有光线通过，当空气折射率增大时空气和空芯光纤包层之间的折射率差逐渐减小，在这个过程当中空芯光纤包层里面的光线会有一部分因为折射率差的接近进入到空气中进而损耗掉，导致干涉光谱的总功率降低，我们可以通过数据采集获得对应的光谱图。在测量温度灵敏度时，由于外界环境温度变化加材料的热胀冷缩作用使得空心光纤长短发生轴向变化，导致光线通过空心光纤的路程发生变化，改变光程差，获得不同的光谱响应曲线，实现温度传感的测量。
2.打开光谱仪的重复扫描按键，观测光谱变化，让连接好所有传感器设备后光谱仪上所得到的图像如图4所示，采集光谱仪数据在Origin软件上模拟出常温常压状态下的传感器响应曲线。
3.将传感器接入到气压测量装置中，如图5所示，将传感器密封进气压腔内，改变腔内气压。测得光谱频率随气压从0.1MPa到1.0MPa的光谱图，我们采用傅里叶带通滤波的方法空心光纤腔产生的频率提取出来，得到如图6，对漂移量进行线性拟合后，经分析后绘制压强和功率的线性响应特性曲线如图7所示我们可以得到气压随功率的变化是1.08dBm/MPa。
4.然后将光纤传感器置于图8的高温箱中，两端连接上宽带光源和光谱仪，设置温度20℃至200℃缓慢升高，高温箱设置参数：从20℃至200℃，温度每升高20℃记录一次，在计算机上记录传感器中透射光谱的变化规律，如图9所示，随温度的升高，光谱向长波方向漂移，对其漂移量进行线性拟合。我们同样采用傅里叶带通滤波的方法，提取空心光纤腔频谱如图10所示，从20℃升至200℃时的灵敏度为19.21pm/℃。
本发明利用现有的光纤微加工技术简单便利的制作了一种结构普通但原理新颖的传感器，利用光线耦合的功率变化来测量气体压力的大小，并且改变了传统意义上的单一性物理量的测量，可以实现温度和气压的双参量测量。采用傅里叶带通滤波提取腔内频率，实现功能多样化、集成化，监测环境多变化的新型传感器件。微加工光纤成本低廉，制作方法简单，结构尺寸可控性强，重复率高，因此它具有重要的研究、开发和应用价值，是工业测量中的理想选择。
Claims (4)
1.基于毛细管拼接型光纤微结构传感器制备方法，其特征在于，包括以下步骤；
步骤一：将宽带光源接入光谱仪，把输入的宽带光源调整成稳定信号，保证输入光源稳定后，断开宽带光源与光谱仪的链接，用法兰将单模光纤一端接入到宽带光源的输出信号上，另一端剥掉5cm的涂覆层后得到一段裸光纤，并用酒精清洗，用光纤切刀将裸光纤切平；
步骤二：取一段芯径为30μm包层为150μm的空芯光纤，剥离涂覆层后一端利用光纤切刀切平，然后将空芯光纤利用手动熔接的方式在可视的熔接机显示器上调整三维位置，通过高温放电形式把步骤一中的单模光纤的切平端和空芯光纤切平端进行熔接；
步骤三：控制空芯光纤的长度范围在2-3cm，用切刀截取空芯光纤，取另一根单模光纤，剥离涂覆层切平，然后将该单模光纤切平端与空芯光纤的尾端熔接，形成一个普通单模光纤中间熔接2-3cm的一个空芯光纤的微结构传感器；
步骤四：将微结构后面一段单模光纤接到光谱仪上，实现光信号的传递，所以当宽带光源的光入射到单模光纤和空芯光纤的节点处时单模光纤芯径里面的光线会发散出来，一部分从空芯光纤的空腔里传播，另一部分光线会从空芯光纤的包层里面传播，经过2-3cm的距离之后在第二段空芯光纤和单模光纤的熔接点处光线发生耦合产生稳定的干涉条纹。
2.根据权利要求1所述的基于毛细管拼接型光纤微结构传感器制备方法，其特征在于，所述的步骤五中气压测量装置中气压从0.1MPa逐渐增大到2.0Mpa。
3.根据权利要求1所述的基于毛细管拼接型光纤微结构传感器制备方法，其特征在于，所述的步骤六高温箱中高温箱一个小时将温度从室温20℃升温到200℃，在此过程中每隔5℃记录一个数据。
4.基于权利要求1所述的毛细管拼接型光纤微结构传感器的测量原理，其特征在于，包括以下步骤；
将制作好的微结构传感器密封到气压测量装置中，传感器一端连接着宽带光源，另一端接入到光谱仪中观察干涉图样并记录数据，当气压增大时该传感器周围空气的折射率增大。空芯光纤的包层中有光线通过，当空气折射率增大时空气和空芯光纤包层之间的折射率差逐渐减小，引起光线耦合率的变化。使获得的光谱功率发生变化；
测完气压后，将该传感器放入到高温箱中，温度升高后导致空芯光纤受热膨胀，由干涉公式2nl＝kλ，当l发生变化后导致干涉几级次发生变化，从而影响光波长发生飘移，向长波方向飘移。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910389832.XA CN110031146A (zh) | 2019-05-10 | 2019-05-10 | 基于毛细管拼接型光纤微结构传感器制备方法及测量原理 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910389832.XA CN110031146A (zh) | 2019-05-10 | 2019-05-10 | 基于毛细管拼接型光纤微结构传感器制备方法及测量原理 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110031146A true CN110031146A (zh) | 2019-07-19 |
Family
ID=67241872
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910389832.XA Pending CN110031146A (zh) | 2019-05-10 | 2019-05-10 | 基于毛细管拼接型光纤微结构传感器制备方法及测量原理 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110031146A (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110793710A (zh) * | 2019-11-15 | 2020-02-14 | 山东大学 | 一种双分辨率光纤气压测量传感器及方法 |
| CN112114280A (zh) * | 2020-09-24 | 2020-12-22 | 中山大学 | 一种具有温度补偿功能的光纤磁场微纳传感器及制作方法 |
| CN113324570A (zh) * | 2021-06-03 | 2021-08-31 | 南京信息工程大学 | 一种基于气球形光纤mzi的传感装置及气球形光纤mzi传感器制作方法 |
| CN114659701A (zh) * | 2022-03-04 | 2022-06-24 | 武汉理工大学 | 快速脱附气体的高灵敏度气压传感器及其制备方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101246119A (zh) * | 2007-03-23 | 2008-08-20 | 国家纳米技术与工程研究院 | 一种光纤生物传感系统 |
| CN102749304A (zh) * | 2012-06-20 | 2012-10-24 | 南京大学（苏州）高新技术研究院 | 高灵敏度光子晶体光纤折射率传感器及制法 |
| CN105841840A (zh) * | 2016-03-30 | 2016-08-10 | 东北大学 | 一种能同时测量氢气浓度和温度的光纤传感器 |
| US20180303327A1 (en) * | 2017-04-19 | 2018-10-25 | Canon Usa Inc. | Fiber optic correction of astigmatism |
| CN109186647A (zh) * | 2018-10-10 | 2019-01-11 | 武汉隽龙科技股份有限公司 | 消除光纤端面反射的装置及方法 |
-
2019
- 2019-05-10 CN CN201910389832.XA patent/CN110031146A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101246119A (zh) * | 2007-03-23 | 2008-08-20 | 国家纳米技术与工程研究院 | 一种光纤生物传感系统 |
| CN102749304A (zh) * | 2012-06-20 | 2012-10-24 | 南京大学（苏州）高新技术研究院 | 高灵敏度光子晶体光纤折射率传感器及制法 |
| CN105841840A (zh) * | 2016-03-30 | 2016-08-10 | 东北大学 | 一种能同时测量氢气浓度和温度的光纤传感器 |
| US20180303327A1 (en) * | 2017-04-19 | 2018-10-25 | Canon Usa Inc. | Fiber optic correction of astigmatism |
| CN109186647A (zh) * | 2018-10-10 | 2019-01-11 | 武汉隽龙科技股份有限公司 | 消除光纤端面反射的装置及方法 |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110793710A (zh) * | 2019-11-15 | 2020-02-14 | 山东大学 | 一种双分辨率光纤气压测量传感器及方法 |
| CN110793710B (zh) * | 2019-11-15 | 2021-04-23 | 山东大学 | 一种双分辨率光纤气压测量传感器及方法 |
| CN112114280A (zh) * | 2020-09-24 | 2020-12-22 | 中山大学 | 一种具有温度补偿功能的光纤磁场微纳传感器及制作方法 |
| CN112114280B (zh) * | 2020-09-24 | 2022-01-04 | 中山大学 | 一种具有温度补偿功能的光纤磁场微纳传感器及制作方法 |
| CN113324570A (zh) * | 2021-06-03 | 2021-08-31 | 南京信息工程大学 | 一种基于气球形光纤mzi的传感装置及气球形光纤mzi传感器制作方法 |
| CN114659701A (zh) * | 2022-03-04 | 2022-06-24 | 武汉理工大学 | 快速脱附气体的高灵敏度气压传感器及其制备方法 |
| CN114659701B (zh) * | 2022-03-04 | 2023-09-26 | 武汉理工大学 | 快速脱附气体的高灵敏度气压传感器及其制备方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110031146A (zh) | 基于毛细管拼接型光纤微结构传感器制备方法及测量原理 | |
| CN109269535B (zh) | 基于微纳光纤半耦合器海洋多参量一体化监测系统及方法 | |
| CN205691170U (zh) | 一种气压和温度同时测量的光纤传感器 | |
| CN103471701B (zh) | 一种光纤声波传感器及光纤声波探测方法 | |
| CN101278177A (zh) | 传感器及使用该传感器的干扰测定方法 | |
| CN106289504B (zh) | 一种光纤法珀声波探头装置及其制作方法 | |
| CN203894161U (zh) | 基于迈克尔逊干涉仪的全光纤折射率计及其系统 | |
| CN206161192U (zh) | 一种基于毛细玻璃管封装的干涉型光纤温度传感器 | |
| CN1746641A (zh) | 光纤温度测量仪及其测量方法 | |
| CN101832792A (zh) | 一种光波导传感器及其制作方法 | |
| CN107515054A (zh) | 一种基于迈克尔逊干涉仪的光纤温度和折射率测量传感装置 | |
| CN106989843A (zh) | 一种分布式多通道光纤拉曼超低温测量系统 | |
| Reja et al. | Temperature-compensated interferometric high-temperature pressure sensor using a pure silica microstructured optical fiber | |
| CN107748018A (zh) | 基于马赫‑曾德尔干涉的光纤布喇格光栅温度弯曲传感器 | |
| CN108225416A (zh) | 一种用于多参数测量的多参数传感器的制作方法 | |
| Li et al. | Temperature-independent refractometer based on fiber-optic Fabry–Perot interferometer | |
| Yang et al. | Optical fiber tip interferometer gas pressure sensor based on anti-resonant reflecting guidance mechanism | |
| CN106644154A (zh) | 一种基于毛细管结构的光纤高温传感器及制备方法 | |
| CN108152880A (zh) | 一种用于温度和应变测量的长周期光纤光栅的制作方法 | |
| WO2016209279A1 (en) | Downhole sensing using solitons in optical fiber | |
| CN102364313B (zh) | 基于球形端面光纤微麦克逊干涉的高温传感方法 | |
| CN105783996A (zh) | 一种可同时测量声波与压力的光纤传感器 | |
| CN103592064B (zh) | 一种光纤法珀力传感器及其制作方法 | |
| CN109682779A (zh) | 飞秒激光制备纤芯失配型fbg温度应变折射率测量方法 | |
| CN105136336A (zh) | 一种基于飞秒激光器的光纤空气环腔温度传感器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20190719 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |