CN110174068A - 一种增敏型光纤法珀微腔应变传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种增敏型光纤法珀微腔应变传感器及其制作方法。该增敏型光纤法珀微腔应变传感器由两段单模光纤穿入一段数厘米长的玻璃毛细管构成，两段单模光纤同轴设置并通过紫外胶在玻璃毛细管两端固定，其端面均与光纤轴线垂直，间距数十微米构成法珀微腔，用于应变的传感。该增敏型光纤法珀微腔应变传感器具有结构简单、易于制作、灵敏度高，并且在整个测量范围内具有良好的线性度的优点。

Description

一种增敏型光纤法珀微腔应变传感器及其制作方法

技术领域：

本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种光纤应变传感技术领域，具体涉及一种增敏型光纤珀微腔应变传感器及其制备方法。

背景技术：

应变是工程中最常用到的物理量之一，相当多的结构、材料、建筑、设备等的生命周期中都会涉及到应变的测量。从最早的电阻应变片发展至今，对应变进行测量的传感器种类繁多，性能各异，在不同的场合发挥着自己的作用。但是，传统的电子传感器越来越难以满足当下各种复杂环境中测量应变的需求。

一批不同原理和结构的光纤应变传感器纷纷被提出和应用。相比于传统的电子式应变传感器，光纤应变传感器在抗电磁干扰、抗腐蚀、防爆、耐高温、小型化以及大批量使用等方面具有天然的优势，因此受到学术界与产业界的广泛重视。

典型的光纤应变传感器有：光纤布拉格光栅应变传感器、长周期光纤光栅应变传感器、马赫-曾德尔干涉型光纤应变传感器和光纤法珀腔应变传感器。其中，光纤布拉格光栅应变传感器利用紫外激光通过相位掩膜板照射光敏光纤，或者利用飞秒激光配合超精密机械位移装置通过逐点写入的方式在光纤照射光纤，在光纤纤芯形成短周期折射率调制，从而制作出光纤布拉格光栅。利用对光纤布拉格光栅反射光中心波长随传感器本身的伸缩的线性漂移实现应变传感。长周期光纤光栅应变传感器的长周期光纤光栅会在其透射谱中引入透射峰，利用应变引起的透射峰的偏移实现应变传感。马赫曾德尔干涉型应变传感器，通过特殊结构或工艺处理使入射光分为两束并以不同路径传输再合束，由于马赫曾德尔干涉，透射光谱会出现多个干涉峰。由于应变对两束光的光程影响不同，从而会引起干涉峰的峰值波长偏移。由干涉峰峰值波长位置偏移量的测量可以实现应变传感。

不过，无论是光纤布拉格光栅应变传感器、长周期光纤光栅应变传感器，还是马赫-曾德尔干涉型光纤应变传感器，均对温度较为敏感，存在较强的应变 -温度交叉敏感性，限制了这些类型应变传感器的实际应用。

光纤法珀腔应变传感器，是在光纤光路中引入法珀腔，通过法珀干涉效应实现应变传感。这种传感器可以承受较高的温度、制作简单、成本低，并且应变-温度交叉敏感性远低于光纤布拉格光栅应变传感器、长周期光纤光栅应变传感器和马赫-曾德尔干涉型光纤应变传感器，但是现有的光纤法珀腔应变传感器仍然存在着灵敏度不高的问题，通常其波长-应变灵敏度只能达到pm/με量级，限制了这种应变传感器的动态范围。

发明内容

为解决现有技术中存在的灵敏度不高、动态范围小的问题，本发明提出一种增敏型光纤法珀微腔应变传感器及其制作方法。

为了达到本发明的目的，本发明提供的技术方案是：一种增敏型光纤法珀微腔应变传感器，由两段单模光纤和玻璃毛细管构成，两段单模光纤的裸纤段通过紫外胶同轴固定于数厘米长的玻璃毛细管内，两段单模光纤的裸纤段端面均垂直于玻璃毛细管的轴线且端面间距为数微米到数十微米。

上述增敏型光纤法珀微腔应变传感器的制作方法，包括以下步骤：

步骤1：首先去除两段单模光纤的端部涂覆层后得到裸纤段，再用光纤切割刀垂直切割其端面，并对端面做抛光处理；

步骤2：将两段单模光纤的裸纤段分别插入玻璃毛细管的两端，调整两裸纤的端面间距至数微米至数十微米；

步骤3：在玻璃毛细管和单模光纤接触处涂抹紫外胶并固化。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、单模光纤在玻璃毛细管两端通过紫外胶固定，腔长只有微米量级，而毛细管长度为数厘米，在外部应力作用下，整个玻璃毛细管的伸缩效应都会影响法珀微腔的长度，从而可以对相同应变条件下的腔长变化产生增敏效果，使得波长偏移-应变灵敏度或者腔长-应变灵敏度得到显著提升，对于总长度为4cm 的传感器，腔长-应变灵敏度为51.55nm/με，应变线性度为0.99964，对应波长- 应变灵敏度可达4.12nm/με。

2、制备方法简单，成本低：采用玻璃毛细管与单模光纤制作具有增敏效果的法珀微腔用于应变传感，结构简单，原材料成本低，并且易于制作。

3、使用寿命长：该曾敏型光纤法珀微腔应变传感器的整个法珀微腔及前后两段标准单模光纤裸纤均使用玻璃毛细管封装，具有较好的力学一致性，在拉伸过程中不宜断裂，更有利于实现较大范围的应变测量。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明用于应变传感的传感装置图；

图3是玻璃毛细管长度为40mm，腔长为20μm的增敏型光纤法珀微腔应变传感器施加不同纵向应变时的反射光谱；

图4增敏型光纤法珀微腔应变传感器的腔长－应变关系图。

附图标记说明如下：

1、引入端标准单模光纤；2、反射端标准单模光纤；3、玻璃毛细管；4、法珀微腔；5、紫外胶；6、应变传感器；7、SLED光源；8、光谱分析仪；9、光纤环行器；10、第一机械位移台；11、第二机械位移台。

具体实施方式

下面将结合实施例和附图对本发明进行详细地说明。

参见图1，本发明提供的一种增敏型光纤法珀微腔应变传感器，

由两段单模光纤和玻璃毛细管3构成，两段单模光纤的裸纤段通过紫外胶同轴固定于数厘米长的玻璃毛细管内，两段单模光纤的裸纤段端面均垂直于玻璃毛细管3的轴线且端面间距为数微米到数十微米。

参见图2，上述装置用于应变传感的基本原理是：光波由引入端标准单模光纤1入射，当引入光纤端光纤纤芯1内部传输的光到达法珀微腔4即引入端的裸纤端面时，发生第一次反射。在该界面处，一部分光被反射，其余部分光继续在法珀微腔传输。在该腔中，介质是折射率为1的空气。当在法珀微腔中继传输的部分光遇到反射端标准单模光纤2的裸纤段端面时，一部分光被反射，其余部分被透射到反射端标准单模光纤2继续传输。反射光返回并重新进入引入端标准单模光纤1时，与引入端标准单模光纤1端面的部分反射光发生干涉。

由于两光纤端面反射率较低，增敏型光纤法珀微腔应变传感器的反射率可表示为

其中，λ为光波波长，d为法珀腔腔长，R为两光纤端面的反射率。

如果有宽带光发射的宽带光照射该传感器，则反射光谱会因法珀微腔的干涉效应产生多个反射峰。对于第m阶反射峰，其峰值波长λ_m需要满足

这意味着

4d＝(2m+1)λ_m

对于另一q阶次的反射峰，有

4d＝(2q+1)λ_q

结合上面两个式子可以得到

由反射光谱，根据该式可以求得腔长。

将光纤法珀微腔传感器固定于待测物体表面，或直接嵌入至待测物体内部，传感器将随物体表面或内部结构一起发生应变。假定玻璃毛细管有效工作长度为L_e,在一定应变作用下，法珀微腔腔长变化量为Δd，该腔长变化量可以由应变作用前后反射光谱求得的腔长值取差值得到。因此，可以得到应变值为

虽然法珀微腔腔长只有微米量级，而毛细管长度为数厘米，在外部应变作用下，整个玻璃毛细管的长度变化都会直接转化为法珀微腔的长度变化，从而可以对相同应变条件下的腔长变化产生增敏效果，使得波长偏移-应变灵敏度或者腔长-应变灵敏度得到显著提升。

本发明提供的增敏型光纤法珀微腔应变传感器的具体制作方法，包括下述步骤：

步骤1：首先去除两段单模光纤端部2厘米的涂覆层后得到直径为125μm 的裸纤，再用光纤切割刀垂直切割端面，并对光纤端面做抛光处理，保证两个光纤端面的绝对平整；

步骤2：将两段单模光纤使用五维调节架在显微镜下插入内径为128μm长度数厘米的玻璃毛细管中，并调整两光纤端面间距至20μm，形成法珀微腔；

步骤3：在玻璃毛细管3两端与单模光纤相接处外部涂抹紫外胶5，使用紫外灯照射固化，实现两根单模光纤与玻璃毛细管3的稳固连接。

利用以上步骤制作了腔长为20μm、玻璃毛细管长度为4cm的光纤法珀微腔应变传感器。将所制作的传感器6固定于第一机械位移台10和第二机械位移台11上，并通过光纤环行器9与SLED光源7相连，光纤环行器9第三端口接光谱分析仪8，搭建光纤应变传感测量装置，如图2所示。所述SLED光源7 发射的宽带光经过光纤环行器9第一端口入射，由第二端口出射，照射到应变传感器6上，此时法珀微腔入射端和反射端两个光纤端面的反射光发生双光束干涉，干涉光从光纤环行器9的第二端口入射，第三端口出射，并被光纤光谱分析仪8接收。

初始腔长为20μm，玻璃毛细管长度分别为4cm在不同应变下的反射光谱如图3所示，可见应变引起反射光谱的显著变化，法珀腔腔长变化极为显著。

利用反射光谱实时分析法珀微腔腔长得到腔长相比于初始状态下的变化量，可直接由ε＝Δd/L_e得到应变量。两根增敏型光纤法珀微腔应变传感器的法珀微腔腔长-应变关系如图4所示。法珀微腔腔长与应变之间有良好的线性效果，并且具有极高的灵敏度，对于总长度为4cm的传感器，腔长-应变灵敏度为 51.55nm/με，应变线性度为0.99964。另外，对应波长-应变灵敏度可达4.12nm/με，远高于通常的光纤法珀腔应变传感器。

Claims (2)

1.一种增敏型光纤法珀微腔应变传感器，由两段单模光纤和玻璃毛细管（3）构成，两段单模光纤的裸纤段通过紫外胶同轴固定于数厘米长的玻璃毛细管内，两段单模光纤的裸纤段端面均垂直于玻璃毛细管（3）的轴线且端面间距为数微米到数十微米。

2.根据权利要求1所述的一种增敏型光纤法珀微腔应变传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：首先去除两段单模光纤的端部涂覆层后得到裸纤段，再用光纤切割刀垂直切割其端面，并对端面做抛光处理；

步骤2：将两段单模光纤的裸纤段分别插入玻璃毛细管的两端，调整两裸纤的端面间距至数微米至数十微米；

步骤3：在玻璃毛细管和单模光纤接触处涂抹紫外胶并固化。