CN110470328B - 一种具有低温漂可填充的光纤fp传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种具有低温漂可填充的光纤FP传感器及其制备方法。所述的制备方法包括如下步骤：将毛细石英管和光纤的端面处理平整并放置入光纤熔接机；利用光纤熔接机的对准机构将光纤插入毛细石英管形成FP腔；使光纤与毛细石英管在熔接区部分熔接固定并且光纤与毛细石英管间存在微小的缝隙；熔接好两端的光纤后利用缝隙进行加压填充液体敏感材料；填充完后用紫外光固化胶水密封毛细石英管端面。本发明的光纤FP传感器温度灵敏度低，制备简便，成本低，易填充敏感材料，具有广泛的应用前景，光纤FP结构的干涉腔长可以做的很短，输出的光能量损失较少,制作时传感器一致性好，腔长误差可以控制1μm。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种具有低温漂可填充的光纤FP传感器及其制备方法。
背景技术
光纤FP干涉仪作为光纤中的四大干涉仪之一，在光纤领域有着很广泛的应用，如光信号的解调、光谱的获取以及信号传感等。而且以其结构简单多变，体积小等优点已被广泛应用于温度、压力、位移、电磁场、流量、速度、应变等多种物理、化学量的测量。光纤FP传感器是目前历史最长、应用最广泛的一种光纤传感器。
光纤FP干涉仪主要分为本征FP和非本征FP。“本征”是指干涉腔由光纤构成，这段光纤对外界信息具有敏感能力，在传感器中既起到传光又其起到传感的作用。“非本征”是指光纤在传感器中仅起到光传输介质的作用，感知外界信息是通过其它功能元件来实现的，非本征FP传感器更容易与不同的敏感材料结合实现不同物理量的传感，且敏感材料比本征光纤对被测量的物理量灵敏度大很多。光纤非本征FP传感器结构具有许多优点，可以通过适当的选择不同光纤种类作为入射端和反射端、不同材料的准直毛细管或空芯光纤及改变干涉腔的结构参数来适应各种不同的传感需要。
为了适应不同场合的传感应用，光纤非本征FP传感器的制作工艺也在不断的丰富。1991年Murphy等(文献1.Murphy K.A.,Gunther M.F.,Vengsarkar A.M.,etal.Quadrature phase-shifted,extrinsic Fabry-Perot optical fiber sensors[J].Optics Letters,1991,16(4):273-275)人使用环氧树脂胶来固定准直毛细管和光纤制作出了最初的非本征FP，这种经典的结构在很久一段时间内被广泛应用，其中间的空气腔部分可以方便的填充敏感材料实现对不同物理量的传感。但是在实际应用中发现传感器中光纤与毛细管的固定是通过胶水粘接，由于胶水的温度特性以及胶水与敏感材料混合后变性，胶水的温度特性极大的影响了传感器的温度特性，带来很大的附加的温度影响。后来采用激光热熔微加工技术将准直毛细管与光纤熔接在一起的技术，这种技术对操作的精度有很高的要求，在较高的精度操作下能带来较好的熔接效果，但是加工成本很高。
2007年Rao Y J(文献2.Rao Yun Jiang,Deng Ming,Duan De Wen,et al.MicroFabry-Perot interferometers in silica fibers machined by femtosecond laser[J].Optics Express,2007,15(21):14123)利用飞秒激光直接在单模光纤进行微腔加工制成的非本征FP传感头，这种结构全光纤结构能很好的消除温度对腔长的影响，开放式的腔结构也很容易填充敏感材料。但是这种技术精度要求高，设备成本要求高，且加工出的光纤端面粗糙不易实现镀膜，输出的干涉光谱质量较差。
2008年段德稳(文献3.段德稳,朱涛,饶云江,等.基于空芯光子晶体光纤的微小型非本征光纤法布里-珀罗干涉应变传感器[J].光学学报,2008,28(1):17-20)等人提出由两端单模光纤中间熔接一段空芯光纤的结构，这种FP传感器制作过程中仅应用了切割和熔接手段，并且两种光纤的材料单一相同，经过实验表明，其不但可以避免温度对被测量交叉敏感的影响，同时还具有较高的应变分辨力，易受振动影响。这种结构的制作较为简单，实现的成本也很低，干涉腔长约为100-500μm，填充敏感材料后敏感材料有很大的吸光度要保证填充后光谱的质量，干涉腔长应尽可能的短减小敏感材料对光的吸收；但是在20-50μm较短腔长下切割空芯光纤的难度增大需要精密的切割设备。这种结构敏感材料填充后在熔接时容易被高温蒸发，且光纤端面无法镀反射膜实现输出光谱的增强。
综上所述，需要填充敏感材料的光纤FP传感器应具备以下特征：固定无胶化，固定结构应为熔接或者全光纤结构，消除胶水固定时敏感材料和胶水混合变性带来的大温漂问题；光纤FP结构的干涉腔长应尽量短，输出的光能量损失较少；光纤端面能镀膜，增加输出干涉光谱的性能；结构能够方便的填充各种液体敏感材料；制作简单成本低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的问题，提出一种具有低温漂可填充的光纤FP传感器及其制备方法，传感器熔接固定具有低温漂、短腔长、可镀膜、制备简便，成本低，易填充敏感材料的优点。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种具有低温漂可填充的光纤FP传感器的制备方法，包括如下步骤：
S1、将毛细石英管和第一光纤的端面处理平整并放置入光纤熔接机，具体操作如下：
利用光纤研磨机，将石英切割刀切割后的毛细石英管的端面磨平，研磨后应用酒精冲洗并烘干，保证毛细石英管内清洁，清洁后的毛细石英管放置在光纤熔接机的一侧夹具上，以便在熔接机中与第一光纤实现对准和插入；第一光纤去掉涂覆层并用光纤切割刀将第一光纤端面切平整，裸光纤长度大于毛细石英管的一半的长度1mm-2mm，将第一光纤放置在熔接机的另一侧夹具上。
S2、利用光纤熔接机的对准机构将第一光纤插入毛细石英管的一端，具体操作如下：
在光纤熔接机上启用手动熔接模式，利用熔接机三维移动夹具平台和图像系统组成的对准机构将第一光纤对准插入毛细石英管；当第一光纤插入到达熔接机光纤一侧夹具电机的最大位置后，把熔接机的防风盖打开，松开光纤一侧夹具将其向插入的反方向手动复位至电机的最小位置，然后在夹紧夹具盖上熔接机防风盖；重复上述步骤插入第一光纤直至第一光纤的涂覆层端面距离毛细石英管的端面1～1.5mm。
S3、整体移动第一光纤与毛细石英管的位置，使光纤熔接机的放电点位于毛细石英管外侧壁上，第一个放电点远离毛细石英管的左侧端面；控制放电强度，使第一光纤和毛细石英管实现部分熔接且第一光纤与毛细石英管间存在缝隙；
再将第一光纤向毛细石英管内推进1-3μm，整体移动第一光纤与毛细石英管的位置，使第二个放电点位于毛细石英管的左侧端面和第一放电点之间；放电熔接第二个熔接点使当前熔接点和下一个熔接点间存在一个压缩预置力以减小传感结构热膨胀带来的温漂影响；
最后将第一光纤向毛细石英管内再推进1-3μm，整体移动第一光纤与毛细石英管的位置，使第三个放电点靠近毛细石英管的左侧端面；放电熔接第三个熔接点，形成熔接区。
将第一光纤的夹具松开，毛细石英管的夹具保持夹持，借助滑轮和150g的砝码对第一光纤施加一个1.5N的轴向力测试熔接的效果，若第一光纤和毛细石英管紧固则进行步骤S4，若第一光纤从毛细石英管中拉出则重复步骤S1-S3。
在第一光纤和毛细石英管之间进行多点放电熔接，并且对熔接点间的第一光纤施加压缩预应力减小传感器的温漂。
S4、重复上述步骤S1-S3在毛细石英管另一端熔接第二光纤，第一光纤和第二光纤插入毛细石英管后光纤端面形成FP腔,在插入和熔接过程中用光纤解调仪进行实时监控FP腔的光谱参数，调节第二光纤的位置使光谱的参数符合要求，生成毛细石英管FP传感结构。
S5、将毛细石英管FP传感结构从光纤熔接机取出后，利用第一光纤和第二光纤与毛细石英管间存在的缝隙进行加压填充液态敏感材料，具体操作如下：将毛细石英管FP传感结构其中一端的尾纤截去，用注射器转接头将毛细石英管和注射器连接，并用融化的蜡密封连接处；注射器先抽取一段空气，再将转接头内注入液态敏感材料，液态敏感材料完全覆盖住毛细石英管，启动注射泵对注射器加压直到毛细石英管的另一端出现液态敏感材料并且传感器的干涉光谱发生明显的变化，保持注射器的压力。
S6、完成填充后用紫外光固化胶水密封毛细石英管的两个端面，具体操作如下：填充完成后将带有尾纤的毛细石英管，用紫外光固化胶水密封快速固化，再将毛细石英管从注射器转接头上取下用紫外光固化胶水密封毛细石英管另一端。
所述的毛细石英管材料的热膨胀系数较小，可以减小传感器的温漂；毛细石英管的外径为1mm，内径略大于单模光纤直径，配合熔接程序实现第一光纤和第二光纤与毛细石英管的部分熔接固定且第一光纤和第二光纤与毛细石英管间存在微小的缝隙。
应用中可以通过对光纤端面进行镀膜增加光纤端面的反射率优化传感器的反射光谱，且上述的传感器制作方法对光纤端面镀的膜不会造成损伤，传感器有很好的稳定性。
一种具有低温漂可填充的光纤FP传感器，包括第一光纤、第二光纤、毛细石英管和填充的液态敏感材料。第一光纤和第二光纤插入毛细石英管后光纤端面形成FP腔，具有低温漂、短腔长、可镀膜的特点。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明固定无胶化，固定结构为熔接固定，消除胶水固定时敏感材料和胶水混合变性带来的大温漂问题；光纤FP结构的干涉腔长可以做的很短为10-50μm，输出的光能量损失较少,制作时传感器一致性好，腔长误差可以控制1μm；光纤端面能镀膜，增加输出干涉光谱的性能；结构能够方便的填充各种液体敏感材料；制作简单成本低，仅使用熔接机和注射泵就能实现传感器的固定和填充。
附图说明
图1为本发明的一种具有低温漂可填充的光纤FP传感器的三维示意图。
图2为上述传感器的轴向剖视图。
图3为上述传感器的截面图。
图4为上述传感器的制作流程。
图5为上述传感器填充敏感材料结构示意图。
图6为使用胶水粘接固定和熔接固定的光纤空气腔FP传感器的温度测试数据。
图7为熔接固定的FP传感器填充敏感材料的温度测试实验数据。
图中，1第一光纤；2第二光纤；3毛细石英管；4液态敏感材料；5熔接点；6紫外光固化胶水；7缝隙；8注射器转接头；9注射器。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明进一步说明。
图1为本发明的一种具有低温漂可填充的光纤FP传感器的三维示意图，传感器由第一光纤1、第二光纤2、毛细石英管3和填充的液体敏感材料4组成。第一光纤1和第二光纤2插入毛细石英管3后光纤端面形成FP腔；熔接时在毛细石英管3侧面控制放电强度使第一光纤1和第二光纤2与毛细石英管3在熔接点5部分熔接固定；熔接后利用第一光纤1和第二光纤2与毛细石英管3因尺寸差异而存在微小的缝隙进行加压填充液体敏感材料4；填充完后用胶水6密封毛细石英管3端面。
图3为本发明的一种具有低温漂可填充的光纤FP传感器的截面图，毛细石英管3长度为1.5cm-2.0cm，外径为1mm，内径为126μm，略大于单模光纤的包层直径125μm。其熔接程序的放电强度为50，放电时间为12000ms，预熔时间1000ms，在熔接时使毛细石英管3与单模光纤部分熔接固定，固定区为熔接区5，缝隙7在熔接区5的另一侧，缝隙7为传感器FP腔填充敏感材料提供了路径。
图4为本发明的一种具有低温漂可填充的光纤FP传感器的制备方法的实施例的流程图。在本实施例中其步骤为：
利用光纤研磨机，将石英切割刀切割后的毛细石英管3的端面磨平，研磨后应用酒精冲洗并烘干，保证毛细石英管3内清洁，清洁后的毛细石英管3放置在光纤熔接机的一侧夹具上，以便在熔接机中与第一光纤1实现对准和插入；第一光纤1去掉涂覆层并用光纤切割刀将第一光纤1端面切平整，裸光纤长度大于毛细石英管3的一半的长度1mm-2mm，将第一光纤1放置在熔接机的另一侧夹具上。
在熔接机上启用手动熔接模式，利用熔接机三维移动夹具平台和图像系统组成的对准机构将第一光纤1对准插入毛细石英管3；当第一光纤1插入到达熔接机光纤一侧夹具电机的最大位置后，把熔接机的防风盖打开，松开光纤一侧夹具将其向插入的反方向手动复位至电机的最小位置，然后在夹紧夹具盖上熔接机防风盖；重复上述步骤插入第一光纤1直至第一光纤1的涂覆层端面距离毛细石英管3的端面1mm。
调整熔接机的电机将第一光纤1与毛细石英管3向第一光纤1一侧的方向整体移动，使毛细石英管3中靠近第一光纤1的端面尽量远离放电点并且放电点在毛细石英管3上；控制放电强度，使第一光纤1和毛细石英管3实现部分熔接并且第一光纤1与毛细石英管3间存在微小的缝隙7；将第一光纤1与毛细石英管3向毛细石英管3一侧的方向移动300μm后，再将第一光纤1再向毛细石英管3内推进1-3μm，放电熔接第二个熔接点使当前熔接点和下一个熔接点间存在一个压缩预置力以减小传感结构热膨胀带来的温漂影响，同样的上述步骤熔接第三个熔接点，形成熔接区5；熔接后进行将第一光纤1的夹具松开，毛细石英管3的夹具保持夹持，借助滑轮和150g的砝码对第一光纤1施加一个1.5N的轴向力测试熔接的效果，若第一光纤1和毛细石英管3紧固的固定则进行下面步骤，若第一光纤1从毛细石英管3中拉出则重复上述步骤。
重复上述步骤在毛细石英管3另一端熔接第二光纤2，在插入和熔接过程中用光纤解调仪进行实时监控FP的光谱参数，动态调节第二光纤2的位置使光谱的参数符合要求，制作好后将毛细石英管FP传感结构取出。
将制作好的毛细石英管FP传感结构其中一端的尾纤截去，用注射器转接头8将毛细石英管3和注射器9连接，并用融化的蜡密封连接处；注射器9先抽取一段空气，再将转接头内注入液态敏感材料4，液态敏感材料4完全覆盖住毛细石英管3，启动注射泵对注射器9加压直到毛细石英管3的另一端出现液态敏感材料4并且传感器的干涉光谱发生明显的变化，保持注射器9的压力。
填充完成后将带有尾纤的毛细石英管3，用紫外光固化胶水6密封快速固化，再将毛细石英管3从转接头上取下用紫外光固化胶水6密封毛细石英管3另一端。
图5为本发明的一种具有低温漂可填充的光纤FP传感器填充敏感材料结构示意图，转接头8连接毛细石英管3和注射器9，敏感材料4注入转接头8内。
图6测试了使用上述步骤制作的空气腔FP传感器和使用传统胶水粘接方法制作的空气腔FP传感器的温度特性。光纤FP传感器的光谱移动量为：
其中Δλm为F-P传感器的谐振峰峰值移动量，λm为F-P传感器的相应谐振波长，n为腔内介质的折射率，Δn为腔内介质的折射率的变化量，当介质为空气时，可以认为折射率不变；l为F-P传感器的腔长，Δl则为F-P传感器的腔长变化量，腔长变化量Δl主要由温度引起的F-P传感结构的热胀冷缩和固定的胶水的热胀冷缩造成的，胶水的热胀系数远大于光纤材料石英的热胀系数。在胶水粘接空气腔FP结构中，光谱的移动主要为胶水的热胀冷缩造成的；熔接空气腔FP结构中，光谱的移动主要为毛细石英管和光纤本身的热胀冷缩造成的。从实验结果中看出，熔接固定的光纤FP传感器的温度灵敏度为4.6pm/℃，胶水固定的光纤FP传感器的温度灵敏度为29.2pm/℃。
图7中测试了用本发明的制作方法制作的填充磁流体的光纤FP磁场传感器的温度特性，由于液体的折射率随温度的变化减小的，传感器的光谱变化主要由磁流体的折射率变化造成的，磁流体传感器的温度灵敏度为-66.4pm/℃。在实验中尝试使用胶水粘接的方法制作磁流体填充的光纤FP传感器，由于磁流体的油基液体和固定的紫外光固化胶水混合，导致固定不稳定，传感器的温度特性差，光谱周期发生较大的变化，无法传感测量，且传感器寿命短，短时间内传感器内的敏感材料就会蒸干导致传感器失效。本发明的制作方法尤其在填充敏感材料时传感器的稳定性、温漂和寿命都要优于传统的胶水固定的。
本发明的一种具有低温漂可填充的光纤FP传感器及其制作方法，制作过程采用商用熔接机能快速的实现传感器的制作固定，并保证传感器制作的一致性和传感器尺寸的精度。传感器还可以通过对光纤镀反射膜的技术增加传感器性能，相比飞秒激光打孔技术和空芯光纤熔接式本发明中的传感器及其制作方法有更广泛的应用且制作成本更低，实现简单。
Claims (6)
1.一种具有低温漂可填充的光纤FP传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将毛细石英管(3)的端面磨平放置在光纤熔接机的一侧夹具上，第一光纤(1)去掉涂覆层，并使裸光纤长度大于毛细石英管(3)的一半的长度1mm-2mm，将第一光纤(1)放置在熔接机的另一侧夹具上；
S2、将第一光纤(1)对准插入毛细石英管(3)，使第一光纤(1)的涂覆层端面距离毛细石英管(3)的端面1～1.5mm；
S3、整体移动第一光纤(1)与毛细石英管(3)的位置，使光纤熔接机的放电点位于毛细石英管(3)外侧壁上，第一个放电点远离毛细石英管(3)的左侧端面；控制放电强度，使第一光纤(1)和毛细石英管(3)实现部分熔接且第一光纤(1)与毛细石英管(3)间存在缝隙(7)；
同样，再将第一光纤(1)向毛细石英管(3)内推进1-3μm，整体移动第一光纤(1)与毛细石英管(3)的位置，使第二个放电点位于毛细石英管(3)的左侧端面和第一放电点之间；
最后将第一光纤(1)向毛细石英管(3)内再推进，整体移动第一光纤(1)与毛细石英管(3)的位置，使第三个放电点靠近毛细石英管(3)的左侧端面；放电熔接第三个熔接点，形成熔接区(5)；
S4、重复上述步骤S1-S3在毛细石英管(3)另一端熔接第二光纤(2)，第一光纤(1)和第二光纤(2)插入毛细石英管(3)后光纤端面形成FP腔,在插入和熔接过程中用光纤解调仪进行实时监控FP腔的光谱参数，调节第二光纤(2)的位置使光谱的参数符合要求，生成毛细石英管FP传感结构；
S5、将毛细石英管FP传感结构从光纤熔接机取出后，利用第一光纤(1)和第二光纤(2)与毛细石英管(3)间存在的缝隙(7)进行加压填充液态敏感材料(4)；
S6、完成填充后用紫外光固化胶水(6)密封毛细石英管(3)的两个端面。
2.如权利要求1所述的具有低温漂可填充的光纤FP传感器的制备方法，其特征在于，步骤S5中，所述加压填充液态敏感材料(4)具体操作为：将毛细石英管FP传感结构其中一端的尾纤截去，用注射器转接头(8)将毛细石英管(3)和注射器(9)连接，并用融化的蜡密封连接处；注射器(9)先抽取一段空气，再将转接头内注入液态敏感材料(4)，液态敏感材料(4)完全覆盖住毛细石英管(3)，启动注射泵对注射器(9)加压直到毛细石英管(3)的另一端出现液态敏感材料(4)并且传感器的干涉光谱发生明显的变化，保持注射器(9)的压力。
3.如权利要求1或2所述的具有低温漂可填充的光纤FP传感器的制备方法，其特征在于，步骤S3中，形成熔接区(5)后，将第一光纤(1)的夹具松开，毛细石英管(3)的夹具保持夹持，对第一光纤(1)施加一个1.5N的轴向力测试熔接的效果，若第一光纤(1)和毛细石英管(3)紧固则进行步骤S4，若第一光纤(1)从毛细石英管(3)中拉出则重复步骤S1-S3。
4.如权利要求1或2所述的具有低温漂可填充的光纤FP传感器的制备方法，其特征在于，步骤S6中，所述的紫外光固化胶水密封操作如下：将带有尾纤的毛细石英管(3)，用紫外光固化胶水(6)密封快速固化，再将毛细石英管(3)从注射器转接头(8)上取下用紫外光固化胶水(6)密封毛细石英管(3)另一端。
5.如权利要求3所述的具有低温漂可填充的光纤FP传感器的制备方法，其特征在于，步骤S6中，所述的紫外光固化胶水密封操作如下：将带有尾纤的毛细石英管(3)，用紫外光固化胶水(6)密封快速固化，再将毛细石英管(3)从注射器转接头(8)上取下用紫外光固化胶水(6)密封毛细石英管(3)另一端。
6.如权利要求1或2或5所述的任一具有低温漂可填充的光纤FP传感器的制备方法得到的光纤FP传感器，其特征在于，所述的毛细石英管(3)材料的热膨胀系数小，毛细石英管的外径为1mm，内径大于单模光纤直径。
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