CN112880888A - 基于气泡微腔细芯光纤的传感器的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于气泡微腔细芯光纤的传感器的制作方法，具体实施步骤为：首先将两根细芯光纤间隔30微米左右放置在熔接机中，调节熔接机的放电时间，得到表面呈圆弧状的细芯光纤；将第一根光纤的圆弧端面切掉，得到一个平整的光纤端面，分别在两根光纤的两个端面上涂覆液体；然后再将两根光纤放入熔接机中，手动调节两根光纤，让其端面紧密接触，并使两根光纤端面有一定的压力；调节熔接机中电弧的放电时间和放电功率，使其在两根光纤中间产生一个气泡，形成法布里‑珀罗微腔；最后制作基于法布里‑珀罗微腔的细芯气泡光纤的拉力传感器。利用本发明制作的传感器具有温度和弯曲不敏感的特性，在各种复杂环境下的拉力监测中，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，特别涉及一种基于气泡微腔细芯光纤的传感器的制作方法。
背景技术
光纤传感器以其远程控制、体积小、灵敏度高的优点得到了广泛的研究。光纤拉力传感器作为拉力传感器的一个重要部分，已成功地应用于实际测量中。光纤干涉仪如萨格纳克干涉仪、迈克尔逊干涉仪、法布里-珀罗干涉仪、马赫-曾德尔干涉仪等用于监测温度、折射率、拉力和材料构成。当入射光的频率满足其共振条件时，法布里-珀罗干涉仪的透射谱会出现很高的峰值，对应着很高的透射率。与其他干涉仪相比，法布里-珀罗可以有效地应用于光纤有限的空间环境中，这在复杂的自然和化学环境中，是很重要的一个功能。
光纤法布里-珀罗干涉仪具有结构更加紧凑的优点。使其在应变、拉力、高灵敏度温度、高灵敏度压力等众多传感应用中发挥了主导作用。已广泛应用于生物医学、健康监测等领域。
光纤内含有气泡也可以作为传感介质形成法布里-珀罗腔。气泡微腔细芯光纤传感器具有制作简便、坚固耐用、体积小、灵敏度高等优点，在各种复杂环境下的拉力监测中具有良好的应用前景。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于气泡微腔细芯光纤的传感器的制作方法，主要是在光纤中使其产生法布里-珀罗微腔，从而制作出温度不敏感、弯曲不敏感的气泡微腔细芯光纤的拉力传感器，最终具有良好的应用前景。
本发明提供了一种基于气泡微腔细芯光纤的传感器的制作方法，具体步骤如下：
S1、将两根切割平整的细芯光纤间隔30微米左右放置在熔接机中，经熔接机中电弧放电，调节熔接机的放电时间为1400ms，通过熔接机的显示器观察细芯光纤表面的形状；
S2、用光纤切割刀将步骤S1得到的第一根光纤的圆弧端面切掉，得到一个平整的光纤端面，分别在第一根光纤和第二根光纤的两个端面上涂覆液体；
S3、再将步骤S2中两根涂覆液体的光纤放入熔接机中，手动调节放入熔接机中的两根光纤，让其端面紧密接触，并使两根光纤端面有一定的压力，同时调节熔接机中电弧的放电时间为1000ms，使其在两根光纤中间产生气泡，并形成一个法布里-珀罗微腔；
S4、制作基于法布里-珀罗微腔的细芯气泡光纤的传感器：
S41、测量步骤S3获得的气泡大小随放电次数的变化情况，根据法布里-珀罗微腔的细芯气泡光纤的气泡尺寸的变化规律公式，改变熔接机电弧的放电次数，调节熔接机的放电时间持续为700ms，通过熔接机的显示器观察气泡的变化情况，利用光学显微镜对气泡的具体尺寸进行测量，变化规律表达式为：
其中，xt是熔接机的放电次数，yl是气泡的长度；
S42、测量步骤S3获得的气泡的干涉谱随温度大小的变化情况，将步骤S3获得的具有法布里-珀罗微腔的细芯气泡光纤放置到温控台上，并将具有法布里-珀罗微腔的细芯气泡光纤、宽带激光器和光谱分析仪分别与环形器的端口连接，进行温度测量；
S421、将宽带激光器和环形器的第一端口相连，将放置在温控台上的具有法布里-珀罗微腔的细芯气泡光纤和环形器的第二端口连接，将光谱分析仪与和环形器的第三端口连接；
S422、改变温控台的温度，温度调节范围从20℃到150℃之间，通过光谱分析仪测量气泡的干涉谱，对温度进行测量；
S43、测量步骤S3获得的气泡的干涉谱随弯曲程度大小的变化情况，将步骤S3获得的具有法布里-珀罗微腔的细芯气泡光纤按照不同曲率进行弯曲，且气泡处在弯曲部分中，并将按照不同曲率进行弯曲的细芯气泡光纤、宽带激光器和光谱分析仪分别与环形器的端口连接，进行弯曲测量；
S431、将宽带激光器和环形器的第一端口相连，将按照不同曲率进行弯曲的细芯气泡光纤和环形器的第二端口连接，将光谱分析仪与和环形器的第三端口连接；
S432、改变气泡光纤的弯曲曲率，通过光谱分析仪测量气泡干涉谱，对弯曲进行测量；
S44、测量步骤S3获得的气泡的干涉谱随拉力大小的变化情况，将步骤S3获得的具有法布里-珀罗微腔的细芯气泡光纤、宽带激光器和光谱分析仪分别与环形器的端口连接，进行拉力测量；
S441、将宽带激光器和环形器的第一端口相连，将具有法布里-珀罗微腔的细芯气泡光纤和环形器的第二端口连接，将光谱分析仪与和环形器的第三端口连接；
S442、在具有法布里-珀罗微腔的细芯气泡光纤的一端施加拉力，光谱分析仪测量气泡干涉谱，对拉力进行测量，光谱分析仪测得的干涉谱的波谷和拉力的线性关系的表达式为：
y＝0.00208x+1482.74
其中，x是拉力，y是干涉谱的波谷。
可优选的是，在步骤S1中，所述细芯光纤的纤芯为1.8微米，包层直径为125微米。
可优选的是，在本方法中，所述熔接机中电弧放电的放电功率均为标准功率。
可优选的是，在步骤S2中，所述液体指的是酒精、水或者甘油。
可优选的是，在步骤S44中，所述拉力测量中拉力的取值范围为0N-5N。
可优选的是，在步骤S4中，所述细芯气泡光纤传感器基于法布里-珀罗微腔，法布里-珀罗微腔中两个相干光之间干涉的具体表达式为：
其中，I1和I2是气泡微腔两个壁产生的相干光的光强，Φ是两个相干光之间的相位差。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
本发明中的气泡微腔细芯光纤传感器具有制作简便、坚固耐用、体积小、灵敏度高等优点，还具有温度不敏感、弯曲不敏感的特性。
本发明的气泡传感单元位于光纤内部，因此在各种复杂环境下的拉力监测中具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明基于气泡微腔细芯光纤的传感器的制作方法的流程图；
图2为本发明基于气泡微腔细芯光纤的传感器的制作方法中气泡的示意图；
图3为本发明基于气泡微腔细芯光纤的传感器的制作方法中气泡长度随电弧放电次数变化的分布图；
图4为本发明基于气泡微腔细芯光纤的传感器的制作方法中制作传感器的流程图；
图5是本发明基于气泡微腔细芯光纤的传感器的制作方法中气泡的干涉谱波谷受温度影响的分布图；
图6是本发明基于气泡微腔细芯光纤的传感器的制作方法中气泡的干涉谱波谷受曲率影响的分布图；
图7是本发明基于气泡微腔细芯光纤的传感器的制作方法中气泡的干涉谱线随拉力变化的分布图；
图8是本发明基于气泡微腔细芯光纤的传感器的制作方法中气泡的干涉谱波谷随拉力的变化分布图。
具体实施方式
为详尽本发明之技术内容、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。
基于气泡微腔细芯光纤的传感器的制作方法，如图1所示，首先将两根切割平整的细芯光纤间隔30微米左右放置在熔接机中，经熔接机中电弧放电，调节熔接机放电时的放电功率为标准，放电时间为1400ms，通过熔接机的显示器观察细芯光纤表面的形状；用光纤切割刀将步骤一得到的第一根光纤的圆弧端面切掉，得到一个平整的光纤端面，分别在第一根光纤和第二根光纤的两个端面上涂覆液体；然后手动调节放入熔接机中的两根光纤，让其端面紧密接触，并使两根光纤端面有一定的压力，同时调节熔接机中电弧放电的放电功率为标准，放电时间为1000ms经熔接机电弧放电后两根光纤熔接在一起，并可在熔接机显示器处观察到光纤中间产生一个气泡，形成法布里-珀罗微腔；此制作方法可以获得不同大小的气泡。具体实施步骤如下：
S1、将两根切割平整的细芯光纤间隔30微米左右放置在熔接机中，经熔接机中电弧放电，调节熔接机放电时的放电功率为标准，放电时间为1400ms，通过熔接机的显示器观察细芯光纤表面的形状，最终得到表面呈圆弧状的细芯光纤。
S2、用光纤切割刀将步骤S1得到的第一根光纤的圆弧端面切掉，得到一个平整的光纤端面，分别在第一根光纤和第二根光纤的两个端面上涂覆液体，液体可以是酒精、水或者甘油等等。
S3、再将步骤S2中两根涂覆液体的光纤放入熔接机中，手动调节放入熔接机中的两根光纤，让其端面紧密接触，并使两根光纤端面有一定的压力，同时调节熔接机放电时的放电功率为标准，放电时间为1000ms，使其在两根光纤中间产生气泡，并形成一个法布里-珀罗微腔，熔接机放电时液体汽化就会产生气泡。
S4、制作基于法布里-珀罗微腔的细芯气泡光纤的传感器：
S41、测量步骤S3获得的气泡大小随放电次数的变化情况，根据法布里-珀罗微腔的细芯气泡光纤的气泡尺寸的变化规律公式，改变熔接机电弧的放电次数，调节熔接机放电时的放电功率为标准，放电时间持续为700ms，通过熔接机的显示器观察气泡的变化情况，利用光学显微镜对气泡的具体尺寸进行测量，变化规律具体表达式为：
其中，xt是熔接机的放电次数，yl是气泡的长度；
随着熔接机电弧放电的不断延长，气泡尺寸的变化趋势变慢，细芯光纤中气泡尺寸的变化，主要是因为随着熔接机电弧放电，气泡旁边的纤维包层熔化并结合在一起，从而减小了气泡的储存。由于熔接机电弧放电对气泡周围纤维包层材料熔化的影响随着气泡尺寸的减小而减弱，气泡的大小的变化趋势也变慢。
S42、测量步骤S3获得的气泡的干涉谱随温度大小的变化情况，将步骤S3获得的具有法布里-珀罗微腔的细芯气泡光纤放置到温控台上，并将具有法布里-珀罗微腔的细芯气泡光纤、宽带激光器和光谱分析仪分别与环形器的端口连接，进行温度测量，如图4所示；
S421、将宽带激光器和环形器的第一端口相连，将放置在温控台上的具有法布里-珀罗微腔的细芯气泡光纤和环形器的第二端口连接，将光谱分析仪与和环形器的第三端口连接；
S422、改变温控台的温度，温度调节范围从20℃到150℃之间，通过光谱分析仪测量气泡的干涉谱，对温度进行测量；
光谱分析仪监测到气泡干涉谱的波谷的变化主要是由气泡纤维涂层材料的变形引起的，温度对超薄芯光纤中气泡的干涉谱表现出相对不敏感的影响。
S43、测量步骤S3获得的气泡的干涉谱随弯曲程度大小的变化情况，将步骤S3获得的具有法布里-珀罗微腔的细芯气泡光纤按照不同曲率进行弯曲，且气泡处在弯曲部分中，并将按照不同曲率进行弯曲的细芯气泡光纤、宽带激光器和光谱分析仪分别与环形器的端口连接，进行弯曲测量；
S431、将宽带激光器和环形器的第一端口相连，将按照不同曲率进行弯曲的细芯气泡光纤和环形器的第二端口连接，将光谱分析仪与和环形器的第三端口连接；
S432、改变气泡光纤的弯曲曲率,通过光谱分析仪测量气泡干涉谱，对弯曲进行测量；
光谱分析仪监测到气泡干涉谱的波谷的变化主要是由气泡纤维涂层材料的变形引起的，弯曲曲率对细芯光纤中气泡的干涉谱表现出相对不敏感的影响。
S44、测量步骤S3获得的气泡的干涉谱随拉力大小的变化情况，将步骤S3获得的具有法布里-珀罗微腔的细芯气泡光纤、宽带激光器和光谱分析仪分别与环形器的端口连接，进行拉力测量；
S441、将宽带激光器和环形器的第一端口相连，将具有法布里-珀罗微腔的细芯气泡光纤和环形器的第二端口连接，将光谱分析仪与和环形器的第三端口连接；
S442、在具有法布里-珀罗微腔的细芯气泡光纤的一端施加拉力，拉力的范围是0N-5N，光谱分析仪测量气泡干涉谱，对拉力进行测量，光谱分析仪测得的干涉谱的波谷和拉力的线性关系的表达式为：
y＝0.00208x+1482.74
其中，x是拉力，y是干涉谱的波谷。
随着拉力的增加光谱仪监测到的谱线出现红移现象。
在步骤S1中，细芯光纤的纤芯为1.8微米，包层直径为125微米。
在步骤S4中，细芯气泡光纤传感器基于法布里-珀罗微腔，法布里-珀罗微腔中两个相干光之间干涉的具体表达式为：
其中，I1和I2是气泡微腔两个壁产生的相干光的光强，Φ是两个相干光之间的相位差。
一些光纤传感器对多个物理场敏感，这增加了交叉影响。设计一种对一个物理场敏感而对其他物理场不敏感的传感器是非常必要的。
以下结合实施例对本发明一种基于气泡微腔细芯光纤的传感器的制作方法做进一步描述：
S1、取两根纤芯为1.8微米，包层直径为125微米的细芯光纤，并将细芯光纤切割平整，将两根切割平整的细芯光纤间隔30微米左右放置在熔接机中，经熔接机中电弧放电，调节熔接机放电时的放电功率为标准，放电时间为1400ms，通过熔接机的显示器观察直到得到表面呈圆弧状的细芯光纤。
S2、用光纤切割刀将步骤S1得到的第一根光纤的圆弧端面切掉，得到一个平整的光纤端面，分别在第一根光纤和第二根光纤的两个端面上涂覆酒精。
S3、再将步骤S2中两根涂覆液体的光纤放入熔接机中，手动调节放入熔接机中的两根光纤，让其端面紧密接触，并使两根光纤端面有一定的压力，同时调节熔接机放电时的放电功率为标准，放电时间为1000ms，使其在两根光纤中间产生气泡，并形成一个法布里-珀罗微腔，如图2所示。
S4、制作基于法布里-珀罗微腔的细芯气泡光纤的传感器：
S41、测量步骤S3获得的气泡大小随放电次数的变化情况，根据法布里-珀罗微腔的细芯气泡光纤的气泡尺寸的变化规律公式，改变熔接机电弧的放电次数，调节熔接机放电时的放电功率为标准，放电时间持续为700ms，通过熔接机的显示器观察气泡的变化情况，利用光学显微镜对气泡的具体尺寸进行测量，如图3所示，随着熔接机电弧放电时间的不断延长，气泡尺寸的变化趋势变慢。
S42、测量步骤S3获得的气泡的干涉谱随温度大小的变化情况，将步骤S3获得的具有法布里-珀罗微腔的细芯气泡光纤放置到温控台上，并将具有法布里-珀罗微腔的细芯气泡光纤、宽带激光器和光谱分析仪分别与环形器的端口连接，进行温度测量，如图4所示；
S421、将宽带激光器和环形器的第一端口相连，将放置在温控台上的具有法布里-珀罗微腔的细芯气泡光纤和环形器的第二端口连接，将光谱分析仪与和环形器的第三端口连接，在气泡的正面和背面产生两束反射光，两束反射光发生干涉，用光谱分析仪记录气泡的干涉谱；
S422、改变温控台的温度，温度调节范围从20℃到150℃之间，通过光谱分析仪测量气泡的干涉谱，对温度进行测量，如图5所示，随着温控台温度的不断升高，气泡干涉谱波谷基本不发生变化，由此可知温度对细芯气泡微腔光纤的干涉谱表现出相对不敏感的影响。
S43、测量步骤S3获得的气泡的干涉谱随弯曲程度大小的变化情况，将步骤S3获得的具有法布里-珀罗微腔的细芯气泡光纤按照不同曲率进行弯曲，且气泡处在弯曲部分中，并将按照不同曲率进行弯曲的细芯气泡光纤、宽带激光器和光谱分析仪分别与环形器的端口连接，进行弯曲测量；
S431、将宽带激光器和环形器的第一端口相连，将按照不同曲率进行弯曲的细芯气泡光纤和环形器的第二端口连接，将光谱分析仪与和环形器的第三端口连接，在气泡的正面和背面产生两束反射光，两束反射光发生干涉，用光谱分析仪记录气泡的干涉谱；
S432、改变气泡光纤的弯曲曲率，通过光谱分析仪测量气泡干涉谱，对弯曲进行测量，如图6所示，随着弯曲曲率的不断变大，气泡干涉谱波谷基本不发生变化，由此可知弯曲曲率的大小对细芯气泡微腔光纤的干涉谱表现出相对不敏感的影响。
S44、测量步骤S3获得的气泡的干涉谱随拉力大小的变化情况，将步骤S3获得的具有法布里-珀罗微腔的细芯气泡光纤、宽带激光器和光谱分析仪分别与环形器的端口连接，进行拉力测量；
S441、将宽带激光器和环形器的第一端口相连，将具有法布里-珀罗微腔的细芯气泡光纤和环形器的第二端口连接，将光谱分析仪与和环形器的第三端口连接，在气泡的正面和背面产生两束反射光，两束反射光发生干涉，用光谱分析仪记录气泡的干涉谱；
S442、在具有法布里-珀罗微腔的细芯气泡光纤的一端施加拉力，拉力的范围是0N-5N，光谱分析仪测量气泡干涉谱，对拉力进行测量，如图7所示，随着拉力的改变，谱线会发生移动。随着拉力的增加，谱线发生红移现象。此传感器对拉力的灵敏度为2.908nm/N。如图8所示，光谱分析仪测得的气泡干涉谱的波谷和拉力呈正比例线性关系。
本发明将具有法布里-珀罗微腔的细芯气泡光纤连接到光路中进行拉力监测，在0N-5N的拉力范围内，拉力灵敏度达到2.908nm/N；通过本发明制作方法获得的传感器具有温度不敏感和弯曲不敏感的特性，这种具有法布里-珀罗微腔的细芯气泡光纤的传感器不仅制作简单而且坚固耐用，在各种复杂环境下的拉力监测中具有良好的应用前景。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于气泡微腔细芯光纤的传感器的制作方法，其特征在于，具体步骤如下：
S1、将两根切割平整的细芯光纤间隔30微米左右放置在熔接机中，经熔接机中电弧放电，调节熔接机的放电时间为1400ms，通过熔接机的显示器观察细芯光纤表面的形状；
S2、用光纤切割刀将步骤S1得到的第一根光纤的圆弧端面切掉，得到一个平整的光纤端面，分别在第一根光纤和第二根光纤的两个端面上涂覆液体；
S3、再将步骤S2中两根涂覆液体的光纤放入熔接机中，手动调节放入熔接机中的两根光纤，让其端面紧密接触，并使两根光纤端面有一定的压力，同时调节熔接机中电弧的放电时间为1000ms，使其在两根光纤中间产生气泡，并形成一个法布里-珀罗微腔；
S4、制作基于法布里-珀罗微腔的细芯气泡光纤的传感器：
S41、测量步骤S3获得的气泡大小随放电次数的变化情况，根据法布里-珀罗微腔的细芯气泡光纤的气泡尺寸的变化规律公式，改变熔接机电弧的放电次数，调节熔接机的放电时间持续为700ms，通过熔接机的显示器观察气泡的变化情况，利用光学显微镜对气泡的具体尺寸进行测量，变化规律表达式为：
其中，xt是熔接机的放电次数，yl是气泡的长度；
S42、测量步骤S3获得的气泡的干涉谱随温度大小的变化情况，将步骤S3获得的具有法布里-珀罗微腔的细芯气泡光纤放置到温控台上，并将具有法布里-珀罗微腔的细芯气泡光纤、宽带激光器和光谱分析仪分别与环形器的端口连接，进行温度测量；
S421、将宽带激光器和环形器的第一端口相连，将放置在温控台上的具有法布里-珀罗微腔的细芯气泡光纤和环形器的第二端口连接，将光谱分析仪与和环形器的第三端口连接；
S422、改变温控台的温度，温度调节范围从20℃到150℃之间，通过光谱分析仪测量气泡的干涉谱，对温度进行测量；
S43、测量步骤S3获得的气泡的干涉谱随弯曲程度大小的变化情况，将步骤S3获得的具有法布里-珀罗微腔的细芯气泡光纤按照不同曲率进行弯曲，且气泡处在弯曲部分中，并将按照不同曲率进行弯曲的细芯气泡光纤、宽带激光器和光谱分析仪分别与环形器的端口连接，进行弯曲测量；
S431、将宽带激光器和环形器的第一端口相连，将按照不同曲率进行弯曲的细芯气泡光纤和环形器的第二端口连接，将光谱分析仪与和环形器的第三端口连接；
S432、改变气泡光纤的弯曲曲率，通过光谱分析仪测量气泡干涉谱，对弯曲进行测量；
S44、测量步骤S3获得的气泡的干涉谱随拉力大小的变化情况，将步骤S3获得的具有法布里-珀罗微腔的细芯气泡光纤、宽带激光器和光谱分析仪分别与环形器的端口连接，进行拉力测量；
S441、将宽带激光器和环形器的第一端口相连，将具有法布里-珀罗微腔的细芯气泡光纤和环形器的第二端口连接，将光谱分析仪与和环形器的第三端口连接；
S442、在具有法布里-珀罗微腔的细芯气泡光纤的一端施加拉力，光谱分析仪测量气泡干涉谱，对拉力进行测量，光谱分析仪测得的干涉谱的波谷和拉力的线性关系的表达式为：
y＝0.00208x+1482.74
其中，x是拉力，y是干涉谱的波谷。
2.根据权利要求1所述的基于气泡微腔细芯光纤的传感器的制作方法，其特征在于，在步骤S1中，所述细芯光纤的纤芯为1.8微米，包层直径为125微米。
3.根据权利要求1所述的基于气泡微腔细芯光纤的传感器的制作方法，其特征在于，在本方法中，所述熔接机中电弧放电的放电功率均为标准功率。
4.根据权利要求1所述的基于气泡微腔细芯光纤的传感器的制作方法，其特征在于，在步骤S2中，所述液体指的是酒精、水或者甘油。
5.根据权利要求1所述的基于气泡微腔细芯光纤的传感器的制作方法，其特征在于，在步骤S44中，所述拉力测量中拉力的取值范围为0N-5N。
6.根据权利要求1所述的基于气泡微腔细芯光纤的传感器的制作方法，其特征在于，在步骤S4中，所述细芯气泡光纤传感器基于法布里-珀罗微腔，法布里-珀罗微腔中两个相干光之间干涉的具体表达式为：
其中，I1和I2是气泡微腔两个壁产生的相干光的光强，Φ是两个相干光之间的相位差。
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