CN113029428B - 基于光纤内气敏膜的fp气压传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光纤内气敏膜的FP气压传感器，包括单模光纤和石英毛细管光纤；所述石英毛细管光纤的一端与所述单模光纤连接，另外一端为密封端；所述石英毛细管光纤内设有气敏膜，所述气敏膜与所述单模光纤之间的石英毛细管光纤的一侧开有气孔，形成FP空气腔；所述气敏膜与所述密封端之间形成密封腔。本发明传感器的光纤FP空气腔的腔长和腔内气体折射率同时对气压敏感，且体积小、灵敏度高，其制备方法简单易行、成本低廉。

Description

基于光纤内气敏膜的FP气压传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于光纤传感与通信技术领域，具体涉及一种基于光纤内气敏膜的FP气压传感器及其制备方法。
背景技术
光纤气压传感器是工业和环境监测领域中非常重要的设备。在过去的几十年中，基于各种膜片的尖端FP干涉仪(FPI)在压力传感应用中显示出了良好的潜力。常见的光纤气压传感器有光栅型和FP型等，就以光栅型而言，通常以光栅为敏感单元，将外界气体压强的变化转换成栅区位置的膨胀，即栅距的变化，从而带来光谱的漂移。由于气压的变化使光纤(主要材料为SiO2)产生的形变量极小，所以通常这种传感器的灵敏度都不高，如240pm/MPa、137pm/MPa及0.1pm/MPa。用FP型传感器测量气体压强的变化，无非是将外界气压的变化转换成为FP腔折射率的变化或腔长的变化。
基于FP的气压传感器主要包括两种，一种是基于纯石英结构的FP开放腔气压传感器，其空气腔与外界连通，当气压改变时会导致空气折射率改变，进而引起光谱漂移，用来测量气压的变化。还有一种基于膜材料的FP气压传感器，其包括封闭腔和开放腔两种，基于膜材料的开放腔FP气压传感器，由于没有封闭与外界连通，材料膜不会发生形变，因此不会导致空气腔腔长的变化，本质上还是由于气压改变引起的空气折射率变化，即随着气压的改变空气折射率发生变化引起光谱漂移，而基于封闭腔的主要是依靠膜材料自身随气压变化的形变来改变空气腔的长度，实现对气压的测量。
发明内容
本发明旨在解决现有FP气压传感器基于腔长或腔内气体的折射率单一参量对气压敏感的问题，提供一种基于光纤内气敏膜的FP气压传感器及其制备方法，其光纤FP空气腔的腔长和腔内气体折射率同时对气压敏感，且体积小、灵敏度高，其制备方法简单易行、成本低廉。
本发明所采用的技术方案是：
提供一种基于光纤内气敏膜的FP气压传感器，包括单模光纤和石英毛细管光纤；所述石英毛细管光纤的一端与所述单模光纤连接，另外一端为密封端；所述石英毛细管光纤内设有气敏膜，所述气敏膜与所述单模光纤之间的石英毛细管光纤的一侧开有气孔，形成FP空气腔；所述气敏膜与所述密封端之间形成密封腔。
接上述技术方案，所述侧面开孔的石英毛细管光纤的一端通过熔接的方式与所述单模光纤连接。
接上述技术方案，所述石英毛细管光纤的内径为50-100微米，长度大于1毫米。
接上述技术方案，所述气敏膜为弹性材料,厚度为2-10微米。
接上述技术方案，所述气敏膜的材料为PDMS、硅橡胶或者紫外胶。
接上述技术方案，所述密封端为熔接到所述石英毛细管光纤上的一段单模光纤，或者为石英毛细管光纤的空气孔坍塌形成的端面，或者利用胶体形成的密封面。
接上述技术方案，所述FP空气腔的长度为300-500微米。
接上述技术方案，所述气孔的孔径为2-10微米。
本发明还提供一种基于光纤内气敏膜的FP气压传感器的制备方法，包括如下步骤：
(1)将石英毛细管光纤去掉涂覆层，然后用夹具对石英毛细管光纤进行剖磨或利用飞秒激光对石英毛细管光纤的一个侧面打孔；
(2)分别将去除涂覆层的单模光纤和侧面打孔的石英毛细管光纤用切割刀切出平整的端面，将单模光纤一端与侧面打孔的石英毛细管光纤熔接；
(3)将侧面开孔的石英毛细管光纤的另一端在载玻片上蘸取少量液态气压敏感膜；
(4)把蘸取了液态敏感膜的侧面开孔石英毛细管光纤插入到针管里，在显微镜下利用针管的气压对气敏膜进行加压将其推送至距离单模光纤端面一定距离的地方，气敏膜与单模光纤一端之间形成FP空气腔；
(5)将侧面开孔的石英毛细管光纤的另一端密封，密封端与气敏膜之间形成密封腔。
本发明还提供一种光纤传感器的测试系统，该测试系统包括依次连接的宽带光源、光纤环形器、光纤光谱仪，该测试系统还包括与光纤环形器连接的气压传感器，该气压传感器放置在气压室，且该气压传感器为上述技术方案的基于光纤内气敏膜的FP气压传感器。
本发明产生的有益效果是：本发明通过将气敏膜置于侧面开孔的毛细管光纤内部，并将毛细管光纤与单模光纤熔接，在单模光纤端面和气敏膜之间形成一个开放腔FP空气腔；同时将毛细管光纤另一端封死，使其与气敏膜之间形成一个密闭的腔体，在气敏膜的两侧形成气压差。当外界气压增加时，开放腔FP空气腔腔内的气体折射率随之增加，同时气敏膜由于气压作用产生形变从而使FP空气腔的腔长增加。因此本发明可以实现FP空气腔腔内的气体折射率和腔长同时对气压敏感，提高了传感器的测量灵敏度，而且可以对位于毛细管内部的气敏膜形成有效保护。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明实施例基于光纤内气敏膜的FP气压传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例光纤传感器的测试系统示意图；
图中：1.单模光纤，2.石英毛细管光纤，3.气敏膜，4.密封端，5.FP空气腔，6.单模光纤端面，7.气孔，8.基于光纤内气敏膜的FP气压传感器，9.光源，10.环形器，11.光谱仪，12.气压室。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种基于光纤内气敏膜的FP气压传感器可以实现FP空气腔腔内的气体折射率和腔长同时对气压敏感，大大提高气压传感器的灵敏度。
本发明实施例基于光纤内气敏膜的FP气压传感器，包括单模光纤1、侧面开孔的石英毛细管光纤2、气敏膜3。石英毛细管光纤2为内部嵌有石英毛细管的光纤。石英毛细管光纤2的侧面开设气孔7，开孔的一端通过熔接的方式与单模光纤1连接，石英毛细管光纤2的另外一端为密封端4。石英毛细管光纤2内设有气敏膜3，可通过外部加压的方式将气敏膜3吹送至石英毛细管光纤2内部，在单模光纤1端面与气敏膜3之间形成了一个FP空气腔5。气敏膜3与石英毛细管光纤2的密封端之间形成密封腔。
本发明的传感器将气敏膜做到侧面开孔的毛细管光纤内形成开放腔FP空气腔的一个反射面，同时将毛细管光纤的另一端封死与气敏膜在毛细管光纤内形成一个密闭腔。当外界气压发生变化，由于开放腔FP空气腔的腔内气体与外界连通，因此其折射会发生响应变化；同时由于气敏膜的一侧是开放腔，另一侧密闭腔，因此气敏膜会随气压的变化产生形变，从而引起FP空气腔的腔长随气压发生变化。所以本发明突破了现有技术开放腔FP空气腔的腔长无法改变和密闭腔FP空气腔的腔内气压基本不变的限制，构建了腔长和腔内气体折射率同时随气压变化的开放腔FP气压传感器，可以有效提高气压灵敏度。
本发明较佳实施例中，单模光纤1纤芯直径8.2微米，外径为125微米；侧面开孔的石英毛细管光纤空气孔直径为50-100微米，外径为125微米，长度大于1毫米。
气敏膜3为弹性材料，其线膨胀随气压改变的变化率在15微米每兆帕左右的。气敏膜的材料可选用PDMS、硅橡胶、紫外胶等材料，厚度为2-10微米；
英毛细管光纤2的密封端可以为熔接到毛细管光纤上的一段单模光纤，也可以是毛细管的空气孔坍塌形成的端面，还可以利用胶形成的密封面。
侧面开孔的石英毛细管光纤2的侧面空气孔的孔径为2-10微米。气敏膜3与所述单模光纤端面的距离控制在300-500微米之间。
本发明的一个实施例中，上述基于光纤内气敏膜的FP气压传感器的制备方法，包括如下步骤：
(1)将石英毛细管光纤去掉涂覆层，然后用夹具对石英毛细管光纤进行剖磨或利用飞秒激光对石英毛细管光纤的一个侧面打孔；
(2)分别将去除涂覆层的单模光纤和侧面打孔的石英毛细管光纤用切割刀切出平整的端面，将单模光纤一端与侧面打孔的石英毛细管光纤熔接；
(3)将侧面开孔的石英毛细管光纤的另一端在载玻片上蘸取少量液态气压敏感膜；
(4)把蘸取了液态敏感膜的侧面开孔石英毛细管光纤插入到针管里，在显微镜下利用针管的气压对气敏膜进行加压将其推送至距离单模光纤端面一定距离的地方，气敏膜与单模光纤一端之间形成FP空气腔；
(5)将侧面开孔的石英毛细管光纤的另一端密封，密封端与气敏膜之间形成密封腔。
本发明另一实施例基于光纤内气敏膜的FP气压传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1、将石英毛细管光纤去掉涂覆层，然后用夹具对石英毛细管光纤进行剖磨或利用飞秒激光对石英毛细管光纤进行打孔，直径控制在2-10微米，孔深等于毛细管光纤壁厚；
S2、分别将去除涂覆层的单模光纤和侧面打孔的石英毛细管光纤用切割刀切出平整的端面，并分别置于光纤熔接机内置夹具，将单模光纤一端与侧面打孔的石英毛细管光纤熔接；
S3、将侧面开孔的石英毛细管光纤的另一端在载玻片上蘸取少量气压敏感膜，可以是PDMS、石墨烯等对气压敏感的材料；
S4、把蘸取了敏感膜的侧面开孔石英毛细管光纤插入到医用针管里，在显微镜下利用针管的气压对气敏膜进行加压将其推送至距离单模光纤端面300-500微米的地方即可，由于石英毛细管光纤侧面开孔与外界联通，所以很容易将气敏膜推送至光纤内部；
S5、将侧面开孔的石英毛细管光纤另一端封死，隔绝空气，可以采用不同的方法将其封死，如：再焊接一段单模光纤或者直接放电将毛细管的空气孔靠电流熔塌，也可以用其它胶封住。
可见，本发明制备方法简单易行，利用切割熔接将两种不同的光纤熔接在一起，然后利用气体吹送将气敏膜推送至光纤内，不仅保护了膜结构，而且在很大程度上提高了灵敏度。
图2为本发明光纤传感器的测试系统示意图，该测试系统包括宽带光源9、光纤环形器10、光纤光谱仪11和基于光纤内气敏膜的FP气压传感器8，基于光纤内气敏膜的FP气压传感器8为上述实施例的传感器，其主要包括单模光纤1，与单模光纤1相连接的石英毛细管光纤2，且内部有一个圆形FP空气腔5，FP空气腔5上方有一个直径为2-4um的气孔7，使FP空气腔5与外部联通，当气压改变时可以导致FP空气腔5内的气体折射率发生变化，引起光谱飘移。FP空气腔5右边为气敏膜3；石英毛细管光纤2另外一端封死，隔绝空气，以便于当气压改变时由于压力差的原因引起气敏膜3发生形变，进而使FP空气腔5的腔长增加，以达到引起光谱漂移的目的。单模光纤1的另一端与光纤环形器10一端连接，宽带光源9、光纤光谱仪11分别与光纤环形器10的另外两端连接，基于光纤内气敏膜的FP气压传感器8放置在气压室12中。
如图2所示，进行气压传感实验时，将基于光纤内气敏膜的FP气压传感器8密封在气室12中，气室中的气体由气孔7进入空气腔5中，当宽带光源发出的光进入基于光纤内气敏膜的FP气压传感器8时，一部分光会在空气腔5的前壁面发生反射，另一部分光会继续传播并在空气腔5的后壁面气敏膜3上发生反射，两束反射光相遇并产生干涉。
两束反射光的总反射光强为：
Figure BDA0002998209700000081
其中φ为两束反射光的相位延迟，当φ取π的奇数倍时I取最小值，反映在光谱即为反射谱的波谷，可以表示为：
Figure BDA0002998209700000082
其中n是FP空气腔5中气体的折射率，L是FP空气腔的腔长，即单模光纤端面6与气敏膜3前反射端面之间的距离；λ是光在真空中的波长。
对于FP谐振腔而言，其中一个重要的参数为自由光谱范围(λFSR)，是表征反射光谱的一个重要参数，取波长λm的m级条纹与波长λm+1的m+1级条纹重合的位置，即光程差相等，所以：
定义λFSR＝λm-λm+1，则：
Figure BDA0002998209700000083
近似的λ＝λm＝λm+1，则：
Figure BDA0002998209700000084
其中λ为中心波长，n和l为FP空气腔内的气体折射率和FP空气腔腔长。当n和l改变以后会引起光谱的漂移。
由公式(2)可得：
Figure BDA0002998209700000091
其中n和l是随气压变化且存在函数关系，因此气压灵敏度可以表示为：
Figure BDA0002998209700000092
表现在光纤光谱仪中即为光谱波峰的漂移，通过测量输出中心波长的漂移量即可实现气压的传感测量。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于光纤内气敏膜的FP气压传感器，其特征在于，包括单模光纤和石英毛细管光纤；所述石英毛细管光纤的一端与所述单模光纤连接，另外一端为密封端；所述石英毛细管光纤内设有气敏膜，所述气敏膜与所述单模光纤之间的石英毛细管光纤的一侧开有气孔，形成FP空气腔；所述气敏膜与所述密封端之间形成密封腔。
2.根据权利要求1所述的基于光纤内气敏膜的FP气压传感器，其特征在于，所述侧面开孔的石英毛细管光纤的一端通过熔接的方式与所述单模光纤连接。
3.根据权利要求1所述的基于光纤内气敏膜的FP气压传感器，其特征在于，所述石英毛细管光纤的内径为50-100微米，长度大于1毫米。
4.根据权利要求1所述的基于光纤内气敏膜的FP气压传感器，其特征在于，所述气敏膜为弹性材料, 厚度为2-10微米。
5.根据权利要求4所述的基于光纤内气敏膜的FP气压传感器，其特征在于，所述气敏膜的材料为PDMS、硅橡胶或者紫外胶。
6.根据权利要求1所述的基于光纤内气敏膜的FP气压传感器，其特征在于，所述密封端为熔接到所述石英毛细管光纤上的一段单模光纤，或者为石英毛细管光纤的空气孔坍塌形成的端面，或者利用胶体形成的密封面。
7.根据权利要求1所述的基于光纤内气敏膜的FP气压传感器，其特征在于，所述FP空气腔的长度为300-500微米。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的基于光纤内气敏膜的FP气压传感器，其特征在于，所述气孔的孔径为2-10微米。
9.一种基于光纤内气敏膜的FP气压传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将石英毛细管光纤去掉涂覆层，然后用夹具对石英毛细管光纤进行剖磨或利用飞秒激光对石英毛细管光纤的一个侧面打孔；
分别将去除涂覆层的单模光纤和侧面打孔的石英毛细管光纤用切割刀切出平整的端面，将单模光纤一端与侧面打孔的石英毛细管光纤熔接；
将侧面开孔的石英毛细管光纤的另一端在载玻片上蘸取少量液态气压敏感膜；
把蘸取了液态敏感膜的侧面开孔石英毛细管光纤插入到针管里，在显微镜下利用针管的气压对气敏膜进行加压将其推送至距离单模光纤端面一定距离的地方，气敏膜与单模光纤一端之间形成FP空气腔；
将侧面开孔的石英毛细管光纤的另一端密封，密封端与气敏膜之间形成密封腔。
10.一种光纤传感器的测试系统，其特征在于，该测试系统包括依次连接的宽带光源、光纤环形器、光纤光谱仪，该测试系统还包括与光纤环形器连接的气压传感器，该气压传感器放置在一气压室，且该气压传感器为权利要求1-7中任一项所述的基于光纤内气敏膜的FP气压传感器。
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膜片式微型F-P腔光纤压力传感器;于清旭等;《光学精密工程》;20091215(第12期);2887-2892 *

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CN113029428A (zh) 2021-06-25

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