CN113188691A - 一种光纤法布里-珀罗密封腔压力传感器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤法布里‑珀罗密封腔压力传感器及制备方法，属于压力传感器技术领域。该传感器包括第一光纤、毛细管和第二光纤，所述第一光纤和第二光纤位于毛细管的内侧，且第二光纤与第一光纤不接触，所述第一光纤、毛细管和第二光纤三者一次性焊接固定，并在第二光纤与第一光纤之间形成密封的法布里‑珀罗腔压力传感单元。采用CO2激光光纤熔焊机一次性通光焊接第一光纤、毛细管和第二光纤，形成密封的法布里‑珀罗腔压力传感单元，对焊接点B进行抛光后，该压力传感单元即可直接进行压力传感，大大简化了法布里‑珀罗腔的制备工艺，提高了压力传感器的制作效率，降低了压力传感器的制作成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤法布里-珀罗密封腔压力传感器及制备方法，属于压力传感器技术领域。
背景技术
基于全光纤法布里-珀罗腔的传感器具有良好的耐高温性能，常用于航空航天、油气井、核电反应堆等高温场所下的温度、压力和应变参数等的监测。在压力传感器中，密封法布里-珀罗腔可以将外界压力的变化转换为腔长的变化，在压力传感中尤为重要。
例如，公开号为CN102587893A的中国专利文献，公开了一种光纤温度压力传感器探头，它包括主体保护套筒以及固定设置于主体保护套筒一端的主体套筒，其特征是在主体套筒两端分别固定设置有光纤法布里帕罗腔保护套筒和光纤光栅保护件，光纤法布里帕罗腔保护套筒插入到主体保护套筒中；在光纤法布里帕罗腔保护套筒上与主体套筒相对的一端固定设置有石英玻璃进压管；在主体套筒中固定设置插芯，在插芯中设置有由石英玻璃毛细管以及自石英玻璃毛细管两端插入并固定的第一光纤段和第二光纤段，在石英玻璃毛细管中保持间隔的第一光纤段和第二光纤段组成光纤法布里帕罗腔；所述插芯与石英玻璃毛细管之间的配合方式为间隙配合且使用玻璃焊料焊接的方式密封固定；在第一光纤段上设置有光栅，光栅两端用高温密封胶粘接在光纤光栅保护件上且使所述光栅保持一定弧度的弯曲，并处于不受力自由状态，作为光纤温度传感器。光纤温度压力传感器探头在与测量介质接触的部位均采用玻璃焊料焊接方式进行密封固定，鉴于玻璃焊料的材质，密封部位可以耐受高温高压以及井下的液气腐蚀。
但是，在该光纤温度压力传感器探头的制备过程中，需要多次焊接才能形成布里帕罗腔，且布里帕罗腔需要进行多重封装保护才能应用，由此可见，该光纤温度压力传感器探头的布里帕罗腔制备工艺复杂，制作效率低，制造成本高。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种光纤法布里-珀罗密封腔压力传感器及制备方法。
本发明通过以下技术方案得以实现：
一种光纤法布里-珀罗密封腔压力传感器，包括第一光纤、毛细管和第二光纤，所述第一光纤和第二光纤位于毛细管的内侧，且第二光纤与第一光纤不接触，所述第一光纤、毛细管和第二光纤三者一次性焊接固定，并在第二光纤与第一光纤之间形成密封的法布里-珀罗腔压力传感单元。
所述第一光纤和第二光纤均为单模光纤，单模光纤的直径为125μm。
所述毛细管为石英毛细管，石英毛细管的内径为130μm，外径为310μm，长度为5cm。
所述第二光纤与毛细管满焊连接，且第二光纤上远离第一光纤的一端与毛细管的端面共面。
一种光纤法布里-珀罗密封腔压力传感器的制备方法，包括以下主要步骤：
步骤1、截取毛细管：切割石英毛细管，得到所需长度的毛细管，
步骤2、清洁：去除第一光纤、毛细管和第二光纤的表面污物，
步骤3、切割光纤：切割第一光纤和第二光纤，获得平整端面，
步骤4、焊接：将第一光纤和第二光纤分别从毛细管的两端插入，第一光纤上的平整端面靠近第二光纤上的平整端面，并使第一光纤与第二光纤不接触，对第一光纤、毛细管和第二光纤进行一次性焊接固定，得到密封的法布里-珀罗腔，
步骤5、抛光减薄：对第二光纤与毛细管之间的焊接点B进行抛光，在第二光纤的端面形成敏感膜片。
所述步骤1中采用陶瓷刀片切割石英毛细管，所述步骤2中分别使用沾有无水乙醇的无尘纸擦拭毛细管和去除涂覆层的第一光纤、第二光纤，以去除表面污物，所述步骤3中采用光纤切割刀切割第一光纤和第二光纤。
所述步骤4中采用CO2激光光纤熔焊机一次性通光焊接第一光纤、毛细管和第二光纤。
所述步骤4中的焊接方法包括以下步骤：
(1)将第一光纤的平整端从毛细管的一端插入，并使第一光纤的平整端与毛细管的另一端相距约5mm；
(2)将已插入第一光纤的毛细管固定在CO2激光光纤熔焊机的一侧，将第二光纤固定在CO2激光光纤熔焊机的另一侧，在手动模式下，调整CO2激光光纤熔焊机两侧的驱动马达，使第二光纤与毛细管的管口对正，并插入到毛细管中，直至第二光纤的端面与第一光纤的端面接触，然后通过程序调整第二光纤端面与第一光纤端面相距50μm；
(3)启动CO2激光光纤熔焊机一次性通光焊接第一光纤、毛细管和第二光纤，形成密封的法布里-珀罗腔。
所述步骤(3)中激光功率为300bit，通光时长为5s。
所述步骤5中抛光减薄的方法包括以下步骤：
①使用显微镜观察量取第二光纤与毛细管之间焊接点B的长度；
②将粗糙度为15μm的研磨纸安装到研磨机上，对焊接点B进行粗磨，将其长度研磨至100μm，并使用无尘纸擦除研磨过程产生的残留物；
③更换粗糙度为3μm的研磨纸对焊接点B进行细磨，将其长度研磨到8～20μm，使用无尘纸擦除研磨过程产生的残留物，并擦拭干净第二光纤的端面。
本发明的有益效果在于：
1、采用CO2激光光纤熔焊机一次性通光焊接第一光纤、毛细管和第二光纤，形成密封的法布里-珀罗腔压力传感单元，对焊接点B进行抛光后，该压力传感单元即可直接进行压力传感，大大简化了法布里-珀罗腔的制备工艺，提高了压力传感器的制作效率，降低了压力传感器的制作成本。
2、石英毛细管和光纤的正常工作温度远高于320℃，使传感器能够在更高温度下进行压力传感，在地下油井、核反应堆以及内燃机燃烧室等高温场所具有良好的应用前景。
3、外界压力通过敏感膜片直接挤压法布里-珀罗腔使其腔长变化，灵敏度好。
4、敏感膜片的直径不大于130μm，敏感部位尺寸小，可以进行小范围的点测量。
5、毛细管尺寸固定的情况下，可以通过抛光使敏感膜片的厚度减小，以提高传感器的灵敏度，传感器尺寸变化不大，有利于提高传感器安装便利性。
6、毛细管的内径为130μm，光纤直径为125μm，尺寸相差较小，且两个反射面分别被焊接点A和焊接点B可靠固定，使两个反射面保持平行，确保传感器检测结果可靠。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的法布里-珀罗腔的显微图；
图3为本发明的光纤法布里-珀罗密封腔压力传感器的显微图；
图4为本发明的光纤法布里-珀罗密封腔压力传感器的反射光谱图；
图5为本发明的光纤法布里-珀罗密封腔压力传感器的灵敏曲线图。
图中：1-第一光纤，2-毛细管，3-第二光纤，4-焊接点A，5-焊接点B，6-法布里-珀罗腔。
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
如图1至图5所示，本发明所述的一种光纤法布里-珀罗密封腔压力传感器，包括第一光纤1、毛细管2和第二光纤3，所述第一光纤1和第二光纤3位于毛细管2的内侧，且第二光纤3与第一光纤1不接触，所述第一光纤1、毛细管2和第二光纤3三者一次性焊接固定，并在第二光纤3与第一光纤1之间形成密封的法布里-珀罗腔6压力传感单元。在使用时，第一光纤1与毛细管2之间的焊接点为焊接点A4，焊接点A4靠近第一光纤1的平整端面，第二光纤3与毛细管2之间的焊接点为焊接点B5。第一光纤1、毛细管2和第二光纤3三者一次性焊接固定，形成密封的法布里-珀罗腔6压力传感单元，该法布里-珀罗腔6可以直接应用，大大简化了法布里-珀罗腔6的制备工艺，提高了制作效率，降低了制作成本。
所述第一光纤1和第二光纤3均为单模光纤，单模光纤的直径为125μm。
所述毛细管2为石英毛细管，石英毛细管的内径为130μm，外径为310μm，长度为5cm。
所述第二光纤3与毛细管2满焊连接，且第二光纤3上远离第一光纤1的一端与毛细管2的端面共面。
一种光纤法布里-珀罗密封腔压力传感器的制备方法，包括以下主要步骤：
步骤1、截取毛细管：切割石英毛细管，得到所需长度的毛细管2，
步骤2、清洁：去除第一光纤1、毛细管2和第二光纤3的表面污物，
步骤3、切割光纤：切割第一光纤1和第二光纤3，获得平整端面，确保第一光纤1和第二光纤3的端面(即反射面)对光信号具有良好的反射效果。
步骤4、焊接：将第一光纤1和第二光纤3分别从毛细管2的两端插入，第一光纤1上的平整端面靠近第二光纤3上的平整端面，并使第一光纤1与第二光纤3不接触，对第一光纤1、毛细管2和第二光纤3进行一次性焊接固定，得到密封的法布里-珀罗腔6，
步骤5、抛光减薄：对第二光纤3与毛细管2之间的焊接点B5进行抛光，在第二光纤3的端面形成敏感膜片。
所述步骤1中采用陶瓷刀片切割石英毛细管，所述步骤2中分别使用沾有无水乙醇的无尘纸擦拭毛细管2和去除涂覆层的第一光纤1、第二光纤3，以去除表面污物，所述步骤3中采用光纤切割刀切割第一光纤1和第二光纤3。
所述步骤4中采用CO2激光光纤熔焊机一次性通光焊接第一光纤1、毛细管2和第二光纤3。在使用时，光纤和毛细管2吸收激光能量熔融，冷却后连接在一起。
所述步骤4中的焊接方法包括以下步骤：
(1)将第一光纤1的平整端从毛细管2的一端插入，并使第一光纤1的平整端与毛细管2的另一端相距约5mm；
(2)将已插入第一光纤1的毛细管2固定在CO2激光光纤熔焊机的一侧，将第二光纤3固定在CO2激光光纤熔焊机的另一侧，在手动模式下，调整CO2激光光纤熔焊机两侧的驱动马达，使第二光纤3与毛细管2的管口对正，并插入到毛细管2中，直至第二光纤3的端面与第一光纤1的端面接触，然后通过程序调整第二光纤3端面与第一光纤1端面相距50μm；
(3)启动CO2激光光纤熔焊机一次性通光焊接第一光纤1、毛细管2和第二光纤3，形成密封的法布里-珀罗腔6。在使用时，利用CO2激光正对第一光纤1和第二光纤3之间的空气腔中心进行一次性通光焊接，即得到密封的法布里-珀罗腔6。
所述步骤(3)中激光功率为300bit，通光时长为5s。
所述步骤5中抛光减薄的方法包括以下步骤：
①使用显微镜观察量取第二光纤3与毛细管2之间焊接点B5的长度；
②将粗糙度为15μm的研磨纸安装到研磨机上，对焊接点B5进行粗磨，将其长度研磨至100μm，并使用无尘纸擦除研磨过程产生的残留物；
③更换粗糙度为3μm的研磨纸对焊接点B5进行细磨，将其长度研磨到8～20μm，使用无尘纸擦除研磨过程产生的残留物，并擦拭干净第二光纤3的端面。在使用时，将焊接点B5的长度研磨到10μm时，压力传感器的灵敏度较好。
如图4所示，利用SM125传感分析仪的反射光谱测试方法，对图1所示的光纤法布里-珀罗密封腔压力传感器光谱进行了测试，可以观测到高对比度的法布里-珀罗干涉光谱。
如图5所示，利用SM125传感分析仪的反射光谱测试方法，对图1所示的光纤法布里-珀罗密封腔传感器在压力升高过程中的光谱进行测试并记录，解调光谱得到压力灵敏度数据及波长随压力变化曲线。
具体的，当外界压力作用在第二光纤3上远离第一光纤1的一端时，第二光纤3与第一光纤1之间的距离变化与外界压力变化呈线性关系，即法布里-珀罗腔6的腔长变化与外界压力变化呈线性关系。外部解调仪发出一束光信号，通过第一光纤1传递到法布里-珀罗腔6，此光信号通过第二光纤3反射回第一光纤1，传递回外部解调仪，从而得到法布里-珀罗腔6的腔长信息，通过监测法布里-珀罗腔6的腔长变化信息即可得到外界压力变化信息。
与公开号为CN102587893A的对比文件相比，本发明具有以下有益效果：
1、对比文件中的传感器需要进行多重封装保护后才能使用；而本申请中采用CO2激光光纤熔焊机一次性通光焊接第一光纤1、毛细管2和第二光纤3，形成密封的法布里-珀罗腔6压力传感单元，对焊接点B5进行抛光后，该压力传感单元即可直接进行压力传感，大大简化了法布里-珀罗腔6的制备工艺，提高了压力传感器的制作效率，降低了压力传感器的制作成本。
2、对比文件中的传感器受封装材料和金属外壳等限制，其耐受温度为320℃；而本申请中的石英毛细管和光纤的正常工作温度远高于320℃，使传感器能够在更高温度下进行压力传感，在地下油井、核反应堆以及内燃机燃烧室等高温场所具有良好的应用前景。
3、对比文件中是通过外界压力使毛细管的长度变化，从而使光纤法布里帕罗腔的长度发生变化；而本申请中外界压力通过敏感膜片直接挤压法布里-珀罗腔6使其腔长变化，由此可见，本申请中的压力传感器的灵敏度远高于对比文件。
4、对比文件中通过整根毛细管进行传感，尺寸较大，对传感环境的区域有更多要求；而本申请中敏感膜片的直径不大于130μm，敏感部位尺寸小，可以进行小范围的点测量。
5、对比文件中通过整根毛细管进行传感，提高灵敏度只能更换长度更长的毛细管进行实现，传感器整体尺寸变化大；而本申请中在毛细管2尺寸固定的情况下，可以通过抛光使敏感膜片的厚度减小，以提高传感器的灵敏度，传感器尺寸变化不大，有利于提高传感器安装便利性。
6、对比文件中毛细管的内径为0.15mm～0.3mm，与光纤的直径相差大，且光纤与毛细管的焊接点距光纤端面较远，两个焊接点之间的光纤会因重力作用出现弯曲现象，使法布里-珀罗腔的两个反射面不平行，存在传感器检测结果降低，甚至失效的风险；而本申请中毛细管2的内径为130μm，光纤直径为125μm，尺寸相差较小，且两个反射面分别被焊接点A4和焊接点B5可靠固定，使两个反射面保持平行，确保传感器检测结果可靠。
Claims (10)
1.一种光纤法布里-珀罗密封腔压力传感器，其特征在于：包括第一光纤(1)、毛细管(2)和第二光纤(3)，所述第一光纤(1)和第二光纤(3)位于毛细管(2)的内侧，且第二光纤(3)与第一光纤(1)不接触，所述第一光纤(1)、毛细管(2)和第二光纤(3)三者一次性焊接固定，并在第二光纤(3)与第一光纤(1)之间形成密封的法布里-珀罗腔(6)压力传感单元。
2.如权利要求1所述的光纤法布里-珀罗密封腔压力传感器，其特征在于：所述第一光纤(1)和第二光纤(3)均为单模光纤，单模光纤的直径为125μm。
3.如权利要求1所述的光纤法布里-珀罗密封腔压力传感器，其特征在于：所述毛细管(2)为石英毛细管，石英毛细管的内径为130μm，外径为310μm，长度为5cm。
4.如权利要求1所述的光纤法布里-珀罗密封腔压力传感器，其特征在于：所述第二光纤(3)与毛细管(2)满焊连接，且第二光纤(3)上远离第一光纤(1)的一端与毛细管(2)的端面共面。
5.一种光纤法布里-珀罗密封腔压力传感器的制备方法，其特征在于：包括以下主要步骤：
步骤1、截取毛细管：切割石英毛细管，得到所需长度的毛细管(2)；
步骤2、清洁：去除第一光纤(1)、毛细管(2)和第二光纤(3)的表面污物；
步骤3、切割光纤：切割第一光纤(1)和第二光纤(3)，获得平整端面；
步骤4、焊接：将第一光纤(1)和第二光纤(3)分别从毛细管(2)的两端插入，第一光纤(1)上的平整端面靠近第二光纤(3)上的平整端面，并使第一光纤(1)与第二光纤(3)不接触，对第一光纤(1)、毛细管(2)和第二光纤(3)进行一次性焊接固定，得到密封的法布里-珀罗腔(6)；
步骤5、抛光减薄：对第二光纤(3)与毛细管(2)之间的焊接点B(5)进行抛光，在第二光纤(3)的端面形成敏感膜片。
6.如权利要求5所述的光纤法布里-珀罗密封腔压力传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤1中采用陶瓷刀片切割石英毛细管；所述步骤2中分别使用沾有无水乙醇的无尘纸擦拭毛细管(2)和去除涂覆层的第一光纤(1)、第二光纤(3)，以去除表面污物；所述步骤3中采用光纤切割刀切割第一光纤(1)和第二光纤(3)。
7.如权利要求5所述的光纤法布里-珀罗密封腔压力传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤4中采用CO2激光光纤熔焊机一次性通光焊接第一光纤(1)、毛细管(2)和第二光纤(3)。
8.如权利要求7所述的光纤法布里-珀罗密封腔压力传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤4中的焊接方法包括以下步骤：
(1)将第一光纤(1)的平整端从毛细管(2)的一端插入，并使第一光纤(1)的平整端与毛细管(2)的另一端相距约5mm；
(2)将已插入第一光纤(1)的毛细管(2)固定在CO2激光光纤熔焊机的一侧，将第二光纤(3)固定在CO2激光光纤熔焊机的另一侧，在手动模式下，调整CO2激光光纤熔焊机两侧的驱动马达，使第二光纤(3)与毛细管(2)的管口对正，并插入到毛细管(2)中，直至第二光纤(3)的端面与第一光纤(1)的端面接触，然后通过程序调整第二光纤(3)端面与第一光纤(1)端面相距50μm；
(3)启动CO2激光光纤熔焊机一次性通光焊接第一光纤(1)、毛细管(2)和第二光纤(3)，形成密封的法布里-珀罗腔(6)。
9.如权利要求8所述的光纤法布里-珀罗密封腔压力传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中激光功率为300bit，通光时长为5s。
10.如权利要求5所述的光纤法布里-珀罗密封腔压力传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤5中抛光减薄的方法包括以下步骤：
①使用显微镜观察量取第二光纤(3)与毛细管(2)之间焊接点B(5)的长度；
②将粗糙度为15μm的研磨纸安装到研磨机上，对焊接点B(5)进行粗磨，将其长度研磨至100μm，并使用无尘纸擦除研磨过程产生的残留物；
③更换粗糙度为3μm的研磨纸对焊接点B(5)进行细磨，将其长度研磨到8～20μm，使用无尘纸擦除研磨过程产生的残留物，并擦拭干净第二光纤(3)的端面。
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