CN114018432A - 一种全光纤端面集成最小化温度液压传感器及其构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全光纤端面集成最小化温度液压传感器及其构建方法，包括膜层、空芯光纤、光纤光栅结构、单模光纤，其中空芯光纤、光纤光栅结构、单模光纤依次熔接形成F‑P腔，在单模光纤的一端端口处利用高强度的飞秒激光脉冲或者紫外光直接照射相位掩模形成衍射条纹曝光光敏光纤，从而形成周期性的光纤光栅结构，从而制作出所需要的FBG；本发明能够实现稳定的压力和温度检测。利用了光纤的微结构对光的干涉结果解调出外界的温度和液压变化，涉及了光纤F‑P腔的构建与解调，光纤光栅的计算与构建及其数据的解调。
Description
技术领域
本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种全光纤端面集成最小化温度液压传感器及其构建方法。
背景技术
随着社会的发展和各种检测技术的不断更迭以及科研工作者的不断探索和研究，对于各种物理参量的检测有了更高的要求和更好的方法。而压力和温度都是其中重要的测量参量。近年来越来越多科研人员的目光放在了将传感器与生物医疗或柔性器件结合起来，传统的压力传感器和温度传感器在如今的探测中已经逐渐不能满足探测需求，去制备更高的灵敏度、更强的抗干扰能力、更小的尺寸的传感器成为现在研究的热门方向。
而传统电学传感器由于其材料受限的因素有着不耐高温、抗电磁干扰性差、尺寸难以做的很小等缺点；传统接触式温度传感器对于微小的温度变化不敏感，灵敏度较低，并且测量误差较大，非接触式温度传感器利用辐射测温，需要修正其表面材料的发射率，修正方法复杂；现有的套管式光纤压力传感器装配困难，一致性较差，易造成一定的误差，并且密封性较差；套管套在光纤外面，整体传感器的直径不一致，对应用造成一定的限制。
发明内容
发明目的：针对现有技术中的不足，为了克服现有技术的不足，尤其是传感器尺寸过大，抗电磁干扰内力差的缺点，本发明的目的是提供一种全光纤端面集成最小化温度液压传感器及其构建方法，可以稳定有效地测量外界的液压与温度变化，且传感器的空间分辨率和灵敏度都较高，应用性强。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种全光纤端面集成最小化温度液压传感器，包括膜层、空芯光纤、光纤光栅结构、单模光纤，所述空芯光纤为上部开口的空心柱体结构，空芯光纤布置于单模光纤的上端，所述膜层覆盖于空芯光纤的开口端，所述空芯光纤、光纤光栅结构、单模光纤形成F-P腔；所述单模光纤为空心的光纤，光纤光栅结构位于单模光纤的轴心处。
作为更进一步的优选方案，光纤光栅结构的长度为10μm-10mm。
作为更进一步的优选方案，F-P腔的长度为0.1μm-1000μm。
作为更进一步的优选方案，膜层的厚度约为50nm-10μm。
一种全光纤端面集成最小化温度液压传感器及其构建方法，包括以下步骤：
步骤一：将空芯光纤切割或腐蚀成适当的长度，大致长度范围为0.1μm-1000μm，将单模光纤用氢氟酸腐蚀做表面平整度处理；
步骤二：将处理好的空芯光纤与处理好的单模光纤熔接起来；
步骤三：膜层也采用光纤材质材料，如单模光纤或者单模光纤，保证传感器由全光纤材质构成，将处理好的膜层与熔接好的空芯光纤的另一端熔接起来，形成F-P腔结构，最大程度保证传感器的密闭性；
步骤四：将膜层利用氢氟酸腐蚀的方法处理，通过腐蚀时间控制膜厚，以达到我们所需要的要求；
步骤五：在光纤的一端端口处利用高强度的飞秒激光脉冲或者紫外光直接照射相位掩模形成衍射条纹曝光光敏光纤，从而形成周期性的光纤光栅结构，从而制作出所需要的FBG。
有益效果
本发明的全光纤端面集成最小化温度液压传感器，能够实现稳定的压力和温度检测。利用了光纤的微结构对光的干涉结果解调出外界的温度和液压变化，涉及了光纤F-P腔的构建与解调，光纤光栅的计算与构建及其数据的解调。
同时，本发明具有以下优势：(1)传感器的制备工艺简单，制作成本低廉。(2)采用全光纤光路设计，整体为全石英结构，无陶瓷套管，密闭性好，机械性能好，传感器无分离光学元件，结构简单，对外界电磁干扰具有优良的抵抗性。(3)将温度检测模块和压力检测模块集成在一根光纤上，集成度高，体积小，空间分辨率高，构建成的光纤传感器具有体积小，可弯曲等特性，能够在复杂的环境中完成检测任务。(4)传感器具有压力和温度检测模块，通过光谱解调可以解决FBG探测器对压力和温度的交叉敏感性的缺点。(5)传感器灵敏度高，对于压力的测量可达到0.01mmHg，对于温度的测量灵敏度可达到0.05℃。(6)传感器对压力的敏感部分是F-P腔的后端膜，膜层厚度很薄使传感器体积小且灵敏度高，压力敏感部分位于光纤最前端，对于液压的检测更为方便。
附图说明
图1是本发明全光纤端面集成最小化温度液压传感器的结构示意图；
图2是本发明传感器的检测原理图；
图3是本发明传感器的光谱图；
图4是本发明的制备方法示意图。
具体实施方式
如图1所示是本发明的一种全光纤端面集成最小化温度液压传感器结构示意图，其结构包括膜层1、空芯光纤2、光纤光栅结构3、单模光纤4，空芯光纤2也可以选材为玻璃管。
本实施例以空芯光纤2为例，空芯光纤2作为F-P的空腔长度在0.1μm-1000μm之间，在空芯光纤2的上端通过熔接的方式与腐蚀好的膜层1连接在一起，膜层1的厚度在50nm-10μm之间。空芯光纤2的尾端也通过熔接的方式与单模光纤4连接在一起，单模光纤4的长度可根据具体的应用场景来确定。然后通过相位掩模或者飞秒脉冲照射单模光纤4的轴心位置，形成光纤光栅结构3(即FBG)，进行FBG的制作，FBG的长度为10μm-10mm之间，光栅周期为536nm。
其中，探测光通过光纤尾端进入传感器，传感器位于所检测环境中，由于所检测环境中的温度和压力变化导致F-P腔和FBG的结构发生改变，使得反射光中的光谱特性发生变化，通过解调可以实时检测出外界环境的压力和温度变化。
图2所示是传感器的检测过程，其中1、2、3分别是环路器的3个端口，光源发出宽谱光通过1号端口进入环路器，然后宽谱光从2号端口入射进传感器内部，传感器处于待测环境中，待测环境的相关物理参数变化导致传感器的结构发生变化，从而完成对入射光光谱的调制，从传感器反射回的反射光携带着调制信息通过环路器的3号端口进入数据采集系统进行数据采集与解调，从而达到检测待测环境相应参数的目的。
宽谱光入射进传感器，传感器结构受到外界环境变化的影响对入射光进行调制，反射光携带者调制信息通过环形器进入数据采集模块，然后通过解调得出探测信息。
本发明通过F-P腔的反射光谱可以有效的测量出外界的液压变化，通过FBG的反射光谱结合之前的液压变化可以有效地解调出外界的温度变化。同时，本发明使用短腔结构，将温度和液压传感模块集成在一起，传感器的空间分辨率和灵敏度都较高，传感器整体采用全石英结构，密封性好，结构简单，机械性能好，并且由于光纤的可弯曲性、耐高温和强的抗电磁干扰能力使其可以在复杂的环境中完成探测工作。
图3为计算得到的传感器光谱图，相关参数分别是F-P腔长为30μm，FBG长度为2μm，调制深度为1*10^-4,光栅周期为536nm,经过相关计算，FBG的温度灵敏度约为7.03pm/℃，FP的压力敏感度为0.01mmHg。
本实施例的传感器制备方法，包括以下步骤：
如图4所示：
(1)将空芯光纤2或者毛细玻璃管切割或腐蚀成适当的长度，大致长度范围为0.1μm-1000μm，将单模光纤4用氢氟酸腐蚀做表面平整度处理。
(2)将处理好的空芯光纤2或者毛细玻璃管与处理好的单模光纤4熔接起来。
(3)将处理好的膜与熔接好的空芯光纤2或毛细玻璃管的另一端熔接起来，形成F-P腔结构。
(4)将后端的膜利用氢氟酸腐蚀的方法处理，通过腐蚀时间控制膜厚，以达到我们所需要的要求。
(5)在光纤的一端端口处利用高强度的飞秒激光脉冲或者紫外光直接照射相位掩模形成衍射条纹曝光光敏光纤，从而形成周期性的光纤光栅结构3，从而制作出所需要的FBG。
在传感器的制作工程中，主要需要注意的是FBG的栅格刻写的准确性，栅格的刻写误差对光栅的布拉格波长有较大的影响，容易造成与探测光不匹配或者解调出现错误。空芯光纤2的长度要控制的较好，其长度作为F-P腔的腔长，对压力传感器的光谱解调有着较为重要的影响，后端膜的材料选择对该传感器的灵敏度也有这很大的影响，不同材料的膜具有不同的检测特性。所述器件均是通过光纤熔接的方式连接，构成本发明所述的温度液压传感器，连接方法简单，易于制作。
本发明所使用的光纤光栅的相关原理公式如下：
R＝|rg|2δn＝n1-n0
L＝mΛ
其中，rg为反射系数,R为反射率，δn是FBG的调制深度，Λ为光栅周期，L为光栅长度，q为相应的系数。
上式给出了FBG的温度敏感原理，其中λB为光纤光栅的布拉格波长，neff为光纤的有效折射率，ξ为光纤的热光系数，α为光纤的热膨胀系数。
F-P腔的相关原理公式也在下面给出：
其中，IR为反射光光强，I0为入射光光强，R为端面反射率，n为F-P空气腔折射率，L为腔长，λ为入射光波长。
本发明的信号获取及光谱分析如下：在光纤中打入一束宽谱光，光通过光纤光栅在光栅布拉格波长λFBG处光栅有反射，而其他波长可以透过，可以通过λFBG的变化获取光纤光栅对外界环境变化的响应。F-P腔的后向反射光谱，通常可以观察反射光谱波峰波谷的波长变化，或者选取波峰波谷波长的中间值λQ，读取其强度变化(认为该处附近近似线性变化)实现信号解调。在实际操作中，设计好F-P腔的长度和光栅的在周期可以实现对特定波长λFBG的选取，从而满足λFBG避开F-P腔的Q值点。
本发明的技术难点为相较于现有的F-P结构的传感器而言，现有传感器很难将F-P腔与FBG在很小的体积上连接起来，本发明通过熔接腐蚀的方法制备F-P腔，并在光纤近F-P腔的一端直接以飞秒或掩模的方式将FBG写入，可以将F-P腔和FBG最小化的结合起来，传感器的大小可以做到毫米量级。并且，本发明还是一种全玻璃的传感器结构，前端F-P腔的膜通过腐蚀控制其厚度，可以达到很高的灵敏度，并且由于全玻璃结构使得传感器的量程更大。本发明也对传统F-P腔传感器的温度压力交叉敏感做出了优化，通过F-P和FBG的自身特性，通过解调算法将温度和压力解调出来，实现了温度压力的传感测量。
本发明相较于现有的传感器的优势在于：最小化的集成，可以将F-P腔和FBG集成到毫米量级，能更好的探测复杂的测量环境(主要优势)；集成于光纤端面上的传感器结构及其全玻璃的材质可以使其更好的适应液体环境下的温度和液压传感；通过两者的温度压力交叉敏感解调出探测参数；全玻璃的传感器在保证灵敏度的前提下有更大的测量量程。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种全光纤端面集成最小化温度液压传感器，其特征在于：包括膜层（1）、空芯光纤（2）、光纤光栅结构（3）、单模光纤（4），所述空芯光纤（2）为上部开口的空心柱体结构，空芯光纤（2）布置于单模光纤（4）的上端，所述膜层（1）覆盖于空芯光纤（2）的开口端，所述空芯光纤（2）、光纤光栅结构（3）、单模光纤（4）形成F-P腔；所述单模光纤（4）为空心的光纤，光纤光栅结构（3）位于单模光纤（4）的轴心处。
2.根据权利要求1所述的一种全光纤端面集成最小化温度液压传感器，其特征在于：所述光纤光栅结构（3）的长度为10μm-10mm。
3.根据权利要求1所述的一种全光纤端面集成最小化温度液压传感器，其特征在于：所述F-P腔的长度为0.1μm-1000μm。
4.根据权利要求1所述的一种全光纤端面集成最小化温度液压传感器，其特征在于：所述膜层（1）的厚度约为50nm-10μm。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种全光纤端面集成最小化温度液压传感器及其构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将空芯光纤（2）切割或腐蚀成适当的长度，大致长度范围为0.1μm-1000μm，将单模光纤（4）用氢氟酸腐蚀做表面平整度处理；
步骤二：将处理好的空芯光纤（2）与处理好的单模光纤（4）熔接起来；
步骤三：将膜层（1）与熔接好的空芯光纤（2）的另一端熔接起来，形成F-P腔结构；
步骤四：将膜层（1）利用氢氟酸腐蚀的方法处理，通过腐蚀时间控制膜厚，以达到我们所需要的要求；
步骤五：在光纤的一端端口处利用高强度的飞秒激光脉冲或者紫外光直接照射相位掩模形成衍射条纹曝光光敏光纤，从而形成周期性的光纤光栅结构（3），从而制作出所需要的FBG。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20220208 |