CN114088284A - 一种反射式气压传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种反射式气压传感器及其制作方法，包括异质双悬挂芯光纤(1)和折射率匹配液(6)，异质双悬挂芯光纤(1)包括空气孔(2)、小悬挂纤芯(3)、大悬挂纤芯(4)和包层(5)，小悬挂纤芯(3)和大悬挂纤芯(4)分别紧贴在空气孔(2)内壁上，空气孔(2)中填充折射率匹配液(6)，异质双悬挂芯光纤(1)一端空气孔端口为密封状态，异质双悬挂芯光纤(1)另一端小悬挂纤芯(3)与单模光纤(9)纤芯连接，折射率匹配液(6)与单模光纤(9)之间空气孔是密闭的；折射率匹配液(6)和密封空气孔端口之间的光纤侧壁上设有微孔(7)。本发明结构紧凑、集成度高，可通过检测干涉峰的漂移量实现气压的精准测量。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种反射式气压传感器及其制作方法，特别是一种基于异质双悬挂芯光纤的反射式气压传感器及其制作方法。
背景技术
传统的气压测量装置一般是电子气压传感器，由于其结构设计简单，制造方便的同时又可以比较准确的测量大气气压等数据，所以使用范围较大。但传统的电子传感器对恶劣环境适应能力较差，比如电容式气压传感器，容易被复杂电磁环境干扰导致输出结果不稳定，甚至无法工作，必须使用一定的屏蔽手段。光纤传感器天然具有抗电磁干扰的特点，可以很好解决上述问题。
常见的反射式光纤气压传感器可分为位移反射面式和形变反射面式两种类型。位移反射面式是利用与光纤纤端相接的密封壳体的一面作为可移动的反射膜片，由于壳体内外气压差不同，反射膜片发生位移，反射膜片到光纤纤端的间距发生改变，导致光纤输出的光场分布发生改变，从而实现气压传感。同理，形变类是利用弹性材料作为反射面，测量时由于气压信号的作用导致反射膜片发生形变，向内凹或向外凸，膜片中心的形变导致光纤纤端与反射膜片之间的距离发生变化。但这两类传感器都存在各自不可忽视的缺点。位移类的反射膜片为了避免形变的影响需要使用刚性材料，这增加了自身的质量，使得气压信号作用使之移动时需要满足一定的条件。形变类的需要计算出反射膜片中心的形变距离，再通过膜片的形变特性，计算出作用到系统的待测气压，对于膜片的形变特性要求高，且计算过程繁琐复杂。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种基于异质双悬挂芯光纤的反射式气压传感器及其制作方法，通过在异质双悬挂芯光纤的空气孔中集成折射率匹配液实现光的分束与合束，利用两束光在不同纤芯中传输的传播常数不同产生相位差，形成迈克尔逊干涉。再通过构建开放空气孔，利用气压变化改变折射率匹配液的位置，建立外界气压与干涉光相位差的联系，通过测量干涉光谱偏移量实现气压传感测量。
为解决上述技术问题，本发明提供的一种反射式气压传感器，包括异质双悬挂芯光纤和折射率匹配液，异质双悬挂芯光纤包括空气孔、一根小悬挂纤芯、一根大悬挂纤芯和包层，小悬挂纤芯和大悬挂纤芯分别紧贴在空气孔的内壁上，空气孔中填充有折射率匹配液，异质双悬挂芯光纤一端的空气孔端口为密封状态，异质双悬挂芯光纤另一端的小悬挂纤芯与单模光纤纤芯对准连接，折射率匹配液与单模光纤之间的空气孔是密闭的；折射率匹配液和密封的空气孔端口之间的光纤侧壁上设有1个微孔，使该段空气孔气压与外界气压一致。
进一步的，宽谱光经单模光纤注入小悬挂纤芯，在折射率匹配液处两悬挂纤芯发生共振耦合，光被分为两束，分别以不同的模式在小悬挂纤芯和大悬挂纤芯中传输，当传输到异质双悬挂芯光纤端面发生反射，并在折射率匹配液处合束，形成迈克尔逊干涉。
进一步的，不同的模式具体为在小悬挂纤芯中以基模形式传输，在大悬挂纤芯中以LP11模形式传输。
进一步的，当外界气压变化时，折射率匹配液在空气孔中移动使折射率匹配液两边的空气孔内的气压达到平衡，折射率匹配液的移动改变小悬挂纤芯和大悬挂纤芯中光的相位差，使干涉光谱发生漂移，通过测量干涉光谱漂移量实现气压传感。
进一步的，空气孔的直径范围为25～31μm；小悬挂纤芯的直径为8.5至10.0μm，小悬挂纤芯与包层折射率差的范围为0.0045至0.0055；大悬挂纤芯的直径为11.5至13.0μm，大悬挂纤芯与包层折射率差的范围为和0.006至0.008；小悬挂纤芯和大悬挂纤芯之间的边缘间距范围为5至8μm。
进一步的，小悬挂纤芯中的基模和大悬挂纤芯中的LP11模在1.2至1.6μm波长范围内的某一波长下满足相位匹配条件，发生共振耦合，实现光分束。
进一步的，折射率匹配液折射率为1.444。
进一步的，密封状态的空气孔端口采用密封胶进行密封。
进一步的，小悬挂纤芯的直径为9μm，小悬挂纤芯与包层的折射率差为0.005；大悬挂纤芯的直径为12.3μm，大悬挂纤芯与包层的折射率差为0.007，空气孔的直径为28μm，小悬挂纤芯与大悬挂纤芯的边缘间距为6.7μm，折射率匹配液的折射率为1.444，小悬挂纤芯中基模和大悬挂纤芯中LP11模在1550nm波长发生共振耦合。
本发明还包括制作上述任意一种反射式气压传感器的方法，包括以下步骤：
步骤1：利用光纤熔接机将异质双悬挂芯光纤的小悬挂纤芯与单模光纤纤芯对准熔接；
步骤2：在距离焊点给定距离处对异质双悬挂芯光纤进行切割；
步骤3：利用飞秒激光在包层距离焊点两个给定位置处各制备一个微孔，利用微孔将空气孔与外界联通；
步骤4：将与微流注射泵连接的微流导管粘接在距焊点较近的微孔上，用于折射率匹配液的注入；
步骤5：将紫外胶液滴滴到异质双悬挂芯光纤端面，在紫外胶因虹吸效应被吸入空气孔给定长度时将光纤脱离液滴并进行固化，实现对空气孔的密封，并切割掉部分密封部分，制备出平整端面用于光反射；
步骤6：将宽谱光注入单模光纤，并用光谱分析仪实时监测反射光谱，利用微流注射泵将折射率匹配液注入空气孔，待反射光谱中出现明显干涉峰时停止注入，取下微流导管并用粘性紫外胶将微孔密封。
本发明的有益效果：本发明利用折射率匹配液将异质双悬挂芯光纤中小悬挂纤芯的光分束，两束光以不同的模式分别在两悬挂纤芯中传输、反射后形成迈克尔逊干涉。利用微孔构建开放空气孔，实现折射率匹配液对外界气压的感应，从而建立外部气压与两束干涉光相位差之间的联系，通过测量干涉光谱漂移量实现气压传感。本发明的优势表现为利用光纤传感器抗电磁干扰的特性，克服了传统电学气压传感器无法在复杂电磁环境下工作的缺点。此外，通过直接利用光纤纤芯端面作为反射面，并利用集成于孔助双芯光纤内部的折射率匹配液实现光的分束、合束与气压感应，实现了反射式光纤气压传感器结构简化。本发明结构紧凑、集成度高，可通过检测干涉峰的漂移量实现气压的精准测量。
附图说明
图1是异质双悬挂芯光纤横截面示意图。
图2是在1550nm波长下中心空气孔折射率为1.444时两悬挂芯模式耦合计算结果。
图3是基于异质双悬挂芯光纤的反射式气压传感器示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
结合图1和图3，本发明的光纤气压传感器由一段异质双悬挂芯光纤和折射率匹配液构成。异质双悬挂芯光纤1由1个中心空气孔2、1根小悬挂纤芯3、1根大悬挂纤芯4和环形包层5构成，小悬挂纤芯1的直径小于大悬挂纤芯2，两悬挂纤芯的折射率和直径均不同。小悬挂纤芯3和大悬挂纤芯4位于中心空气孔2两侧的内壁上。折射率匹配液6利用液滴微流控技术填充于中心空气孔2内，距异质双悬挂芯光纤两端都有一定距离，并与小悬挂纤芯3和大悬挂纤芯4直接接触。异质双悬挂芯光纤1一端的空气孔由密封胶8密封，另一端的小悬挂纤芯3与单模光纤9纤芯对准熔接，中心空气孔被单模光纤包层封闭。密封胶8只存在于中心空气孔2内，用于密封异质双悬挂芯光纤中心空气孔，对光纤端面没有影响。折射率匹配液6和密封胶8之间的光纤侧壁上有一微孔7，将空气孔与外界连通。宽谱光经单模光纤9注入异质双悬挂芯光纤小悬挂纤芯3，在折射率匹配液6处，两悬挂纤芯发生共振耦合，光被分为两束，在两个悬挂纤芯中传输。两悬挂纤芯中的光传输到异质双悬挂芯光纤1端面发生反射，并在折射率匹配液6处合束，形成迈克尔逊干涉。
光分束后在小悬挂纤芯3中以基模形式传输，在大悬挂纤芯4中以LP11模形式传输。两束光的相位差由未填充折射率匹配液部分中小悬挂纤芯3中基模和大悬挂纤芯4中LP11模的传播常数不同导致。
折射率匹配液6与单模光纤9之间的空气孔是密闭的；折射率匹配液6与密封胶8之间的微孔是开放的，经微孔7与外界联通，使该段空气孔气压与外界气压一致。利用飞秒激光器在折射率匹配液和密封胶之间的光纤侧壁上制备一个直径10μm的微孔将折射率匹配液与密封胶之间的空气孔和外界联通。
当外界气压变化时，使得折射率匹配液两边空气孔形成气压差，折射率匹配液6会在空气孔2中移动，来平衡折射率匹配液6两边的空气孔内的气压。折射率匹配液6的移动致使迈克尔逊干涉仪两臂长度改变，引起两悬挂纤芯中光的相位差改变，从而导致干涉光谱漂移，通过测量干涉光谱漂移量实现外界气压传感测量。
中心空气孔2的直径范围为25～31μm；小悬挂纤芯3的直径和小悬挂纤芯3与包层折射率差的范围分别为8.5～10.0μm和0.0045～0.0055；大悬挂纤芯4的直径和大悬挂纤芯4与包层折射率差的范围分别为11.5～13.0μm和0.006～0.008；两悬挂纤芯之间的边缘间距范围为5～8μm。
宽谱光经单模光纤入射到小悬挂纤芯中以基模形式传播，当中心空气孔2中填充折射率匹配液6的折射率为1.444后，使小悬挂纤芯的基模在1.2～1.6μm范围内的某一波长下满足相位匹配条件，通过控制折射率匹配液的填充长度，将50％左右的能量耦合到大悬挂纤芯的LP11模中，将入射光分为两束。分束后，在未填充折射率匹配液部分，光以基模和LP11模分别在两悬挂纤芯中传输，经端面反射后，在填充折射率匹配液处再次发生耦合，两束光相遇发生干涉。相位匹配波长确定的方法是在异质双悬挂芯光纤参数确定后，利用有限元法计算该光纤小悬挂纤芯中基模和大悬挂纤芯中LP11模的色散曲线，两色散曲线交点对应的波长就是相位匹配波长。
下面结合具体参数给出实施例。
结合图1和图3，异质双悬挂芯光纤包含中心空气孔2、小悬挂纤芯3、大悬挂纤芯4和环形包层5。小悬挂纤芯3和大悬挂纤芯4位于中心空气孔2两侧的内壁上，小悬挂纤芯3的直径为9μm，纤芯与包层的折射率差为0.005；大悬挂纤芯4的直径为12.3μm，纤芯与包层的折射率差为0.007。中心空气孔2的直径为28μm，小悬挂纤芯3与大悬挂纤芯4的边缘间距为6.7μm。当中心空气孔中填充折射率为1.444的液体后，小悬挂纤芯中基模和大悬挂纤芯中LP11模在1550nm波长下可以发生共振耦合，如图2所示，在空气孔中填充折射率为1.444的折射率匹配液材料后，小悬挂纤芯1中基模和大悬挂纤芯2中LP11模在1550nm波长下相位匹配发生共振耦合。
结合图3，本发明基于异质双悬挂芯光纤的反射式气压传感器制作方法包括：首先，利用光纤熔接机将异质双悬挂芯光纤的小悬挂纤芯与单模光纤纤芯对准熔接。在距离焊点4cm处对异质双悬挂芯光纤进行切割。随后利用飞秒激光在异质双悬挂芯光纤侧面距离焊点1cm和3cm处各制备一个直径为10μm的微孔，利用微孔将中心空气孔与外界联通，但应避免损伤悬挂纤芯。利用环氧树脂胶将与微流注射泵连接的微流导管粘接在距焊点1cm处的微孔上，用于折射率匹配液的注入。将紫外胶液滴滴到异质双悬挂芯光纤端面，在紫外胶因虹吸效应被吸入中心空气孔5mm长时将光纤脱离液滴并进行固化，实现对中心空气孔的密封。接下来，在距异质双悬挂芯光纤端面3mm处进行切割，制备出平整端面用于光反射。此时，由2mm长的固化紫外胶完全位于空气孔内，对光纤端面没有影响。然后，利用光纤环形器将宽谱光注入与异质双悬挂芯光纤相连的单模光纤，并用光谱分析仪实时监测反射光谱。利用微流注射泵将折射率为1.444的折射率匹配液缓慢注入中心空气孔，待反射光谱中出现明显干涉峰时停止注入。取下微流导管并用粘性紫外胶将微孔密封，完成基于异质双悬挂芯光纤的反射式气压传感器的制备。
Claims (10)
1.一种反射式气压传感器，其特征在于：包括异质双悬挂芯光纤(1)和折射率匹配液(6)，所述异质双悬挂芯光纤(1)包括空气孔(2)、一根小悬挂纤芯(3)、一根大悬挂纤芯(4)和包层(5)，小悬挂纤芯(3)和大悬挂纤芯(4)分别紧贴在空气孔(2)的内壁上，所述空气孔(2)中填充有折射率匹配液(6)，异质双悬挂芯光纤(1)一端的空气孔端口为密封状态，异质双悬挂芯光纤(1)另一端的小悬挂纤芯(3)与单模光纤(9)纤芯对准连接，折射率匹配液(6)与单模光纤(9)之间的空气孔是密闭的；折射率匹配液(6)和密封的空气孔端口之间的光纤侧壁上设有1个微孔(7)，使该段空气孔气压与外界气压一致。
2.根据权利要求1所述的一种反射式气压传感器，其特征在于：宽谱光经单模光纤(9)注入小悬挂纤芯(3)，在折射率匹配液(6)处两悬挂纤芯发生共振耦合，光被分为两束，分别以不同的模式在小悬挂纤芯(3)和大悬挂纤芯(4)中传输，当传输到异质双悬挂芯光纤(1)端面发生反射，并在折射率匹配液(6)处合束，形成迈克尔逊干涉。
3.根据权利要求2所述的一种反射式气压传感器，其特征在于：所述不同的模式具体为在小悬挂纤芯(3)中以基模形式传输，在大悬挂纤芯(4)中以LP11模形式传输。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种反射式气压传感器，其特征在于：当外界气压变化时，所述折射率匹配液(6)在空气孔(2)中移动使折射率匹配液(6)两边的空气孔内的气压达到平衡，所述折射率匹配液(6)的移动改变小悬挂纤芯(3)和大悬挂纤芯(4)中光的相位差，使干涉光谱发生漂移，通过测量干涉光谱漂移量实现气压传感。
5.根据权利要求1至4所述的任意一种反射式气压传感器，其特征在于：所述空气孔(2)的直径范围为25～31μm；所述小悬挂纤芯(3)的直径为8.5至10.0μm，小悬挂纤芯(3)与包层(5)折射率差的范围为0.0045至0.0055；所述大悬挂纤芯(4)的直径为11.5至13.0μm，大悬挂纤芯(4)与包层(5)折射率差的范围为和0.006至0.008；所述小悬挂纤芯(3)和大悬挂纤芯(4)之间的边缘间距范围为5至8μm。
6.根据权利要求5所述的一种反射式气压传感器，其特征在于：小悬挂纤芯(3)中的基模和大悬挂纤芯(4)中的LP11模在1.2至1.6μm波长范围内的某一波长下满足相位匹配条件，发生共振耦合，实现光分束。
7.根据权利要求5或6所述的一种反射式气压传感器，其特征在于：所述折射率匹配液(6)折射率为1.444。
8.根据权利要求1至4所述的任意一种反射式气压传感器，其特征在于：密封状态的空气孔端口采用密封胶(8)进行密封。
9.根据权利要求1至4所述的任意一种反射式气压传感器，其特征在于：小悬挂纤芯(3)的直径为9μm，小悬挂纤芯(3)与包层(5)的折射率差为0.005；大悬挂纤芯(4)的直径为12.3μm，大悬挂纤芯(4)与包层(5)的折射率差为0.007，空气孔(2)的直径为28μm，小悬挂纤芯(3)与大悬挂纤芯(4)的边缘间距为6.7μm，折射率匹配液(6)的折射率为1.444，小悬挂纤芯(3)中基模和大悬挂纤芯(4)中LP11模在1550nm波长发生共振耦合。
10.一种制作权利要求1至9所述任意一种反射式气压传感器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：利用光纤熔接机将异质双悬挂芯光纤(1)的小悬挂纤芯(3)与单模光纤(9)纤芯对准熔接；
步骤2：在距离焊点给定距离处对异质双悬挂芯光纤进行切割；
步骤3：利用飞秒激光在包层(5)距离焊点两个给定位置处各制备一个微孔，利用微孔将空气孔与外界联通；
步骤4：将与微流注射泵连接的微流导管粘接在距焊点较近的微孔上，用于折射率匹配液的注入；
步骤5：将紫外胶液滴滴到异质双悬挂芯光纤端面，在紫外胶因虹吸效应被吸入空气孔给定长度时将光纤脱离液滴并进行固化，实现对空气孔的密封，并切割掉部分密封部分，制备出平整端面用于光反射；
步骤6：将宽谱光注入单模光纤，并用光谱分析仪实时监测反射光谱，利用微流注射泵将折射率匹配液(6)注入空气孔，待反射光谱中出现明显干涉峰时停止注入，取下微流导管并用粘性紫外胶将微孔密封。
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| CN112697339A (zh) * | 2020-11-26 | 2021-04-23 | 桂林电子科技大学 | 一种高强度耐高温快响应光纤气压传感探头 |
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2021
- 2021-11-16 CN CN202111356550.3A patent/CN114088284B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114088284B (zh) | 2024-08-13 |
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