CN114544070A - 基于双层毛细管的光子晶体光纤压力传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双层毛细管的光子晶体光纤压力传感器及其制备方法，包括光子晶体光纤、双层毛细管、光纤FP腔、敏感膜片，双层毛细管套在光子晶体光纤上并与光子晶体光纤熔接，形成光纤FP腔，腔体表面附有敏感膜片；当压力传感器处于外压环境时，敏感膜片发生形变，改变所述光纤FP腔的腔长，检测干涉光的变化获得被测压力。该压力传感器采用双层毛细管作为FP腔的腔体，增大FP腔的直径，同时也使制备敏感膜片的直径增大，增大了传感器的测压灵敏度。

Description

基于双层毛细管的光子晶体光纤压力传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及光纤应用技术领域，具体涉及一种基于双层毛细管的光子晶体光纤压力传感器及其制作方法。

背景技术

光纤FP(法布里-珀罗)腔压力传感器在众多领域具有广泛应用，比如用于油田开发、水利水电、生物医学等。传感器技术是当今科学技术的重要组成部分，在工业生产中，例如在油田开发过程中常常伴随着高温、高电磁干扰、潮湿腐蚀等影响压力测量的环境因素，传感器在恶劣环境中能够稳定工作至关重要。光纤压力传感器具有安全、频带宽、体积小、重量轻、成本低、可弯曲、耐潮湿腐蚀、抗电磁干扰、空间分辨率高和生物兼容性好等优点。

光纤FP腔压力传感器以光纤作为传输光的介质，其核心组成部分为FP腔，主要利用多光束在光纤内部产生干涉来传递被测量的信息，当外界被测量作用至FP腔的敏感膜片时，会导致敏感膜片产生形变，从而改变FP腔的腔长，引起相干光的相位改变，使干涉光携带被测量的信息，通过对干涉光的解调得到被测量的信息。

虽然光纤FP腔压力传感器已经有许多制作方法，但是复杂的制作工艺限制了其实际应用，有些制作方法需要大型设备，比如阳极键合、激光加工等MEMS工艺技术，且制得的传感器体积较大，不适合应用在狭小空间内。有些制作方案使用化学物质(HF酸)腐蚀光纤从而得到FP腔，不过会在光纤上残留化学物质，限制了传感器在生物医学上的应用。

全光纤结构的光纤FP腔压力传感器是体积较小且可靠的，其FP腔的敏感材料多为二氧化硅或者光纤材料，当敏感膜片的材质一定时，光纤FP腔压力传感器的测压灵敏度取决于敏感膜片的厚度和直径。由于二氧化硅的弹性模量较大，导致传感器的灵敏度低，对于被测量的跟随性较差。因此可通过减小敏感膜片的厚度或者增大敏感膜片的直径来提高传感器的灵敏度。同时，光纤FP腔传感器的灵敏度也与敏感膜片的形状有关，对于相同厚度和有效半径的敏感膜片，平整型的敏感膜片的灵敏度比曲型膜片更高。在光纤FP腔的实际制作中，敏感膜片的厚度已经做的非常薄，因此使用简单的制作方法得到可靠的传感器的同时又能满足灵敏度的需要，将扩大光纤FP腔压力传感器的应用范围。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出基于双层毛细管的光子晶体光纤压力传感器及其制作方法，增大敏感膜片的直径，同时使用实芯光子晶体光纤作为传输光纤，在光子晶体光纤的一端连接气泵，达到对敏感膜片整形的目的，简化制作方法的同时增大传感器的灵敏度。本发明采用如下技术方案：

一种基于双层毛细管的光子晶体光纤压力传感器，包括光子晶体光纤2、毛细管3、毛细管4、光纤FP腔5、敏感膜片6，所述光子晶体光纤2、所述毛细管3、所述毛细管4、所述光纤FP腔5和所述敏感膜片6的中心均在同一轴线上，所述毛细管3套在所述光子晶体光纤2上并与所述光子晶体光纤2熔接，所述毛细管4的一端套在所述毛细管3上并与所述毛细管3熔接，形成所述光纤FP腔5，所述毛细管4的另一端附有所述敏感膜片6；当所述压力传感器处于外压环境时，所述敏感膜片6发生形变，改变所述光纤FP腔5的腔长，检测干涉光的变化获得被测压力。

一种上述基于双层毛细管的光子晶体光纤压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

S1，将直径为d₁的光子晶体光纤2与内径d₁+Δd₁、外径d₂的毛细管3熔接后再与内径d₂+Δd₂、外径d₃的毛细管4熔接，切割毛细管4，得到光纤FP腔5的腔体；其中，Δd1和Δd2可不相等，大小在0-10μm之间均可；

S2，制作光纤微气泡，将光纤微气泡的端部与光纤FP腔5的腔体熔接，切除多余的微气泡，制得敏感膜片6，对敏感膜片6整形，获得基于双层毛细管的光子晶体光纤压力传感器。

特别地，所述步骤S1具体包括以下步骤：

S11，设置熔接机为手动对准模式，光子晶体光纤2与毛细管3端面切平后放入熔接机；

S12，调整光子晶体光纤2与毛细管3的相对位置，移动毛细管3嵌套在光子晶体光纤2上；

S13，使用熔接机对光子晶体光纤2与毛细管3的接触区域放电，熔化冷却后相互熔接，将熔接后的光子晶体光纤2与毛细管3的端面切平；

S14，在制得的光子晶体光纤2与毛细管3一体结构的外层嵌套毛细管4，使用熔接机对接触区域放电，毛细管3和毛细管4熔化冷却后相互熔接；

S15，切割毛细管4，得到所述光纤FP腔5的腔体。

特别地，所述步骤S2具体包括以下步骤：

S21，设置熔接机为手动对准模式，外径d₄的单模光纤11和内径d₅、外径d₄的毛细管12的端面切平后放入熔接机内对齐；

S22，移动单模光纤11和毛细管12接触，使用熔接机对接触区域放电，熔化冷却后相互熔接；

S23，通过控制熔接机马达1对熔接后的单模光纤11和毛细管12施加反向拉力，同时对单模光纤11和毛细管12的接触面附近放电，毛细管12在拉力的作用下断开并形成含有微气泡13的锥形；

S24，对微气泡13放电，气泡膨胀，多次放电得到气泡壁较薄的光纤微气泡15；

S25，将光纤微气泡15的端部与光纤FP腔5接触，调整熔接机的放电功率对接触位置放电，使得光纤微气泡15端部较薄的部分熔在光纤FP腔5上，切除多余的微气泡，得到向内弯曲的敏感膜片；

S26，将光子晶体光纤2的一端连接气泵，调整气泵的气压大小对光子晶体光纤2充气；使用熔接机对敏感膜片放电加热，由于FP腔内气压大于外部环境，敏感膜片在受热软化的同时向外膨胀，由曲型变为平整型。

本发明的优点与积极效果在与：

(1)本发明采用双层毛细管作为FP腔的腔体逐步增大FP腔的直径，同时也使制备敏感膜片的直径增大，增大了传感器的测压灵敏度。

(2)本发明解决了外径d₁的实芯光子晶体光纤与大尺寸(内径d₂+Δd₂、外径d₃)的毛细管熔接会导致实芯光子晶体光纤弯曲的问题。

(3)本发明利用光子晶体光纤孔状结构的特点，气泵连接光子晶体光纤后可以对其充气，从而可以对敏感膜片整形，增大传感器的测压灵敏度。

(4)本发明为全光纤结构，可以减小电磁干扰对测量结果的影响，同时全光纤结构具有较好的生物兼容性。

附图说明

图1是本发明基于双层毛细管的光纤FP腔传感器结构示意图；

图2是实芯光子晶体光纤与内径130μm外径165μm的毛细管端面切平并对齐的示意图；

图3是内径130μm外径165μm的毛细管套在实芯光子晶体光纤上并熔接的示意图；

图4是实芯光子晶体光纤与内径130μm外径165μm的毛细管熔接后并将多余的毛细管切除后的示意图；

图5是将内径170μm外径195μm的毛细管端面切平后套在外径165μm的毛细管上的示意图；

图6是将内径170μm外径195μm的毛细管与外径165μm的毛细管熔接并将余下的毛细管切至80μm作为FP腔腔体的示意图；

图7是直径125μm的单模光纤与内径85μm外径125μm的毛细管端面切平并对齐的示意图；

图8是将直径125μm单模光纤与外径125μm的毛细管相熔接的示意图；

图9是移动马达拉伸毛细管，并且对外径125μm的毛细管进行放电后形成光纤锥形气泡的示意图；

图10是对光纤锥形气泡多次放电后气泡膨胀形成近似椭圆形微气泡的示意图；

图11是将光纤微气泡与制得的FP腔放在熔接机中并对齐的示意图；

图12是移动光纤微气泡至FP腔内部并放电熔接后的示意图；

图13是使用切割刀切除多余的微气泡，得到FP腔敏感膜片的示意图；

图14是对敏感膜片整形的示意图。

图15是制得的传感器在压力作用下敏感膜片发生形变的示意图；

图16是光纤FP腔传感器灵敏度与敏感膜片直径关系的仿真结果图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明提出的基于双层毛细管的光子晶体光纤压力传感器及其制作方法作进一步说明。

本发明是基于双层毛细管的光子晶体光纤压力传感器，如图1所示为压力传感器的结构示意图，从左到右依次为熔接机的马达1、外径125μm的实芯光子晶体光纤2、内径130μm外径165μm的毛细管3、内径170μm外径195μm的毛细管4、光纤FP腔5、FP腔的敏感膜片6。毛细管3套在实芯光子晶体光纤2上并与实芯光子晶体光纤2熔接，毛细管4套在毛细管3上并与毛细管3熔接，此种结构增大了FP腔的直径，当压力传感器处于外压环境中时，FP腔的膜片6会发生形变，从而改变FP腔5的腔长，通过检测干涉光的变化实现对被测压力的测量。

基于双层毛细管的光子晶体光纤压力传感器，具体制作步骤如下：

步骤1，如图2所示，将实芯光子晶体光纤2与毛细管3的涂敷层去除，待用酒精擦拭后将端面切平，并将两根光纤放入熔接机的马达1上，移动马达1使两根光纤位于熔接机的电极7的两侧，调整光纤在马达1的X和Y方向上的相对位置后两根光纤对准。

步骤2，如图3所示，移动实芯光子晶体光纤2上的马达1，使实芯光子晶体光纤2的端面位于熔接机的电极7的正中间，在熔接机两电极7的中间位置，光纤受热均匀，可以减小光纤在不同方向上的形变差异。移动毛细管3上的马达1使毛细管3套在实芯光子晶体光纤2上，毛细管3与实芯光子晶体光纤2的接触长度不宜过短。然后调整熔接机的放电功率和放电持续时间，对毛细管3和实芯光子晶体光纤2的接触区域进行放电，两根光纤将会受热熔化并熔在一起。

步骤3，如图4所示，使用切割刀切割熔接后的毛细管3和实芯光子晶体光纤2，得到平整的端面8。

步骤4，如图5所示，将毛细管4放入熔接机内，移动马达1使毛细管4套在毛细管3上，毛细管4与毛细管3的接触长度不易过短。同时调整接触区域与电极7的相对位置，调整熔接机的放电功率和放电时间，熔接毛细管4与毛细管3。

步骤5，如图6所示，将步骤5中得到的光纤结构在显微镜下使用精密切割刀切割，切割毛细管4使其留下的长度9为L，即光纤FP腔10的腔长为L，为保证干涉光强度，光纤FP腔10腔长L范围通常为80-100μm，本实施例中设置L为80μm。

光纤FP腔的腔体制备完成后，需要制备光纤FP腔压力传感器的敏感膜片，具体制备步骤如下：

步骤6，如图7所示，将光纤熔接机进行对准后，取一根直径125μm的单模光纤11和内径85μm外径125μm的毛细管12剥去涂覆层后并将端面切平，放入熔接机的马达1上，移动熔接机的两侧马达，使两根光纤对准并位于电极7的两侧。

步骤7，如图8所示，移动毛细管12使其与单模光纤11接触，并调整接触位置处于电极7的正中间，设置熔接机的放电功率为标准，放电时间为300ms，熔接机放电后，单模光纤11与毛细管12将熔在一起。

步骤8，如图9所示，移动熔接机的马达1向两侧移动，移动方向如图中箭头14方向所指，使熔接后的单模光纤11和毛细管12上存在拉力，设置熔接机的放电功率为标准，放电时间为800ms，对毛细管12进行电极7放电，毛细管12在高温下熔化的同时由于拉力的存在，将会被拉断并在内部形成一个微气泡13。

步骤9，如图10所示，对在步骤8中毛细管12内形成的微气泡13继续放电，不断调整放电功率和放电时间，光纤微气泡13将持续膨胀，微气泡壁将持续变薄，最终形成较大的光纤微气泡15。

步骤10，如图11所示，将步骤5中得到的光纤FP腔10与步骤9中得到的光纤微气泡15放入熔接机内，移动马达1调整FP腔10和光纤微气泡15的相对位置。

步骤11，如图12所示，移动光纤微气泡15进入光纤FP腔10内并与其接触，调整熔接机的放电功率与放电时间，对接触位置进行电极7放电，使光纤微气泡15与光纤FP腔10熔接。

步骤12，如图13所示，将步骤11中得到的光纤结构在显微镜下使用精密切割刀切割，多余的光纤微气泡被切除，得到光纤FP腔的敏感膜片16。

步骤13，如图14所示，将实芯光子晶体光纤2的一端连接气泵17，同时调整气泵17输出的气压大小，对光子晶体光纤2进行充气。由于FP腔10与敏感膜片16熔接后为密闭结构，因此FP腔的内部气压大于外界环境的气压。调整熔接机的功率与放电时间，使用熔接机对敏感膜片放电加热，FP腔内外存在气压差，敏感膜片16在受热熔化的同时会向外膨胀，敏感膜片16将由曲型变为平整型敏感膜片18。

步骤14，如图15所示，将制备的光纤压力传感器放入高气压P环境中，敏感膜片18会发生形变，导致光纤FP腔10的腔长发生改变，其变化量为薄膜的形变量19，d为FP腔10的直径。

对于实际测量，光纤FP腔压力传感器的灵敏度如下：

公式(1)中，Y为传感器的灵敏度，ΔL为薄膜的形变量，ΔP为压强的变化量，E为薄膜的弹性模量，u为薄膜的泊松比，h为薄膜的厚度，r为薄膜的有效半径。根据公式(1)，传感器的灵敏度与薄膜的半径的四次方成正比，当其他物理参数保持不变时，增大光纤FP腔敏感膜片的半径，则传感器的灵敏度增加。使用有限元软件对薄膜直径分别为85μm、130μm和170μm的传感器进行仿真，得到仿真灵敏度分别为1.125nm/KPa、5.92nm/KPa和13.44nm/KPa。仿真结果如图16所示，随着薄膜直径的增加，光纤FP腔压力传感器的灵敏度提升11.9倍。

本发明提供一种基于双层毛细管的光子晶体光纤压力传感器及其制作方法，采用内径130μm外径165μm的毛细管作为垫层光纤，可将敏感膜片的直径由85μm增大至170μm，且本发明利用实芯光子晶体光纤的孔状结构，使用气泵对光子晶体光纤进行充气，以调整光纤FP腔敏感膜片的形状。经过仿真计算可知，光纤FP腔压力传感器的灵敏度提升11.9倍，也解决了外径125μm实芯光子晶体光纤与内径170μm的毛细管无法熔接的问题。

以上所述仅为本发明的具体实施方式，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于双层毛细管的光子晶体光纤压力传感器，其特征在于，包括光子晶体光纤(2)、毛细管(3)、毛细管(4)、光纤FP腔(5)、敏感膜片(6)，所述光子晶体光纤(2)、所述毛细管(3)、所述毛细管(4)、所述光纤FP腔(5)和所述敏感膜片(6)的中心均在同一轴线上，所述毛细管(3)套在所述光子晶体光纤(2)上并与所述光子晶体光纤(2)熔接，所述毛细管(4)的一端套在所述毛细管(3)上并与所述毛细管(3)熔接，形成所述光纤FP腔(5)，所述毛细管(4)的另一端附有所述敏感膜片(6)；当所述压力传感器处于外压环境时，所述敏感膜片(6)发生形变，改变所述光纤FP腔(5)的腔长，检测干涉光的变化获得被测压力。

2.一种如权利要求1所述的基于双层毛细管的光子晶体光纤压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，将直径为d₁的光子晶体光纤(2)与内径d₁+Δd₁、外径d₂的毛细管(3)熔接后再与内径d₂+Δd₂、外径d₃的毛细管(4)熔接，切割毛细管(4)，得到光纤FP腔(5)的腔体；

S2，制作光纤微气泡，将光纤微气泡的端部与光纤FP腔(5)的腔体熔接，切除多余的微气泡，制得敏感膜片(6)，对敏感膜片(6)整形，获得基于双层毛细管的光子晶体光纤压力传感器。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下步骤：

S11，设置熔接机为手动对准模式，将光子晶体光纤(2)与毛细管(3)端面切平后放置在熔接机内；

S12，调整光子晶体光纤(2)与毛细管(3)的相对位置，移动毛细管(3)嵌套在光子晶体光纤(2)上；

S13，使用熔接机对光子晶体光纤(2)与毛细管(3)的接触区域放电，熔化冷却后相互熔接，将熔接后的光子晶体光纤(2)与毛细管(3)的端面切平；

S14，在制得的光子晶体光纤(2)与毛细管(3)一体结构的外层嵌套毛细管(4)，使用熔接机对接触区域放电，毛细管(3)和毛细管(4)熔化冷却后相互熔接；

S15，切割毛细管(4)，得到所述光纤FP腔(5)的腔体。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下步骤：

S21，设置熔接机为手动对准模式，将直径d₄的单模光纤(11)和内径d₅、外径d₄的毛细管(12)的端面切平，放入熔接机内对齐；

S22，移动单模光纤(11)和毛细管(12)接触，使用熔接机对接触区域放电，熔化冷却后相互熔接；

S23，通过控制熔接机马达对熔接后的单模光纤(11)和毛细管(12)施加反向拉力，同时对单模光纤(11)和毛细管(12)的接触面附近放电，毛细管(12)在拉力的作用下断开并形成含有微气泡(13)的锥形；

S24，对微气泡(13)放电，气泡膨胀，多次放电得到气泡壁较薄的光纤微气泡(15)；

S25，将光纤微气泡(15)的端部与光纤FP腔(5)接触，调整熔接机的放电功率对接触位置放电，使得光纤微气泡(15)端部较薄的部分熔在光纤FP腔(5)上，切除多余的微气泡，得到向内弯曲的敏感膜片；

S26，将光子晶体光纤(2)的一端连接气泵，调整气泵的气压大小对光子晶体光纤(2)充气；使用熔接机对敏感膜片放电加热，由于FP腔内气压大于外部环境，敏感膜片在受热软化的同时向外膨胀，由曲型变为平整型。

Images