CN116519163A - 一种基于光纤的弹簧fp腔温度传感器、方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本申请提出了一种基于光纤的弹簧FP腔温度传感器、方法及系统，包括单模光纤以及固定在单模光纤端面上的3D微纳结构，还包括：套设于单模光纤带有3D微纳结构一端外的玻璃管；填充于该玻璃管内的热敏感材料；其中，3D微纳结构包括针对单模光纤端面设置的圆盘腔板、与单模光纤端面连接的圆环基座、连接圆盘腔板和圆环基座的一个或多个弹性复位件，单模光纤端面与圆盘腔板之间形成FP腔；其中，通过热敏感材料的热膨胀带动弹性复位件长度发生变化，以带来干涉光谱的红移，实现温度测量；此外，通过调整弹性复位件的弹性常数k还可以实现对温度灵敏度的调整。本申请具有稳定性好，加工精度高，灵敏度可定制的特性。
Description
技术领域
本申请涉及光纤传感器技术领域，特别是涉及一种基于光纤的弹簧FP腔温度传感器。
背景技术
基于光纤的法布里-珀罗（FP）腔温度传感器是一种常见的光纤传感器，用于测量温度变化。它利用光纤中的法布里-珀罗干涉效应来实现温度测量。
在传感器中，一段特殊的光纤被制成法布里-珀罗腔，通常是通过在光纤上制备两个反射面结构来实现。当光经过该腔时，部分光会被反射回来，形成干涉，干涉的特性与腔内的光路径长度有关。而温度的变化会导致光纤的长度发生微小变化，进而改变光路径长度，从而改变干涉的特性。通过测量干涉光的特征参数，如光强或光频的变化，就可以推断出温度的变化。一般来说，可以使用光谱分析仪来测量干涉光的参数。
因此，基于光纤的法布里-珀罗腔温度传感器在许多领域得到广泛应用，包括工业控制、石油和天然气行业、能源系统监测、医疗设备等。它们为精确的温度测量提供了一种可靠的解决方案。
但是传统的全光纤FP腔温度传感器通常灵敏度较低（~10pm/℃），极大地限制了其进一步应用。近些年，研究人员通过将热敏材料如乙醇、紫外光胶和聚二甲基硅氧烷（PDMS））等，填充到FP腔内部使得器件温度灵敏度提升了1-2个数量级。然而，当前报道的这类型器件通常存在稳定性差、加工精度低和反射面对准困难等问题。
例如，Kunjian Cao等人（Compact fiber biocompatible temperature sensorbased on a hermetically-sealed liquid-filling structure, Kunjian Cao, Yi Liuand Shiliang Qu, 27 Nov 2017/Vol. 25/Optics Express/29597）报道了一种基于乙醇填充的光纤FP腔温度传感器，该器件主要通过在单模光纤端面连续熔接两段毛细玻璃管（SCT），并在第一段管内注入乙醇制备而成，其灵敏度可达429pm/℃。然而，液体状态的乙醇降低了器件稳定性，并且多次熔接过程流程复杂和费时。
Bowen Li等人（High-sensitivity temperature sensor based on ultravioletglue-filled silica capillary tube, Bowen Li, Yinggang Liu, Xiaoya Song,Haiwei Fu, Zhenan Jia and Hong Gao, 21 Nov 2020/Vol.67/Journal of ModernOptics/1327）报道了一种基于紫外光胶填充SCT结构的光纤FP腔温度传感器，该器件通过将单模光纤插入SCT结构，向内部注入紫外光胶并固化后得到，其灵敏度可达963pm/℃。然而，该器件难以精确控制腔长，导致加工可重复性低。
Jin Li等人（Microfiber Fabry-Perot interferometer used as atemperature sensor and an optical modulator, Jin Lia, Zhoubing Lia, JuntongYanga, Yue Zhanga, Chunqiao Ren, 29 April 2020/Vol.129/Optics and LaserTechnology/106296）报道了一种PDMS填充SCT结构的光纤FP腔温度传感器，该器件通过将两根单模光纤同时封装在SCT内，随后向内部填充PDMS并固化后得到，其灵敏度高达6.386nm/℃。然而，该器件存在两根光纤难以精确对准的问题，从而影响器件性能。
此外，基于FP腔干涉的温度传感器通常都存在灵敏度和有效量程之间的设计矛盾，即灵敏度越高，其有效量程反而越低。因此，在实际应用中需要针对不同的应用场景，选取不同灵敏度的传感器。例如，高灵敏度的传感器适用于对窄范围内的温度涨落进行高精度检测；而要想监测宽范围内的温度变化，则需要牺牲一定程度的灵敏度。然而，当前报道的光纤FP腔温度传感器通常只有固定的灵敏度，适用场景单一，无法有效解决灵敏度和有效量程间的矛盾。
因此，亟待一种新型灵敏度可定制的光纤FP腔温度传感器，以解决现有的该类传感器稳定性差、加工精度低、反射面对准困难和灵敏度无法定制等问题。
发明内容
本申请实施例提供了一种基于光纤的弹簧FP腔温度传感器，旨在解决目前技术存在的稳定性差、加工精度低、反射面对准困难和灵敏度无法定制等问题。
本发明核心技术主要是利用3D微纳结构和热敏感材料，通过热敏感材料的热膨胀驱动弹性复位件的长度变化，从而引起干涉光谱的红移，并实现温度的测量，通过调整3D微纳结构的弹性常数k实现对温度灵敏度的调整。
第一方面，本申请提供了一种基于光纤的弹簧FP腔温度传感器，包括单模光纤以及固定在单模光纤端面上的3D微纳结构，还包括：
套设于单模光纤带有3D微纳结构一端外的玻璃管；
填充于该玻璃管内的热敏感材料；
其中，3D微纳结构包括针对单模光纤端面设置的圆盘腔板、与单模光纤端面连接的圆环基座、连接圆盘腔板和圆环基座的一个或多个弹性复位件，单模光纤端面与圆盘腔板之间形成FP腔；
其中，通过调整弹性复位件的几何尺寸实现对其弹性常数k的调整；
其中，通过热敏感材料的热膨胀带动弹性复位件长度发生变化，以带来干涉光谱的红移。
此设置，具有以下效果：
温度敏感：通过热敏感材料的热膨胀作用，引起弹性复位件长度的变化，从而改变FP腔的光路径长度，导致干涉光谱的红移。这种红移的程度与温度的变化相关，使传感器能够实时测量温度的变化。
高精度：通过调整3D微纳结构中的弹性复位件，可以调整弹性常数K，从而改变光纤腔的灵敏度。通过合理的设计和调整，可以实现高精度的温度测量。
可靠性：基于光纤的传感器具有耐高温、耐腐蚀和抗电磁干扰等优点，能够在恶劣环境下长期稳定运行，提供可靠的温度测量。
如此，实现了传感器稳定性好，加工和检测精度高。
进一步地，热敏感材料在填充后进行固化操作。
此设置，可以实现以下效果：
稳定性：通过固化热敏感材料，可以确保其在传感器使用过程中保持固定的形状和性质。这样可以防止材料在温度变化下发生形变或漏失，从而保证传感器的稳定性和可靠性。
机械支撑：固化后的热敏感材料可以提供对3D微纳结构的机械支撑，增强传感器的结构稳定性。它能够保持光纤与其他组件的相对位置和几何关系，确保传感器的性能不受外界振动或位移的影响。
热驱动：热敏感材料的热膨胀可以有效地驱动弹性复位件，使其长度发生变化，并引起光纤腔长度的变化。这样可以提高传感器对温度变化的敏感性和响应速度，提供更准确的温度测量结果。
保护和封装：固化操作可以将热敏感材料牢固地封装在玻璃管中，保护其免受外界环境的损害和污染。这样可以延长传感器的使用寿命，并提高其耐腐蚀性和抗干扰能力。
进一步地，3D微纳结构通过双光子聚合3D打印工艺制备得到。
此设置，可以实现以下效果：
高精度和复杂性：双光子聚合3D打印是一种高分辨率的打印技术，可以实现微米级别的精确打印。这使得可以制备出复杂的微纳结构，如圆盘腔板、圆环基座和弹性复位件等。通过该工艺，可以精确控制微纳结构的尺寸、形状和几何特征，以满足特定的传感器设计需求。
定制化设计：双光子聚合3D打印具有良好的灵活性和定制化能力。可以根据具体传感器的要求，进行个性化的设计和定制制造。这种灵活性使得传感器能够适应不同的应用需求，实现更好的性能和适用性。
高稳定性和可重复性：双光子聚合3D打印具有良好的稳定性和可重复性，可以保证制造出来的微纳结构在尺寸、形状和性能上的一致性。这对于制造高质量的传感器至关重要，确保它们的性能稳定和可靠。
快速制造：相对于传统的加工方法，双光子聚合3D打印是一种快速制造技术。它可以快速将设计好的微纳结构从虚拟模型转化为实体，大幅缩短了制造周期和交付时间。
进一步地，弹性复位件为多个时，沿圆环基座周向均匀布置。
此设置，可以实现以下效果：
均匀力分布：弹性复位件的均匀布置可以使力在圆环基座上均匀分布。这可以提供更稳定的力传递和均匀的应变分布，确保传感器的性能均匀性和一致性。
减小应变集中：通过将多个弹性复位件均匀布置在圆环基座上，可以减小应变的集中现象。应变的均匀分布可以降低材料的疲劳和损伤风险，延长传感器的使用寿命。
增强结构稳定性：弹性复位件的均匀布置有助于增强传感器的结构稳定性。它可以平衡力的作用，减少非均匀载荷引起的结构变形和应力集中，提高传感器的稳定性和抗外界干扰能力。
提高温度均匀性：弹性复位件的均匀布置可以提高传感器对温度的均匀响应。当温度变化时，弹性复位件的长度变化也会均匀分布，从而保持光纤腔的均匀变化，提高温度测量的准确性和一致性。
进一步地，每个弹性复位件为螺旋状。
此设置，可以实现以下效果：
弹性恢复力：螺旋形状的弹性复位件具有较大的弹性恢复力。当受到外部力作用时，弹性复位件可以发生弹性变形，并具有恢复到原始状态的能力。这有助于保持传感器的稳定性和准确性。
稳定的力传递：螺旋状的弹性复位件能够提供稳定的力传递。它们可以在受力时均匀分布应力，并将其传递到其他组件，如圆盘腔板和光纤。这有助于保持传感器的结构稳定，并减小力的非均匀性引起的性能差异。
提高弹性调整能力：螺旋状的弹性复位件可以通过改变螺旋的尺寸、弹性系数和绕制方式来调整弹性特性。这使得可以根据需要调整弹性常数k，以满足不同温度测量要求。这种可调性增强了传感器的灵活性和适应性。
良好的热驱动性能：螺旋状的弹性复位件通常具有较大的表面积和接触面，这有助于增加与热敏感材料的接触面积。当热敏感材料发生热膨胀时，螺旋状的弹性复位件可以更有效地被驱动，促使光纤腔发生长度变化，实现温度测量。
进一步地，弹性复位件外径大于圆环基座的内径，且小于圆环基座的外径。
进一步地，热敏感材料为聚二甲基硅氧烷。
此设置，可以实现以下效果：
快速固化：聚二甲基硅氧烷具有快速热固化的特性。当聚二甲基硅氧烷在设定条件被加热时，可迅速从液态转变为固态。这样可以在较短的时间内完成固化过程，提高生产效率。
良好的耐热性：聚二甲基硅氧烷通常具有良好的耐热性能，固化后的耐热温度高达200℃。这使得它们能够在高温环境下保持稳定，对于高温应用中的温度传感器尤为重要，可以确保传感器的工作稳定性和长寿命。
优异的耐化学性：聚二甲基硅氧烷具有良好的耐化学性，对许多化学物质具有较好的抵抗能力。这使得传感器在受到化学物质影响的环境中仍能保持稳定性和准确性，提高传感器的可用性和适应性。
第二方面，本申请提供了用于制备上述的一种基于光纤的弹簧FP腔温度传感器的制备方法，包括以下步骤：
S00、采用双光子聚合3D打印工艺在单模光纤端面打印3D微纳结构；
S10、将3D微纳结构封装于玻璃管内，并注入热敏感材料置于真空箱内静置，以使得热敏感材料进入FP腔内；
S20、将热敏感材料热固化，使得热敏感材料完全固化，完成制备。
进一步地，S00步骤中，双光子聚合3D打印工艺的加工参数为：
采用的双光子激光参数为波长780nm，激光功率16.5mW，激光扫描速度170μm/s；
显影采用的显影剂为丙二醇甲醚醋酸酯；
清洗采用的清洗液为甲基九氟丁醚；
光固化采用的紫光波长405nm，固化温度为25℃，固化时间为10min。
此设置，可以实现以下效果：
高精度的制备：双光子聚合3D打印工艺可以实现高精度的制备，可以精确打印出所需的3D微纳结构，包括圆盘腔板、圆环基座和弹性复位件。这有助于确保传感器的准确性和性能稳定性。
紧密封装和注入：将3D微纳结构封装于玻璃管内，并注入热敏感材料，可以实现紧密的封装和固定。这确保了热敏感材料可以完全填充FP腔，并与3D微纳结构紧密接触，以实现温度的准确测量和传递。
热固化材料：通过对注入的热敏感材料进行热固化，可以使其完全固化。这确保了热敏感材料在传感器工作过程中的稳定性和可靠性。固化后的热敏感材料能够保持形状和性能，不受除温度以外的外界环境影响。
高制备效率：使用双光子聚合3D打印工艺和热固化的制备方法，可以实现较高的制备效率。3D打印工艺可以实现快速、精确的制备，而热固化过程可以在相对较短的时间内完成。这有助于提高传感器的制造效率和生产能力。
第三方面，本申请还提供了一种基于光纤的弹簧FP腔温度传感系统，包括可调谐激光器、光纤连接器、光功率计和上述任一项的一种基于光纤的弹簧FP腔温度传感器；可调谐激光器与光纤连接器的第1端连接，光纤连接器的第2端与光功率计连接，光纤连接器的第3端与弹簧FP腔温度传感器连接。
此设置，具有以下效果：
温度测量：通过使用基于光纤的弹簧FP腔温度传感器，系统可以实现对环境温度的高精度测量。传感器利用光学干涉原理，通过监测干涉光谱的红移来确定温度变化，提供准确的温度数据。
可调谐激光器：系统中的可调谐激光器能够提供可控的激光光源，可以在不同的波长范围内进行扫描和选择，以适应不同传感器的工作要求。这使得系统具有更大的灵活性和适应性。
光纤连接器：光纤连接器起到连接不同组件的作用，确保光信号的传输和耦合效率。它提供了可靠的光纤连接，确保传感器与其他组件的有效通信和数据传输。
光功率计：光功率计用于测量光信号的功率，用于分析和记录传感器输出的光功率变化。通过光功率计的使用，可以实时监测和记录温度变化，提供精确的温度测量结果。
系统集成和便携性：基于光纤的弹簧FP腔温度传感系统具有较小的体积和重量，便于集成到其他设备或系统中。这使得系统具有便携性，并可以广泛应用于各种环境和场景中。
本发明的主要贡献和创新点如下：1、与现有技术相比，本申请温度传感器中的弹簧FP腔是采用双光子聚合3D打印技术在光纤端面直接制备而成，该技术加工精度高，可确保器件制备的可重复性。弹簧FP腔内填充液态热敏感材料后，通过热固化和玻璃管封装后可保证器件工作的稳定性；
2、与现有技术相比，本申请温度传感器具有可定制的灵敏度，通过调整弹性复位件的弹性常数k，温度传感器的灵敏度可在100-700pm/℃范围内有效调节。
本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明提供的一种基于光纤的弹簧FP腔温度传感器的结构示意图。
图2为本发明提供的一种基于光纤的弹簧FP腔温度传感器的制备流程图。
图3为本发明提供的一种基于光纤的弹簧FP腔温度传感系统的示意图。
图4为本发明提供的基于光纤的弹簧FP腔温度传感器工作原理示意图。
图5为本发明提供的一种基于光纤的弹簧FP腔温度传感器的干涉光谱（采用弹簧常数k=9.9μN/μm的弹簧制备）以及波谷位置随温度变化发生位移的示意图。
图6为本发明提供的一种基于光纤的弹簧FP腔温度传感器的可重复性和稳定性测试结果。
图7为本发明提供的基于光纤的弹簧FP腔温度传感器的灵敏度与弹簧常数k之间关系的测试结果。
图8是本发明提供的基于光纤的弹簧FP腔温度传感器的弹簧常数k与结构尺寸间的关系。
图中，100、单模光纤；101、玻璃管；102、圆盘腔板；103、圆环基座；104、弹簧结构；105、热敏感材料。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本说明书一个或多个实施例相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本说明书一个或多个实施例的一些方面相一致的装置和方法的例子。
需要说明的是：在其他实施例中并不一定按照本说明书示出和描述的顺序来执行相应方法的步骤。在一些其他实施例中，其方法所包括的步骤可以比本说明书所描述的更多或更少。此外，本说明书中所描述的单个步骤，在其他实施例中可能被分解为多个步骤进行描述；而本说明书中所描述的多个步骤，在其他实施例中也可能被合并为单个步骤进行描述。
现有的该类传感器存在稳定性差、加工精度低、反射面对准困难和灵敏度无法定制等问题。
基于此，本发明通过结合热敏感材料和3D打印的弹性复位件来解决现有技术存在的问题。
实施例一
本申请旨在提出一种基于光纤的弹簧FP腔温度传感器，具体地，参考图1，包括单模光纤100以及固定在单模光纤100端面上的3D微纳结构，还包括：
套设于单模光纤100带有3D微纳结构一端外的玻璃管101；
填充于该玻璃管101内的热敏感材料105；
其中，3D微纳结构包括针对单模光纤100端面设置的圆盘腔板102、与单模光纤100端面连接的圆环基座103、连接圆盘腔板102和圆环基座103的一个或多个弹性复位件，单模光纤100端面与圆盘腔板102之间形成FP腔。
优选地，圆盘腔板102与单模光纤100端面中心对正，与单模光纤100端面平行，且有效反射面的直径大于光纤模场直径。
优选地，弹性复位件为螺旋状的弹簧结构104，用于连接圆环基座103和圆盘腔板102，弹簧结构104的数量为一个或多个，本实施例中，弹簧结构104为三个，且沿圆环基座103和圆盘腔板102周向均匀布置。将弹性复位件均匀布置在圆环基座103上可以实现均匀力分布、减小应变集中、增强结构稳定性等效果。这有助于提高基于光纤的弹簧FP腔温度传感器的性能和可靠性。
在本实施例中，弹簧结构104长度为20~80μm，直径大于圆环基座103内径，且小于圆环基座103外径，弹簧线横截面为圆形或方形。弹簧结构104的弹性常数k在1~150μN/μm之间，通过选用不同弹性常数的弹簧，传感器的温度灵敏度可在100~700pm/℃范围内有效调节。
优选地，圆环基座103的环形区域为避让光束的区域，其内径大于光纤的模场直径，以保证所有的光线能够入射FP腔内。其中，圆环基座103内圆直径为15~30μm，外圆直径为35~45μm，厚度为0.5~2μm，弹簧结构104长度为20~80μm，圆盘腔板102直径为35~45μm，厚度为0.5~2μm。
在本实施例中，圆环基座103内圆直径为26μm，外圆直径为34μm，厚度为0.6μm，弹簧结构104直径为30μm，长度为55.5μm，圆盘腔板102直径为34μm，厚度为0.6μm。
优选地，玻璃管101套在单模光纤100上带有3D微纳结构的一端，所述热敏感材料105填充在玻璃管101内部。在本实施例中，玻璃管101长度为1~2 cm，内径大于单模光纤100直径。
优选地，热敏感材料105是一种可固化材料，在本实施例中，热敏感材料105为PDMS，且填充后在80℃条件下放置超过2h使其充分固化。热敏感材料105在填充后进行固化操作可以增强传感器的稳定性、机械支撑和热传导性能，同时保护和封装敏感材料，从而提高基于光纤的弹簧FP腔温度传感器的性能和可靠性。选择聚二甲基硅氧烷作为热敏感材料105可以实现快速固化、优异的尺寸稳定性、良好的耐热性和耐化学性。这些效果有助于提高基于光纤的弹簧FP腔温度传感器的制造效率、稳定性和可靠性。
在本实施例中，FP腔沿光束传播方向的高度（一般圆环基座103厚度加上弹簧结构104高度）为20.5~82μm。进一步优选为50~60μm。
因此，本申请可用于测量环境温度。
图4是本发明提供的基于光纤的弹簧FP腔温度传感器工作原理示意图。本发明提供的温度传感器主要采用了FP腔干涉原理。如图4中的（a）所示，从光纤端面和圆盘腔板102反射回来的光强分别记为I1和I2，因此两者的干涉信号可表示为：
其中n表示腔内介质折射率（本例中为PDMS的折射率），L表示FP腔的腔长，λ表示入射光波长，φ0表示初始相位。干涉光谱的波谷位置需满足如下相位条件：
其中m表示整数，表示第m阶波谷位置。根据（2）式，传感器的温度灵敏度可表示为（见图4中的(b)）：
其中光程差可进一步推导为下式：
因此，结合（3）（4）式，传感器的温度灵敏度可表示为：
在（5）式中代表腔内介质（即PDMS）的热光系数，/>代表单位腔长随温度的变化，该项主要由PDMS的热膨胀系数和弹簧结构104的弹性常数k共同决定。
如图4中的（c）所示，弹簧FP腔内的PDMS发生热膨胀将会诱导弹簧腔伸长，进一步带来干涉光谱的红移，通过改变所用弹簧的弹性常数k，可以调节，进一步调节传感器的灵敏度S。例如，当温度变化相同时，使用小k值的弹簧可以得到更大的腔长变化/>，从而得到更高的温度灵敏度S，而这也是该温度传感器具备可定制灵敏度的根本原因。
图5是本发明提供的一种基于光纤的弹簧FP腔温度传感器的干涉光谱（采用弹簧常数k=9.9μN/μm的弹簧制备）以及波谷位置随温度变化发生位移的示意图。实验中将传感器放置在电烘箱中，电烘箱内温度调节范围为30~50℃，图中温度自左到右分别为30、35.1、40、45.1和50℃。将传感器放置在不同温度环境下测量的干涉光谱如图5中的（a）所示，传感器的温度灵敏度定义为，其中/>是第m阶干涉波谷的位置偏移量，/>是环境温度变化量。由图5中的（b）可见，随着环境温度升高，干涉光谱发生明显红移。通过线性拟合干涉光谱波谷位置与环境温度，可以得到传感器的温度灵敏度约为712.4pm/℃。
图6是本发明提供的一种基于光纤的弹簧FP腔温度传感器的可重复性和稳定性测试结果。图6中的（a）是对同一个传感器连续进行三次独立温度响应测试的结果。通过线性拟合干涉光谱波谷位置与环境温度，得到的温度灵敏度分别为737.5、704.3和693.1pm/℃，三次独立测试结果的标准偏差仅为23.1 pm/℃，表明该器件具有良好的可重复性。图6中的（b）是将传感器放置在30℃恒温箱内连续3h监测器件干涉光谱变化的结果。图中结果显示，器件在连续3h监测内，干涉光谱无明显偏移，干涉光谱波谷位置的标准偏差仅为66pm，表明器件也具有较好的稳定性。
图7是本发明提供的基于光纤的弹簧FP腔温度传感器的灵敏度与弹簧常数k之间关系的测试结果。本实验使用双光子聚合3D打印技术在光纤端面分别制备了具有不同弹簧常数k的弹簧FP腔结构，随后在腔内填充PDMS并封装后制备出对应的温度传感器。图7中的（a）表明每种温度传感器的干涉光谱波谷位置与环境温度之间都表现出了良好的线性相关性。通过线性拟合可以得到器件的温度灵敏度与弹簧常数k之间的关系如图7中的（b）所示，从图中可以看到，器件的温度灵敏度与弹簧常数k之间可以用简单的线性相关性描述，拟合得到斜率为-5.8(pm/℃)/(μN/μm)。这种简单的线性关系使得该传感器具备了灵敏度可定制特性，即根据图7中的（b）的结果选择合适的弹簧k值并在光纤端面制备相应的弹簧结构104，人们可以灵活地定制具有不同灵敏度的温度传感器，且灵敏度定制范围为100~700pm/℃。
图8是本发明提供的基于光纤的弹簧FP腔温度传感器的弹簧常数k与结构尺寸间的关系。弹簧的弹性常数k是采用改装的纳米压痕仪（Hysitron TM P188）测量得到的，详细的弹性常数k与其几何参数间的对应关系如图8所示。弹簧的几何结构主要由图中标注的R、L、t和w决定。其中前三个参数分别被设定为15μm、56μm和4μm，而w在4-14μm间调节（步长2μm）从而调整弹簧的弹性常数k。通过高精度地调节w值，可以对弹簧k值在约10-100μN/μm范围内进行有效调节。
实施例二
如图2所示，基于相同的构思，本申请还提出了用于制备上述的一种基于光纤的弹簧FP腔温度传感器的制备方法，包括以下步骤：
S00、采用双光子聚合3D打印工艺在单模光纤100端面打印3D微纳结构；
在本实施例中，该双光子聚合3D打印工艺加工精度可达200nm，结合高性能光刻胶，可加工出表面平整且有较高机械强度的3D微纳结构。制备具体步骤包括：滴涂光刻胶（采用负胶）、双光子光刻、显影、清洗以及紫（外）光固化。单模光纤100端面3D打印的3D微纳结构的扫描电镜表征图如图2所示，其结构尺寸与设计值基本一致，进一步表明双光子聚合3D打印技术的高加工精度。
其中，采用的光刻胶为常规光刻胶，包括但不限于IP-Dip、IP-S和IP-L。在本实施例中，光刻胶采用IP-Dip。
S10、将3D微纳结构封装于玻璃管101内，并注入热敏感材料105置于真空箱内静置，以使得热敏感材料105进入FP腔内；
S20、将热敏感材料105热固化，使得热敏感材料105完全固化，完成制备。
在本实施例中，双光子聚合3D打印工艺的加工参数为：
采用的双光子激光参数为波长780nm（可选范围在700~1000nm之间），激光功率16.5mW（可选范围在10~20mW之间），激光扫描速度170μm/s（可选范围在100~300μm/s之间）；
显影采用的显影剂为丙二醇甲醚醋酸酯（PGMEA）；
清洗采用的清洗液为甲基九氟丁醚（MNE）；
光固化采用的紫光波长405nm，固化温度为25℃，固化时间为10min。
具体流程为：首先将单模光纤100具有微纳结构的一端插入玻璃管101中约0.5cm，并使用胶水对其末端进行固定。随后向玻璃管101内注入PDMS，放在真空箱内静置约30min，促进PDMS进入弹簧FP腔内。最后，器件放置在80℃条件下超过2h，使得PDMS完全固化。至此，基于光纤的FP腔温度传感器便制备完成。使用双光子聚合3D打印工艺来制备3D微纳结构可以实现高精度、复杂性、定制化设计、稳定性和快速制造等优势。这有助于提高基于光纤的弹簧FP腔温度传感器的性能、可靠性和制造效率。
实施例三
如图3所示，本实施例还提供了一种基于光纤的弹簧FP腔温度传感系统，包括可调谐激光器、光纤连接器、光功率计和上述任一项的一种基于光纤的弹簧FP腔温度传感器；可调谐激光器与光纤连接器的第1端连接，光纤连接器的第2端与光功率计连接，光纤连接器的第3端与弹簧FP腔温度传感器连接。
基于光纤的弹簧FP腔温度传感系统具有温度测量能力、可调谐激光器的灵活性、光纤连接器的可靠性、光功率计的准确性，以及系统集成和便携性。这些效果有助于实现精确、可靠的温度监测和数据获取。
需要说明的是，可调谐激光器可提供任意波长的光，作为实验案例，可调谐激光器的光源波长为1500~1630nm。光纤连接器用于连接光纤器件，可以是光纤环形器和光纤耦合器中的任一种。可调谐激光器发出的入射光经过光纤连接器进入温度传感器，随后反射回来的光再次经过光纤连接器进入光功率计，通过扫描可调谐激光器的入射波长，同时测量反射光功率，便可以记录下相应的干涉光谱。
需要说明的是，本实施例中的具体示例可以参考上述实施例及可选实施方式中所描述的示例，本实施例在此不再赘述。
本领域的技术人员应该明白，以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种基于光纤的弹簧FP腔温度传感器，包括单模光纤以及固定在单模光纤端面上的3D微纳结构，其特征在于，还包括：
套设于所述单模光纤带有3D微纳结构一端外的玻璃管；
填充于该玻璃管内的热敏感材料；
其中，所述3D微纳结构包括针对所述单模光纤端面设置的圆盘腔板、与所述单模光纤端面连接的圆环基座、连接所述圆盘腔板和所述圆环基座的一个或多个弹性复位件，所述单模光纤端面与所述圆盘腔板之间形成FP腔；
其中，通过所述热敏感材料的热膨胀带动所述弹性复位件长度发生变化，以带来干涉光谱的红移；
其中，通过调整所述弹性复位件的几何尺寸实现对其弹性常数k的调整，以实现对温度灵敏度的调整。
2.如权利要求1所述的一种基于光纤的弹簧FP腔温度传感器，其特征在于，所述热敏感材料在填充后进行固化操作。
3.如权利要求1所述的一种基于光纤的弹簧FP腔温度传感器，其特征在于，所述3D微纳结构通过双光子聚合3D打印工艺制备得到。
4.如权利要求1所述的一种基于光纤的弹簧FP腔温度传感器，其特征在于，所述弹性复位件为多个时，沿所述圆环基座周向均匀布置。
5.如权利要求4所述的一种基于光纤的弹簧FP腔温度传感器，其特征在于，每个所述弹性复位件为螺旋状。
6.如权利要求1所述的一种基于光纤的弹簧FP腔温度传感器，其特征在于，所述弹性复位件外径大于所述圆环基座的内径，且小于所述圆环基座的外径。
7.如权利要求1所述的一种基于光纤的弹簧FP腔温度传感器，其特征在于，所述热敏感材料为聚二甲基硅氧烷。
8.用于制备权利要求1-7任意一项所述的一种基于光纤的弹簧FP腔温度传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S00、采用双光子聚合3D打印工艺在单模光纤端面打印3D微纳结构；
S10、将3D微纳结构封装于玻璃管内，并注入热敏感材料置于真空箱内静置，以使得热敏感材料进入FP腔内；
S20、将热敏感材料热固化，使得热敏感材料完全固化，完成制备。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，S00步骤中，双光子聚合3D打印工艺的加工参数为：
采用的双光子激光参数为波长700~1000nm，激光功率10~20mW，激光扫描速度100~300μm/s；
显影采用的显影剂为丙二醇甲醚醋酸酯；
清洗采用的清洗液为甲基九氟丁醚；
光固化采用的紫光波长405nm，固化温度为25℃，固化时间为10min。
10.一种基于光纤的弹簧FP腔温度传感系统，其特征在于，包括：可调谐激光器、光纤连接器、光功率计和权利要求1-7中任一项所述的一种基于光纤的弹簧FP腔温度传感器；所述可调谐激光器与所述光纤连接器的第1端连接，所述光纤连接器的第2端与所述光功率计连接，所述光纤连接器的第3端与弹簧FP腔温度传感器连接。
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