CN201575820U - 非本征型法布里-珀罗传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种非本征型法布里-珀罗传感器，该传感器包括两段光纤、两段金属插芯以及金属套管，所述每段金属插芯的内侧固定有光纤，所述两段金属插芯的外侧封装有金属套管，所述两段光纤和/或金属插芯端部形成有对立的端面组，该端面组与金属套管形成中空的腔体，所述端面组上喷涂有反射膜。本实用新型具有比常规的利用毛细管石英玻璃制作的光纤法布里-珀罗传感器的腔体结构具有工艺简单、制作方便、成本低廉等优点。

Description

非本征型法布里-珀罗传感器

技术领域

本实用新型涉及光纤传感器领域，尤其是一种非本征型法布里-珀罗传感器。

背景技术

法布里-珀罗(Fabry-Perot)传感器是一种基于多光束干涉原理的光学法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perot Interferometer，FPI)，由于FPI的工作原理是通过两个反射面之间的距离变化来测量被测点的变化，所以在传感领域，它可以被做得很小。和其他类型的光纤传感干涉仪，如马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪、迈克尔孙(Michelson)干涉仪、萨格奈克(Sagnac)干涉仪等双光束干涉仪不同，FPI不需要光纤耦合器。这使得FPI成为小型传感结构的理想选择。FPI发展的迅速，还在于它可以通过空分、时分、频分、相关复用等技术大大降低多点监测成本。根据光纤法珀腔的结构形式，光纤法布里-珀罗(Fabry-Perot)传感器可分为本征型光纤法-珀传感器(Intrinsic Fabry-PerotInterferometer，IFPI)和非本征型光纤法-珀传感器(ExtrinsicFabry-Perot Interferometer，EFPI)。

非本征型光纤法布里-珀罗(Fabry-Perot)传感器如图1所示；将两根光纤1的端面5加工为镜面作为反射面，然后使两光纤1封装在毛细管石英玻璃12内，使其端面严格平行、同轴，形成一个腔长为L的密封光纤法-珀腔，光纤1和毛细管石英玻璃12之间可用粘接或焊接方式固定，4为粘接或焊接层。毛细管石英玻璃的内径为d(d≥2a，2a为光纤直径)，长度为M。非本征型光纤法-珀(F-P)传感器是基于多光束干涉原理，当一束光通过光纤入射到该法-珀(F-P)腔内时，在光纤的两个端面发生多次反射，形成多光束干涉，反射光沿原路返回，透射光从法-珀(F-P)腔另一端射出。对光纤法-珀腔进行封装，便可形成非本征型法布里-珀罗光纤传感器。外界温度，压力的变化量直接反映在光纤法-珀腔腔长的变化，而腔长的变化又导致反射光中心波长的变化。通过对反射光的分析，便可实现对外界温度，压力的变化的测量。

与常规的马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪传感器技术相比，该项技术的特征和优点如下：马赫-曾德尔(M-Z)干涉仪干涉光线传感器由于使用参考光纤，对外部紊流非常敏感。法-珀(F-P)传感器技术的特征和优点在于：光线在单独的光纤中传播，除了标距影响外，参考光纤中的外部影响均被消除了。此外，与本征型法布里-珀罗干涉仪相比，非本征型法布里-珀罗干涉仪易于制作且机械性能更加优良。因此，非本征型光纤法布里-珀罗传感器是目前应用最为广泛的一种光纤法-珀传感器。

在常规的非本征型法布里-珀罗光纤传感器中，形成法-珀(F-P)腔体的毛细管石英玻璃的制作难度很高，因为其与光纤配合的内孔精度为亚微米级，需以特殊方法制作，成本高而成品率低。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：提供一种非本征型法布里-珀罗传感器，它比常规的利用毛细管石英玻璃制作的光纤法布里-珀罗传感器的腔体结构具有工艺简单、制作方便、成本低廉等优点。

为了克服背景技术中存在的缺陷，本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种非本征型法布里-珀罗传感器，该传感器包括两段光纤、两段金属插芯以及金属套管，所述每段金属插芯的内侧固定有光纤，所述两段金属插芯的外侧封装有金属套管，所述两段光纤和/或金属插芯端部形成有对立的端面组，该端面组与金属套管形成中空的腔体，所述端面组上喷涂有反射膜。

根据本实用新型的另外一个实施例，非本征型法布里-珀罗传感器进一步包括所述金属插芯和/或金属套管由金属镍或铜或铬制成。

根据本实用新型的另外一个实施例，非本征型法布里-珀罗传感器进一步包括所述反射膜为反射铝膜。

根据本实用新型的另外一个实施例，非本征型法布里-珀罗传感器进一步包括所述金属插芯的内径d≥光纤外径2a+0.08μm。

根据本实用新型的另外一个实施例，非本征型法布里-珀罗传感器进一步包括所述金属套管长度M≥光纤的端面之间的长度L。

根据本实用新型的另外一个实施例，非本征型法布里-珀罗传感器进一步包括所述光纤与金属插芯之间通过环氧树脂加以粘接。

根据本实用新型的另外一个实施例，非本征型法布里-珀罗传感器进一步包括所述金属插芯与金属套管通过焊接方式连接。

根据本实用新型的另外一个实施例，非本征型法布里-珀罗传感器进一步包括所述两段光纤和/或金属插芯对立的端面组为同轴、平行。

本实用新型有益效果如下：

1、在法-珀(F-P)腔体的装配过程中，可以利用特殊的微调机构来调整法-珀(F-P)腔体的腔长L，因而制作工艺方便灵活，能够精确控制腔长。

2、由于金属镍套管的长度M大于腔长L，而M是传感器的实际敏感长度，这就使得可通过改变M的长度来改变传感器的敏感度。

3、法-珀(F-P)腔体是由空气间隙组成的，其折射率近似为1，故可近似认为是L的单参数函数。

4、法-珀(F-P)腔体外侧的金属镍套管为金属材料，所以很容易与被测的金属基体(如桥梁构件，铁路道轨，油气贮存容器等)直接焊接，从而能精确测量被测参数，避免了附加的粘合剂因与金属镍不同物理性能造成的测量误差。

5、法-珀(F-P)腔体的金属镍套管为金属材料，其线膨胀系数大于毛细管玻璃，因而有较大的温度敏感度。

6、由于金属镍套管光纤和金属镍插芯为同种金属材料，套管受热伸长量与插芯受热伸长量相同，故可基本抵消材料热胀冷缩导致腔长L的变化，因而本实用新型的非本征型光纤法布里-珀罗传感器具有良好的温度特性，其受温度的影响可以忽略不计。

附图说明

图1是现有技术中光纤传感器的结构示意图；

图2是本实用新型的优选实施例的结构示意图；

图3是用电铸发制作金属镍插芯和套管毛坯原理图；

图中，1、光纤，2、金属插芯，3、金属套管，4、环氧树脂，5、端面组，6、腔体，7、金属镍，8、不锈钢芯棒，9、镍镀层，10、电铸槽，11、电铸液，12、石英玻璃。

具体实施方式

现在结合附图和优选实施例对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。

如图2所示，一种非本征型法布里-珀罗传感器，该传感器包括两段光纤1、两段金属插芯2以及金属套管3，所述每段金属插芯2的内侧固定有光纤1，所述两段金属插芯2的外侧封装有金属套管3，所述光纤1与金属插芯2之间优选通过环氧树脂4加以粘接。所述两段光纤1和/或金属插芯2端部形成有对立的端面组5，该端面组5与金属套管3形成中空的腔体6，所述端面组5上喷涂有反射膜。所述金属插芯2和/或金属套管3由金属镍或铜或铬制成，当然也可采用其它可镀金属，如金属锌等其它合金材料。所述金属插芯2与金属套管3通过焊接方式连接。

为提高反射效率，所述反射膜为反射铝膜，且所述两段光纤1和/或金属插芯2对立的端面组5为同轴、平行。由于光纤1为熔石英制成，金属插芯2为金属镍制成，当温度变化时，为保证光纤1不受金属插芯2的压缩应力的影响，所述金属插芯2的内径d≥光纤1外径2a+0.08μm。

为便于调节传感器的敏感度，所述金属套管3长度M≥光纤1的端面之间的长度L，通过微调结构调整腔体6长度L。

本实用新型的非本征型法布里-珀罗传感器的制作方法，该方法包括以下步骤：A)用光纤切割刀将通信单模光纤切割成两段单模光纤1，保护好切割端面；B)在两段光纤1外侧套装金属插芯2，将金属插芯2的端面与光纤的切割端面平齐，通过环氧树脂4将金属插芯2与光纤1粘接，对平齐后的金属插芯2的端面与光纤1的切割端面进行研磨、抛光；C)采用蒸涂工艺在平齐的光纤1切割端面与金属插芯2端面喷涂反射铝膜；D)将两段金属插芯2伸入金属套管3，通过微调机构调整两段金属插芯2端面之间的距离从而调整腔体6的长度L；E)将金属插芯2与金属套管3焊接，从而形成一个完整的非本征型法布里-珀罗传感器。

由熔石英制成的光纤1和金属镍制成的金属插芯2，两种材料有不同的物理性能，当温度变化时会产生应力。现分析如下：

熔石英和金属镍的材料参数比较如下表所示：

材料	线膨胀系数(℃-1)	杨氏模量(Pa)	泊松比
				镍	13.4×10-6(20℃)	20×1010	0.31

材料	线膨胀系数(℃-1)	杨氏模量(Pa)	泊松比
				熔石英	0.4～0.55×10-6(20℃)	7.31×1010	0.17

设定光纤法布里-珀罗传感器的使用温度范围为-30℃～+70℃，以20℃为中心温度，则温度变化为±50℃，当最大温度变化为50℃时，可计算得光纤径向应力为σ＝4.3×107Pa，此值与熔石英的断裂模量(1.1×107Pa)为同一数量级，可视为相等的应力，此应力不可能对光纤造成破损。另外，插芯内径随温度的变化，对于50℃的最大温度变化，可算出有0.08μm的变化量。而实际上，金属插芯2内径d与光纤1外径2a之间的间隙必大于0.08μm，所以光纤1不会受到压缩应力。

下面说明光纤法布里-珀罗传感器金属镍光纤金属插芯2和金属套管3的制作方法：

采用金属镍来制作光纤法布里-珀罗传感器光纤插芯和套管的原因是因为镍资源丰富，价格较低；镍的耐腐蚀性好，在空气中不受氧化；它是一种常用的电镀金属材料，电镀镍的工艺也相当成熟。

本实用新型涉及一种金属镍光纤法布里-珀罗传感器光纤金属插芯2和金属套管3及其用电铸技术制作的方法。这种方法是：在已经过表面光滑度加工过后的、直径等于插芯2或套管3内径d或D的不锈钢芯棒上，进行电镀金属镍(厚度可达0.7-3.0mm)，然后进行切断，再去除中心部的不锈钢芯棒，形成插芯2或套管3毛坯。按照所需的尺寸及形状对金属镍插芯2或套管3毛坯进行后期成品加工的方法，则与氧化锆陶瓷插芯2或套管3的精加工方法相同。应用金属镍套管的制作方法制作而成的插芯2或套管3的内表面光滑如镜，它是由已经过表面光滑度加工过后的不锈钢芯棒来保证的，无需再做内表面光滑度加工。通过对电流、电压，通电时间长短的调节可控制插芯2或套管3的厚度。

金属镍光纤法布里-珀罗传感器插芯或套管的制作工艺过程为：1、首先是用电铸法制成插芯2或套管3的毛坯；2、将毛坯材料切断加工；3、对外径进行粗研磨；4、将两端面进行研磨；5、将不锈钢芯线从内孔中拔出；6、同轴度加工；7、外径圆柱精加工；8、去屑；9、清洗；10、对插芯2或套管3的几何参数及精度进行检测。

用电铸法制作金属镍光纤法布里-珀罗传感器插芯或套管毛坯的方法如图3所示：7为金属镍；8直径为d或D的不锈钢芯棒；9为镍镀层即是金属镍插芯或套管毛坯；10为电铸槽；11为电铸液；将金属镍8联接到电源阳极，常规镀镍均采用可溶性阳极，用钛篮作为阳极，内装镍球。其优点是其阳极面积可做得足够大且不变化，阳极保养比较简单。钛篮应装入聚丙烯材料织成的阳极袋内防止阳极泥掉入镀液中。不锈钢芯棒8联接到电源阴极，电铸液11组分如下：主盐为氨基磺酸镍，该镍盐主要是提供镀镍所需的镍金属离子并兼起着导电盐的作用；阳极活化剂为氯化钠；pH缓冲剂为硼酸；脱模剂为烯烃磺酸盐。再可根据需要增加适量其它添加剂。当电铸液11加热到适当温度(40～50℃)，通电后，电铸槽10中的电极反应为：在阳极发生氧化反应；Ni-2e＝Ni²⁺，在阴极发生还原反应；Ni²⁺+2e＝Ni，镍就被电镀到不锈钢芯棒8上去，即形成金属镍光纤插芯或套管毛坯。电铸过程中，阳极镍球参加了反应，被逐渐腐蚀，电铸液11主盐浓度不变。镍镀层9的厚度则是由通电时间和电流大小决定。通电的电流密度可在4～20A/dm²之间。电铸液11需进行过滤和循环，它可使电铸液得到搅拌作用，从而有利于电铸液的均匀性，并能提高其导电性。

电铸液的主要配方如下表所示：

序号	名称	成分	含量
				1	主盐，导电盐	氨基磺酸镍	700g/L
2	阳极活化剂	氯化镍	15g/L
				3	pH缓冲剂	硼酸	45g/L
4	脱模剂	烯烃磺酸盐	15cc/L
				5	硬化剂	锑或锑化合物	适量

电铸液11各组分的作用分析如下：

主盐-氨基磺酸镍为镍液中的主盐，镍盐主要是提供镀镍所需的镍金属离子并兼起着导电盐的作用。氨基磺酸镍的沉积速率高，分散性好，应力小，最适于用作电铸镍液的主盐。镍盐含量高，可以使用较高的阴极电流密度，沉积速度快，常用作高速镀厚镍。但是浓度过高将降低阴极极化，分散能力差，而且镀液的带出损失大。镍盐含量低，沉积速度低，但是分散能力很好，能获得结晶细致光亮镀层。

阳极活化剂-镍阳极在通电过程中极易钝化，为了保证阳极的正常溶解，需在镀液中加入一定量的阳极活化剂。氯离子是最好的镍阳极活化剂。因而采用氯化镍作为阳极活化剂。

缓冲剂-硼酸用来作为缓冲剂，使镀镍液的PH值维持在一定的范围内。当镀镍液的PH值过低，将使阴极电流效率下降；而PH值过高时，由于H2的不断析出，使紧靠阴极表面附近液层的PH值迅速升高，导致Ni(OH)₂胶体的生成，而Ni(OH)₂在镀层中的夹杂，使镀层脆性增加，同时Ni(OH)₂胶体在电极表面的吸附，还会造成氢气泡在电极表面的滞留，使镀层孔隙率增加。硼酸不仅有PH缓冲作用，而且他可提高阴极极化，从而改善镀液性能。硼酸的存在还有利于改善镀层的机械性能。

脱模剂-电镀技术和电铸技术有一个很大的不同点：电镀时，镀层应紧紧地附在镀件上，起到对镀件的保护或装饰作用。而在电铸中，电铸体电镀在模具上成型，然后需将模具从电铸体上除去。因而电铸体与模具不能结合得太紧，以免阻碍电铸体的脱模工序。在本专利中，在电铸槽内添加含有一定量的含盐的有机硫化物，它能被吸附在电铸体的芯线(即电铸模具)的表面，形成一层专为便于电铸体从模具上剥离的钝化膜，使不锈钢芯线和电铸物之间的结合强度大为降低。这样，通过电子化学产生的钝化膜和不同金属的压缩内应力之间产生相辅相成的效果，可以在从电铸体中抽出或者推压出芯线时达到简单地去除芯线的效果。

硬化剂-由于金属镍的硬度不够大，达不到光纤插芯对硬度的要求，故在电铸液中应加入硬化剂使金属镍插芯的硬度从洛氏硬度HRC15～18提高到HRC50～60，以满足使用要求。硬化剂可采用锑或锑化合物。

以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (8)

1.一种非本征型法布里-珀罗传感器，其特征在于：该传感器包括两段光纤、两段金属插芯以及金属套管，所述每段金属插芯的内侧固定有光纤，所述两段金属插芯的外侧封装有金属套管，所述两段光纤和/或金属插芯端部形成有对立的端面组，该端面组与金属套管形成中空的腔体，所述端面组上喷涂有反射膜。

2.如权利要求1所述的非本征型法布里-珀罗传感器，其特征在于：所述金属插芯和/或金属套管由金属镍或铜或铬制成。

3.如权利要求1或2所述的非本征型法布里-珀罗传感器，其特征在于：所述反射膜为反射铝膜。

4.如权利要求1所述的非本征型法布里-珀罗传感器，其特征在于：所述金属插芯的内径d≥光纤外径2a+0.08um。

5.如权利要求1所述的非本征型法布里-珀罗传感器，其特征在于：所述金属套管长度M≥光纤的端面之间的长度L。

6.如权利要求1所述的非本征型法布里-珀罗传感器，其特征在于：所述光纤与金属插芯之间通过环氧树脂加以粘接。

7.如权利要求1所述的非本征型法布里-珀罗传感器，其特征在于：所述金属插芯与金属套管通过焊接方式连接。

8.如权利要求1所述的非本征型法布里-珀罗传感器的制作方法，其特征在于：所述两段光纤和/或金属插芯对立的端面组为同轴、平行。

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