CN203745132U - 一种光激励光纤光栅悬臂梁谐振子真空度传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型是一种光激励光纤光栅悬臂梁谐振子真空度传感器，它属于光纤传感器技术领域。它包括LD光源、光纤定向耦合器、光电探测器、传感探头、匹配液、微加工的光纤光栅、金属镀膜、匹配滤波FBG。本实用新型通过空气阻尼影响器光纤光栅悬臂梁谐振子传感器的品质因数进而影响光纤光栅悬臂梁的谐振幅度，最终改变FBG悬臂梁谐振子传感器反射信号中心波长变化来测量真空度。本实用新型结构简单，抗电磁干扰性能强，可以满足微型化、实时在线分布式和多点监测的要求。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感器技术领域，特别涉及一种用于测量真空度的光纤光栅(FBG：Fiber Bragg Grating)悬臂梁谐振子传感器。
背景技术
真空度测量是真空技术的重要组成部分，对于在恶劣的狭小空间(如有毒、易燃、易爆、高温高压等场合)的真空度检测是目前真空度测量技术的关键应用之一，现有可以满足的技术选择为硅微机械探头方法，硅微机械探头制作的真空传感器具有微型化、易集成、高灵敏度、成本低等优点。但硅微机械探头检测方法也存在缺点：(1)硅微机械传感器的激励方式有压电激励、静电激励、或电热激励等，均需要在硅微悬臂梁上制作附加激励元件，激励效率低；(2)硅微机械探头方法需要电信号激励和输出，抗电磁干扰能力差，不便于实现分布式多点监测(3)硅微机械传感器一体化封装比较困难。因此设计一种全光传输的光激励光纤光栅悬臂梁谐振子真空度传感器具有迫切的技术需求。
光纤光栅悬臂梁谐振子真空度传感器的突出特点：(1)光激励的方式，激励光由光纤直接耦合进光纤谐振子结构中，不需在悬臂梁上制作附加激励元件，光激励效率高；(2)光纤光栅悬臂梁谐振子真空度传感器为全光器件，抗电磁干扰能力强，便于在线分布式多点监测；(3)一体化封装，精度高，可靠性强，特别适合于狭小空间的高精度传感测量，在物理、化学、生物医学和生命科学等多个研究领域具有广泛的应用前景。
本发明直接在在单模光纤的光栅结构基础上制作悬臂梁谐振子器件，或者先在单模光纤上制作D型悬臂梁再写入光栅结构的FBG悬臂梁谐振子器件，实现了光路与器件的光纤一体化，即一种光激励光纤光栅悬臂梁谐振子真空度传感器，这种一体化结构提高了器件的工作精度和稳定性。
发明内容
本发明针对现有硅微机械真空度传感器技术的不足，设计了一种光激励光纤光栅悬臂梁谐振子真空度传感器。
本发明所采取的传感器技术方案为：
一种光激励光纤光栅悬臂梁谐振子真空度传感器，包括LD光源(1)、光纤定向耦合器(2)、光电探测器(3)、传感探头(4)、匹配液(5)、微加工的光纤光栅(6)、金属镀膜(7)、匹配滤波FBG(8)；所述的LD光源(1)与光纤定向耦合器的一端口(100)连接，定向耦合器的二端口(101)连接匹配滤波FBG(8)，光电探测器(3)连接匹配滤波FBG(8)的另一端，光纤定向耦合器的三端口(102)与传感探头(4)连接，光纤定向耦合器的四端口(103)浸入匹配液(5)组成完整的真空度探测系统。
所述的光纤光栅悬臂梁谐振子直接在单模光纤的光栅结构基础上，去光栅结构处上半部分包层和部分纤芯(光纤光栅结构偏离器件轴心位置)，形成截面为D型的光纤光栅悬臂梁谐振子器件结构，如图2所示。
所述的光纤光栅悬臂梁谐振子表面镀有金属薄膜，镀膜材料为金和铬，镀膜厚度根据悬臂梁厚度优化选择。
所述的光纤光栅悬臂梁长度为0.5mm至3mm，悬臂梁厚度10μm至50μm，宽度100μm至125μm。
作为另一种光纤光栅悬臂梁谐振子的可选微加工方案，所述的光纤光栅悬臂梁谐振子首先基于单模光纤端面加工出一段D型悬臂梁，然后再在D型悬臂梁上微加工写入光栅结构，形成光纤光栅悬臂梁谐振子器件结构。
所述的光纤光栅悬臂梁谐振子结构为光纤一体化结构。
本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
直接在单模光纤的光栅结构基础上制作FBG悬臂梁谐振子器件，或者先在单模光纤上制作D型悬臂梁再写入光栅结构的FBG悬臂梁谐振子器件，实现了光路与器件的光纤一体化，具有如下优点：(1)器件结构简单，光路与器件合二为一，光耦合自对准增强了谐振器件工作的可靠性；(2)由于谐振敏感器件直接制作在单模光纤光栅结构上，因此敏感器件的尺寸可以满足传感器微型化的要求。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图；
图2为本发明中第一实施例的光纤光栅悬臂梁谐振子结构示意图；
图3为本发明中第二实施例的光纤光栅悬臂梁谐振子结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明：
图1所示，一种光激励光纤光栅悬臂梁谐振子真空度传感器，包括LD光源(1)、光纤定向耦合器(2)、光电探测器(3)、传感探头(4)、匹配液(5)、微加工的光纤光栅(6)、金属镀膜(7)、匹配滤波FBG(8)；所述的LD光源(1)与光纤定向耦合器的一端口(100)连接，定向耦合器的二端口(101)连接匹配滤波FBG(8)，光电探测器(3)连接匹配滤波FBG(8)的另一端，光纤定向耦合器的三端口(102)与传感探头(4)连接，光纤定向耦合器的四端口(103)浸入匹配液(5)组成完整的真空度探测系统。
图2所示，光纤光栅悬臂梁谐振子探头结构直接在单模光纤的光栅结构基础上腐蚀上半部分包层和部分纤芯(长度为0.5mm至3mm，悬臂梁厚度10μm至50μm，宽度100μm至125μm)，使光纤光栅结构偏离器件轴心位置，当激励光激励微悬臂谐振器件时，谐振器件的振动方向被控制在上下谐振。所述的悬梁端面镀有金属敏感膜。
图3所示，作为另一种可选器件微加工方案，所述的光纤光栅悬臂梁谐振子首先基于单模光纤端面加工出一段D型悬臂梁，然后再在D型悬臂梁上微加工写入光栅结构，形成光纤光栅悬臂梁谐振子器件结构。
本发明提出的一种光激励光纤光栅悬臂梁谐振子传感器测试器件的真空度时，主要考虑振幅A和微悬梁的品质因数Q。品质因数Q取决于固有频率f0(谐振频率)和阻尼系数λ。
FBG悬臂梁品质因数Q与阻尼系数λ和固有频率的关系：
Q∝f0/λ
品质因数Q与阻尼系数成反比，与固有频率成正比。
振幅A与品质因数Q的关系：
A＝Q F/K
F为激励力，k为微悬梁的弹性系数，振幅A与Q成正比。
FBG中心波长定义：
λB＝2neffΛ
λB是光纤布拉格光栅反射回来的入射光在自由空间中的中心波长；neff为有效折射率；Λ为光纤布拉格光栅的周期。
真空度越高，空气阻尼越小，光纤光栅悬臂梁谐振子传感器的品质因数Q越高，因为振幅A与品质因数Q成正比，则悬臂梁谐振子的振幅A越大，进而悬臂梁谐振子上的光栅栅距受到的拉伸和挤压程度越大，光栅的周期Λ变化越大，反射信号的中心波长λB的变化范围越宽。反之，中心波长变化范围越窄。
FBG光纤光栅悬臂梁谐振子器件的真空度检测范围为10-1～102pa。
本发明的两种可选方案中的光纤光栅悬臂梁结构均为光纤一体化结构，该型器件具有抗电磁干扰能力强、光激励效率高和微型化等优点，可以突破现有硅微机械谐振敏感器件的技术缺陷。
本发明的光纤光栅悬臂梁谐振子采用RIE(反应离子刻蚀)技术，在腐蚀过程中用石英玻璃毛细管作为光纤包层腐蚀的掩膜板。
一种光激励光纤光栅悬臂梁谐振子真空度传感器工作原理：
经频率调制的红外激光由光纤定向耦合器的一端口(100)进入，由光纤定向耦合器三端口(102)耦合传输到光纤光栅悬臂梁谐振子器件中，光纤光栅悬臂梁谐振敏感头将由于“双膜热效应”出现光热激励谐振，光纤光栅微悬臂梁发生谐振时，光纤光栅的中心波长由于光纤光栅周期变化而变化(光栅结构向下振动受到应力，向上振动受到拉力，周期发生变化)，被光纤光栅调制的反射信号沿光纤光路返回，反射信号光通过光纤定向耦合器二端口(101)入射到匹配滤波FBG，透射光被光电探测器(3)接收。光纤光栅悬臂梁谐振器探头对真空度参量很敏感：真空度变化时，空气阻尼发生变化，悬臂梁谐振子振幅随之发生变化，悬臂梁谐振子上的光栅栅距受到的拉伸和挤压程也会发生变化，最终反射信号的中心波长变化范围也发生变化。真空度越高，空气阻尼越小，悬臂梁谐振子的振幅越大，悬臂梁谐振子上的光栅栅距受到的拉伸和挤压程度越大，光栅的周期Λ随之变化越大，反射信号的中心波长的变化范围越宽。反之，中心波长变化范围越窄。中心波长变化的反射信号入射到匹配滤波FBG(8)中，匹配滤波FBG的透射光强被光电探测器(3)接收，匹配滤波FBG(8)将光纤光栅悬臂梁中心波长的变化量转化为光强信号的变化进而来测量真空度。
Claims (4)
1.一种光激励光纤光栅悬臂梁谐振子真空度传感器，包括LD光源(1)、光纤定向耦合器(2)、光电探测器(3)、传感探头(4)、匹配液(5)、微加工的光纤光栅(6)、金属镀膜(7)、匹配滤波FBG(8)；所述的LD光源(1)与光纤定向耦合器的一端口(100)连接，定向耦合器的二端口(101)连接匹配滤波FBG(8)，光电探测器(3)连接匹配滤波FBG(8)的另一端，光纤定向耦合器的三端口(102)与传感探头(4)连接，光纤定向耦合器的四端口(103)浸入匹配液(5)组成完整的真空度探测系统。
2.根据权利要求1所述的一种光激励光纤光栅悬臂梁谐振子真空度传感器，其特征在于，所述的光纤光栅悬臂梁谐振子直接在单模光纤的光栅结构基础上，去光栅结构处上半部分包层和部分纤芯，形成截面为D型的光纤光栅悬臂梁谐振子器件结构。
3.根据权利要求1所述的一种光激励光纤光栅悬臂梁谐振子真空度传感器，其特征在于，所述的光纤光栅悬臂梁谐振子首先基于单模光纤端面加工出一段D型悬臂梁，然后再在D型悬臂梁上微加工写入光栅结构，形成光纤光栅悬臂梁谐振子器件结构。
4.根据权利要求1所述的一种光激励光纤光栅悬臂梁谐振子真空度传感器，其特征在于，所述的光纤光栅悬臂梁谐振子表面镀有金属薄膜，镀膜材料为金和铬。
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| CN104776954B (zh) * | 2014-01-09 | 2018-06-22 | 中国计量学院 | 一种光激励光纤光栅悬臂梁谐振子真空度传感器 |
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