CN208043091U - 一种用于双物理参量测量的光纤传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于双物理参量测量的光纤传感器，包括单模光纤段，多模光纤段和单模光纤薄膜；所述多模光纤段的两端面分别连接所述单模光纤段和所述单模光纤薄膜，且所述多模光纤段与所述单模光纤薄膜之间存在法布里‑珀罗干涉腔；所述多模光纤段的外侧面依次镀有银薄膜和铱薄膜，所述铱薄膜的宽度小于银薄膜的宽度。本实用新型结构简单，制备方便，使用寿命长，能够同时测定温度和压力两个物理参量，操作便捷高效，且测量结果稳定性好，具有广阔的应用前景。

Description

一种用于双物理参量测量的光纤传感器

技术领域

本实用新型属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于法布里-珀罗干涉的光纤传感器。

背景技术

上世纪70年代，光纤以其体积小、抗腐蚀性和抗干扰能力强等诸多优点，成为新兴光电子技术材料，由此带动了以光纤为信道的通信系统研究的繁荣。

法布里-珀罗干涉腔是在法布里-珀罗干涉仪的理论基础上设计而成。当外界参量如应力、形变、温度等，以一定方式作用于干涉腔时，干涉输出信号会随相关参量的变化而变化，因此，可通过干涉输出信号的变化对外界参量进行测定。

传统的光纤传感器多用于单参数测量，如单独测量应变、位移、温度、折射率等物理量。而通过单个光纤传感器实现对两个或者两个以上物理参数进行测量的光纤传感器，尽管具有系统集成化程度高、操作方便，能够满足特定工程对多物理量进行测定的要求等优点，但是迄今为止，文献报道较少。

公开号为CN103644987A的中国专利申请公开了一种基于法布里-珀罗腔的带有温度自补偿功能的压力传感器，其以刻有光栅的光纤作为传导光纤，以法布里-珀罗腔作为压力敏感元件，通过胶黏结或者二氧化碳激光焊接将两者进行连接。当外界温度发生变化时，法布里-珀罗腔的反射光谱受到温度和压力的双重影响，而光纤法布里-珀罗腔压力传感器由于其光纤光栅在空间中没有约束力，其反射光谱不受环境压力的影响，只随温度的变化而变化。因此，将光纤法布里-珀罗腔和光纤光栅的反射光谱数据进行综合处理，分离出温度对法布里-珀罗腔反射信号的影响，即可得到压力的测量值。

公开号为CN104833398A的中国专利申请公开了一种位移-温度同测光纤传感器，其为了实现温度与位移的同时测量，将发射光纤和接收光纤分别插入毛细玻璃管的发射孔和接收孔中并露出下端，将荧光材料体粘结于发射光纤的上端面，荧光激励光源设于发射光纤下方且对准发射光纤，干涉腔体下端面与毛细玻璃管上端面对准并粘结为一体，干涉腔体内表面设有光反射膜。其测量克服了环境因素，不受入射光光强或频率变化的影响。

现有技术中能够用于多物理参量测量的光纤传感器数量少，结构复杂，制作难度大，成本高，且能够测量的物理参量有限，究其原因，主要技术难度在于多参数之间的交叉敏感性导致测量难度大、精度低。因此，研究开发结构简单、制造方便、成本低、便于使用的可用于多物理参量测量的光纤传感器具有重要意义。

发明内容

本实用新型目的在于针对现有技术中的光纤传感器多用于单物理参数测量，可用于多参量测量的光纤传感器数量少，结构复杂，制作难度大，成本高，且能够测量的物理参量有限等不足，提供一种用于双物理参量测量的光纤传感器，其具有结构简单、制作方便、成本低、体积小、灵敏度高、使用寿命长，可满足特定工程环境下同时对温度和压力进行测量等优点。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种用于双物理参量测量的光纤传感器，其包括：单模光纤段，多模光纤段和单模光纤薄膜。

所述单模光纤段包括单模光纤纤芯和设置于所述单模光纤纤芯外围的单模光纤纤芯包层；所述多模光纤段包括多模光纤纤芯和设置于所述多模光纤纤芯外围的多模光纤纤芯包层；所述单模光纤薄膜包括单模光纤薄膜纤芯和设置于所述单模光纤薄膜纤芯外围的单模光纤薄膜纤芯包层。

所述多模光纤段的两端面分别连接所述单模光纤段和所述单模光纤薄膜，且所述多模光纤段与所述单模光纤薄膜之间存在法布里-珀罗干涉腔。所述多模光纤段的外侧面镀有银薄膜，所述银薄膜外侧面镀有铱薄膜，且所述铱薄膜的宽度小于所述银薄膜的宽度。所述单模光纤段和多模光纤段的长度可根据实际需要进行选择；较佳地，所述多模光纤段的长度为1mm。较佳地，所述银薄膜的厚度为40~50nm，宽度为0.9~1mm；较佳地，所述铱薄膜的厚度为20~30nm，宽度为400~600μm。

所述单模光纤段和所述单模光纤薄膜均可由现有技术中常规使用的普通单模光纤去除外保护层后制得；所述多模光纤段可由现有技术中常规使用的多模光纤去除外保护层后制得，优选由62.5/125μm缓变增强型多模光纤去除外保护层后制得。所述多模光纤段与所述单模光纤段之间，所述多模光纤段与所述单模光纤薄膜之间均可通过现有技术中常规的连接方法进行连接，优选通过光纤熔接机进行熔接。所述法布里-珀罗干涉腔可通过将所述多模光纤段用现有技术中常规的刻蚀方法进行刻蚀制得；较佳的为将所述多模光纤段于氢氟酸溶液中进行化学腐蚀制得，由于多模光纤段的纤芯与包层掺杂情况不同，二者在氢氟酸中受到腐蚀的速率也不同，因而在将多模光纤段未连接单模光纤段的一端置于氢氟酸溶液中时，可在多模光纤段的纤芯内形成向内凹陷的凹腔。所述银薄膜和铱薄膜均可通过现有技术中常规的可用于镀覆金属薄膜的方法进行镀覆，如通过磁控溅射法进行镀覆。

在不违背本领域常识的基础上，本实用新型各优选技术特征可自由组合。

进行压力测定时，单模光纤薄膜随作用于其上的压力的变化发生一定程度的形变，由此导致法布里-珀罗干涉腔的腔长发生变化，进而引起干涉光之间的相位差发生改变，通过解调干涉光谱，即可得知法布里-珀罗干涉腔腔长的变化，进而测得压力。

进行温度测定时，由于多模光纤段外侧面的两种金属膜热膨胀系数相差较大，当外界温度发生变化时，两种金属膜的疲劳程度不同，导致银-铱双金属膜层产生一定的形变，从而造成法布里-珀罗干涉腔的腔长发生变化，进而使得干涉光之间的相位差发生改变，通过解调干涉光谱，得知法布里-珀罗干涉腔腔长的变化，即可实现温度的测量。

有益效果：本实用新型利用多模光纤段的纤芯与包层的掺杂程度不同，二者在氢氟酸溶液中受到腐蚀的速率也不同的特点，在多模光纤段中制得法布里-珀罗干涉腔，操作简便易行，效率高。本实用新型在多模光纤段外侧面镀双金属膜层，在温度变化时，由于两种金属热膨胀系数不同，会使双金属膜层产生形变，进而导致法布里-珀罗干涉腔腔长改变，从而可通过干涉光谱的变化间接反映温度的变化；当单模光纤薄膜的端面受到压力作用时，法布里-珀罗干涉腔的腔长也会相应变化，因此通过干涉光谱的变化即能间接得到作用于单模光纤薄膜端面压力的变化。本实用新型结构简单，制备方便，使用寿命长，能够同时测定温度和压力两个物理参量，操作便捷高效，且测量结果稳定性好，具有广阔的应用前景。

附图说明

附图1是本实用新型用于双物理参量测量的光纤传感器的纵向剖视图；

附图2是本实用新型用于双物理参量测量的光纤传感器的整体透视图；

附图3是本实用新型的银-铱双金属膜层在室温下的状态；

附图4是本实用新型的银-铱双金属膜层在温度升高时的状态；

图1~4中：1-单模光纤纤芯，2-单模光纤纤芯包层，3-法布里-珀罗干涉腔，4-银薄膜，5-铱薄膜，6-单模光纤薄膜，7-单模光纤段，8-多模光纤段。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步说明。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型所述内容后，本领域技术人员可以对本实用新型作出各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。

实施例：如图1~2所示，一种用于双物理参量测量的光纤传感器，其包括：单模光纤段7，多模光纤段8和单模光纤薄膜6；

所述单模光纤段7包括单模光纤纤芯1和设置于所述单模光纤纤芯1外围的单模光纤纤芯包层2；所述多模光纤段8包括多模光纤纤芯和设置于所述多模光纤纤芯外围的多模光纤纤芯包层；所述单模光纤薄膜6包括单模光纤薄膜纤芯和设置于所述单模光纤薄膜纤芯外围的单模光纤薄膜纤芯包层；

所述多模光纤段8的两端面分别连接所述单模光纤段7和所述单模光纤薄膜6，且所述多模光纤段8与所述单模光纤薄膜6之间存在法布里-珀罗干涉腔3；所述多模光纤段8的外侧面镀有银薄膜4，所述银薄膜4外侧面镀有铱薄膜5，所述铱薄膜5的宽度小于所述银薄膜4的宽度。

所述单模光纤段7和所述单模光纤薄膜6均由现有技术中常规使用的普通单模光纤去除外保护层后制得；所述多模光纤段8由62.5/125μm缓变增强型多模光纤去除外保护层后制得。所述法布里-珀罗干涉腔3通过将所述多模光纤段8于氢氟酸溶液中进行化学腐蚀制得。所述多模光纤段8与所述单模光纤段7之间，所述多模光纤段8与所述单模光纤薄膜6之间，均通过光纤熔接机进行熔接。所述银薄膜4和铱薄膜5均通过磁控溅射法进行镀覆。

所述多模光纤段8的长度为1mm；所述银薄膜4的厚度为40~50nm，宽度为0.9~1mm；所述铱薄膜5的厚度为20~30nm，宽度为400~600μm。

所述用于双物理参量测量的光纤传感器由以下方法制得：

步骤1：取适宜长度的单模光纤和62.5/125μm缓变增强型多模光纤，分别去除外保护层并用酒精棉擦拭干净，得到单模光纤段7和多模光纤段8；用光纤切割刀将所述单模光纤段7和多模光纤段8的端面切平，并通过光纤熔接机将二者端面进行熔接，得到结合光纤段。

步骤2：室温下，将步骤1所得结合光纤段的多模光纤段8未连接单模光纤段7的一端置于质量分数为40%的氢氟酸溶液中进行化学腐蚀，再用去离子水清洗。由于多模光纤段8的纤芯与包层掺杂情况不同，二者在氢氟酸中受到腐蚀的速率也不同，因而在多模光纤段8未连接单模光纤段7的一端的纤芯内形成了向内凹陷的凹腔。

步骤3：在比长仪的显微镜下，将步骤2所得含有凹腔的结合光纤段的多模光纤段8的一端进行截取，使截取后的多模光纤段8的长度为1mm；另取一段适宜长度的单模光纤，去除外保护层后用酒精棉擦拭干净，并将一端端面切平，得到第二单模光纤段；用光纤熔接机将该第二单模光纤段切平的端面与多模光纤段8带有凹腔的端面进行熔接，形成单模-多模-单模式结构，得到第二结合光纤段；在比长仪的显微镜下，将第二单模光纤段未连接多模光纤段8的一端切断，使残留的与多模光纤段8相连的第二单模光纤段的厚度尽可能地薄，再用研磨机研磨断面，使得残留的与多模光纤段8相连的第二单模光纤段成为单模光纤薄膜6，从而在单模光纤薄膜6与多模光纤段8的凹腔之间构成法布里-珀罗干涉腔。

步骤4：将步骤3所得带有法布里-珀罗干涉腔的第二结合光纤段固定于玻璃基片上，用酒精液清洗多模光纤段8的外侧面，通过磁控溅射法在所述多模光纤段8的外侧面溅射一层厚度为40~50nm，宽度为0.9~1mm的银薄膜4，再采用磁控溅射法在银薄膜4的外表面溅射一层厚度为20~30nm，宽度为400~600μm的铱薄膜5，即得到本实用新型用于双物理参量测量的光纤传感器。

进行压力测定时，单模光纤薄膜6随作用于其上的压力的变化发生一定程度的形变，由此导致法布里-珀罗干涉腔的腔长发生变化，进而引起干涉光之间的相位差发生改变，通过解调干涉光谱，即可得知法布里-珀罗干涉腔腔长的变化，进而测得压力。

如图3~4所示，进行温度测定时，由于多模光纤段8外侧面的银薄膜4和铱薄膜5的热膨胀系数相差较大，当外界温度发生变化时，两种金属膜的疲劳程度不同，导致银-铱双金属膜层产生一定的形变，从而造成法布里-珀罗干涉腔的腔长发生变化，进而使得干涉光之间的相位差发生改变，通过解调干涉光谱，得知法布里-珀罗干涉腔腔长的变化，即可实现温度的测量。

Claims (7)

1.一种用于双物理参量测量的光纤传感器，其特征在于，包括单模光纤段（7），多模光纤段（8）和单模光纤薄膜（6）；

所述单模光纤段（7）包括单模光纤纤芯（1）和设置于所述单模光纤纤芯（1）外围的单模光纤纤芯包层（2）；所述多模光纤段（8）包括多模光纤纤芯和设置于所述多模光纤纤芯外围的多模光纤纤芯包层；所述单模光纤薄膜（6）包括单模光纤薄膜纤芯和设置于所述单模光纤薄膜纤芯外围的单模光纤薄膜纤芯包层；

所述多模光纤段（8）的两端面分别连接所述单模光纤段（7）和所述单模光纤薄膜（6），且所述多模光纤段（8）与所述单模光纤薄膜（6）之间存在法布里-珀罗干涉腔（3）；所述多模光纤段（8）的外侧面镀有银薄膜（4），所述银薄膜（4）外侧面镀有铱薄膜（5），所述铱薄膜（5）的宽度小于所述银薄膜（4）的宽度。

2.根据权利要求1所述的用于双物理参量测量的光纤传感器，其特征在于，所述多模光纤段（8）的长度为1mm。

3.根据权利要求2所述的用于双物理参量测量的光纤传感器，其特征在于，所述银薄膜（4）的厚度为40~50nm，宽度为0.9~1mm；所述铱薄膜（5）的厚度为20~30nm，宽度为400~600μm。

4.根据权利要求1~3任一项所述的用于双物理参量测量的光纤传感器，其特征在于，所述多模光纤段（8）由62.5/125μm缓变增强型多模光纤去除外保护层后制得。

5.根据权利要求1~3任一项所述的用于双物理参量测量的光纤传感器，其特征在于，所述多模光纤段（8）与所述单模光纤段（7）之间，所述多模光纤段（8）与所述单模光纤薄膜（6）之间，均通过光纤熔接机进行熔接。

6.根据权利要求1~3任一项所述的用于双物理参量测量的光纤传感器，其特征在于，所述法布里-珀罗干涉腔（3）通过将所述多模光纤段（8）于氢氟酸溶液中进行化学腐蚀制得。

7.根据权利要求1~3任一项所述的用于双物理参量测量的光纤传感器，其特征在于，所述银薄膜（4）和所述铱薄膜（5）均通过磁控溅射法进行镀覆。