CN103196474B - 一种光纤珐珀传感器制作方法及由其构成的检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于单模光纤和电弧放电的微型光纤珐珀传感器制作方法及其利用该传感器组成的检测装置，首先对一段单模光纤端面进行多次放电处理形成一层薄膜；然后将薄膜一端与另一段单模光纤熔接；最后按照设计长度切割经放电处理单模光纤的非薄膜端，分别形成用于珐珀干涉的两个反射面；所述两个反射面分别由两段单模光纤熔接处的薄膜和传感器末端的空气-光纤交界面形成。该传感器全光纤、制作简单、可靠性高、体积小、抗电磁干扰、价格低廉，可以实现温度和折射率同时测量、最高测温达1000℃。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤传感技术，尤其涉及一种基于单模光纤和电弧放电的微型光纤珐珀传感器及制作方法。
背景技术
光纤传感器以其体积小、抗电磁干扰、可用于恶劣环境等突出优点在航天、船舶、大坝、环境监测、化工生物等领域应用广泛。光纤干涉式传感器采用了光干涉技术，其精度和灵敏度比普通光纤传感器高。
光纤干涉式传感器主要有光纤光栅型、迈克尔逊干涉仪型、马赫曾德干涉仪型、萨格纳克干涉仪型和珐布里珀罗干涉仪型。其中，珐布里珀罗干涉仪型具有体积小、稳定性好、抗弯曲及应变能力强、集成度高等的突出优点。但是，目前已有的光纤珐布里珀罗干涉型传感器仍存在结构复杂、制作成本高、测量参数有限、耐高温能力不强等缺点，不利于实际工业应用。
专利申请号CN200910190826.8公开号CN101650235的中国发明专利“微型光纤内集成的光纤干涉式温度传感器及其制作方法”提供了通过在入射单模光纤末端偏置熔接一端柚子型光纤来形成光纤高温传感器。该结构由于需要特殊的柚子型光纤和要求比较苛刻的偏置熔接距离，使其制作成本高、过程复杂。另外，专利申请号CN200710088067.5公开号CN101034007的中国发明专利“光纤法珀传感器及其制造方法”提供了通过激光对单模光纤进行加工形成微槽型法珀干涉仪。但这种珐珀传感器制作需飞秒激光器，而且多腔体结构使信号处理麻烦。专利申请号CN200910059204.1公开号CN101561295的中国发明专利“基于腐蚀高掺杂光纤的珐珀传感器制作方法”提供了通过强酸腐蚀高掺杂光纤形成微孔，然后再通过熔接形成微孔型珐珀干涉仪的制作方法。 Wei等人和也通过在单模光纤上利用激光打缺形成光纤珐珀干涉仪（详见Opt.Express. vol.16, no.8, pp: 5764-5769,Jan.2008.）。
但无一例外，这些结构的光纤珐珀传感器的制作需要用到特殊并且价格昂贵的光纤或者仪器，使其制作复杂、成本高昂、不利于工业广泛应用。
因此急需一种制作简单、可靠性高、体积小、抗电磁干扰、价格低廉的微型光纤珐珀传感器及其制作方法。
发明内容
有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种制作简单、可靠性高、体积小、抗电磁干扰、价格低廉的微型光纤珐珀传感器及其制作方法。该传感器由一段经过电弧放电处理的单模光纤和一段普通单模光纤熔接形成，使传感器全光纤、实现温度和折射率同时测量、最高测温达1000℃微型光纤珐珀传感器。
本发明的目的之一是提出一种基于单模光纤和电弧放电的微型光纤珐珀传感器制作方法；本发明的目的之二是提出一种基于单模光纤和电弧放电的微型光纤珐珀传感器制作的检测装置。
本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的：
本发明提供的一种光纤珐珀传感器制作方法，包括以下步骤：
S1：对一段单模光纤端面进行多次放电处理形成一层薄膜；
S2：将薄膜一端与另一段单模光纤熔接；
S3：按照设计长度切割经放电处理单模光纤的非薄膜端，分别形成用于珐珀干涉的两个反射面，所述反射面分别由两段单模光纤熔接处的薄膜和传感器末端的空气-光纤交界面形成。
进一步，所述薄膜通过以下方式形成：首先将一段单模光纤尾端切平，然后利用光纤熔接机对一段单模光纤端面进行多次放电处理，从而形成一层薄膜。
进一步，所述单模光纤外径125±1μm、纤芯8.2±0.1μm。
进一步，所述薄膜通过光纤熔接机电弧放电或二氧化碳激光器电弧放电处理。
进一步，所述熔接通过电弧熔接或二氧化碳激光加热熔接进行熔接。
进一步，所述薄膜的长度为20-60μm。
进一步，经放电处理后的所述单模光纤的物理长度按照设计要求切割，长度为10-1000μm。
本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的：
本发明提供的基于单模光纤和电弧放电的微型光纤珐珀传感器制作的检测装置，包括基于单模光纤和电弧放电的微型光纤珐珀传感器、宽带光源、耦合器、光谱仪和计算机；
所述宽带光源连接到耦合器一端，所述耦合器的另一端连接到基于单模光纤和电弧放电的微型光纤珐珀传感器，形成反射干涉谱线，经由耦合器的另一端连接到光谱仪，计算机与光谱仪通信连接。
进一步，所述耦合器为1×2耦合器，所述宽带光源连接到1×2耦合器“2”的其中一端，所述1×2耦合器的“1”端连接到基于单模光纤和电弧放电的微型光纤珐珀传感器，形成反射干涉谱线，经由1×2耦合器“2”的另一端连接到光谱仪。
本发明的优点在于：本发明采用基于单模光纤和电弧放电的微型光纤珐珀传感器及其制作方法，它由一段经过电弧放电处理的单模光纤和一段普通单模光纤熔接形成，包括以下步骤：利用光纤熔接机对一段单模光纤端面进行多次放电处理形成一层薄膜；将薄膜端与另一段普通单模光纤熔接；按照设计长度切割经放电处理单模光纤的非薄膜端；其珐珀干涉的两个反射面分别由两段单模光纤熔接处的薄膜和传感器末端的空气-光纤交界面形成；本发明的有益技术效果是：使传感器全光纤、实现温度和折射率同时测量、最高测温达1000℃、制作简单、可靠性高、体积小、抗电磁干扰、价格低廉。本发明提供的传感器可以使传感器全光纤、实现温度和折射率同时测量、耐高温、制作简单、可靠性高、体积小、抗电磁干扰、价格低廉。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为未经电弧放电处理的普通单模光纤结构示意图；
图2为经过熔接机电弧放电处理后的单模光纤结构示意图；
图3为基于单模光纤和电弧放电的微型光纤珐珀传感器结构示意图；
图4为采用本发明的微型光纤珐珀传感器的测量装置结构示意图。
图中，1、单模光纤，2、薄膜，3、光纤珐珀传感器，4、1×2耦合器，5、宽带光源，6、光谱仪，7、计算机。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
图1为未经电弧放电处理的普通单模光纤结构示意图，图2为经过熔接机电弧放电处理后的单模光纤结构示意图，图3为基于单模光纤和电弧放电的微型光纤珐珀传感器结构示意图，图4为采用本发明的微型光纤珐珀传感器的测量装置结构示意图，如图所示：本发明提供的基于单模光纤和电弧放电的微型光纤珐珀传感器制作方法，包括以下步骤：
S1：对一段单模光纤端面进行多次放电处理形成一层薄膜；
所述电弧放电的具体参数为：熔接机型号：Furukawa S176；光纤端面与电极轴向偏置距离：120μm；放电能量：70；预放电时间：150ms；放电持续时间：1000ms；放电次数：8次；
S2：将薄膜一端与另一段单模光纤熔接；
所述熔接机设置的具体参数为：放电能量：100；预放电时间：150ms；放电持续时间：1200ms。
S3：按照设计长度切割经放电处理单模光纤的非薄膜端，分别形成用于珐珀干涉的两个反射面，所述反射面分别由两段单模光纤熔接处的薄膜和传感器末端的空气-光纤交界面形成。
所述薄膜通过以下方式形成：首先将一段单模光纤尾端切平，然后利用光纤熔接机对一段单模光纤端面进行多次放电处理，从而形成一层薄膜。
所述单模光纤外径125±1μm、纤芯8.2±0.1μm。
所述薄膜通过光纤熔接机电弧放电或二氧化碳激光器电弧放电处理。
所述熔接通过电弧熔接或二氧化碳激光加热熔接进行熔接。
所述薄膜的薄膜长度为20-60μm，本发明具体实施例提供的薄膜2长度为30μm左右，具体长度为33μm。
所述经放电处理后的单模可以根据实际需要，利用光纤切割刀按照设计长度切割经放电处理单模光纤1的尾端，其珐珀干涉的两个反射面分别由两段单模光纤1熔接处的薄膜2和传感器末端的空气-光纤交界面形成，从而产生干涉信号，本实例中干涉腔长度为413μm，干涉信号对比度达10dB。
本实施例中的电弧放电的具体参数为：熔接机型号：Furukawa S176；光纤端面与电极轴向偏置距离：120μm；放电能量：70；预放电时间：150ms；放电持续时间：1000ms；放电次数：8次；所述熔接机设置的具体参数为：放电能量：100；预放电时间：150ms；放电持续时间：1200ms。
本实施例中的干涉腔长度为413μm，干涉信号对比度达10dB。
本发明实施例还提供一种根据基于单模光纤和电弧放电的微型光纤珐珀传感器制作的检测装置，包括基于单模光纤和电弧放电的微型光纤珐珀传感器、宽带光源、耦合器、光谱仪和计算机；
所述宽带光源连接到耦合器一端，所述耦合器的另一端连接到基于单模光纤和电弧放电的微型光纤珐珀传感器，形成反射干涉谱线，经由耦合器的另一端连接到光谱仪，计算机与光谱仪通信连接。
所述耦合器为1×2耦合器，所述宽带光源连接到1×2耦合器“2”的其中一端，所述1×2耦合器的“1”端连接到基于单模光纤和电弧放电的微型光纤珐珀传感器，形成反射干涉谱线，经由1×2耦合器“2”的另一端连接到光谱仪。
参见图4，由本发明的基于单模光纤和电弧放电的微型光纤珐珀传感器3所组成的检测装置结构为：宽带光源5输出一定带宽及波长范围的激光，连接进入到1×2耦合器4其中“2”端头的一端，1×2耦合器4其中的“1”端连接到基于单模光纤和电弧放电的微型光纤珐珀传感器3，当激光传输到基于单模光纤和电弧放电的微型光纤珐珀传感器3的两个反射面时被反射形成干涉谱线，经由1×2耦合器4其中“2” 端头的另一端连接到光谱仪6，与之相连的计算机7通过数据通信采集反射干涉谱信号并进行数据处理。基于单模光纤和电弧放电的微型光纤珐珀传感器3在环境物理量变化下的作用下两反射面反射光的光程差或光强发生变化（取决于物理量，如温度引起光程差改变、折射率改变则引起反射光强改变），通过光谱仪6探测这些改变，经计算机7数据处理即可得知改变值。
该传感器及传感装置可用于温度和折射率的同时测量，特别可用于高温测量，最高测量温度达1000℃。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种光纤珐珀传感器制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：对一段单模光纤端面进行多次放电处理形成一层薄膜；
S2：将薄膜一端与另一段单模光纤熔接；
S3：按照设计长度切割经放电处理单模光纤的非薄膜端，形成用于珐珀干涉的一个反射面，即传感器末端的空气-光纤交界面；用于珐珀干涉的另一个反射面由步骤S2中熔接处的薄膜形成。
2.根据权利要求1所述的光纤珐珀传感器制作方法，其特征在于：所述薄膜通过以下方式形成：首先将一段单模光纤尾端切平，然后利用光纤熔接机对一段单模光纤端面进行多次放电处理，从而形成一层薄膜。
3.根据权利要求1所述的光纤珐珀传感器制作方法，其特征在于：所述单模光纤外径125±1μm、纤芯8.2±0.1μm。
4.根据权利要求1所述的光纤珐珀传感器制作方法，其特征在于：所述薄膜通过光纤熔接机电弧放电或二氧化碳激光器电弧放电处理。
5.根据权利要求1所述的光纤珐珀传感器制作方法，其特征在于：所述熔接通过电弧熔接或二氧化碳激光加热熔接进行熔接。
6.根据权利要求1所述的光纤珐珀传感器制作方法，其特征在于：所述薄膜的长度为20-60μm。
7.根据权利要求1所述的光纤珐珀传感器制作方法，其特征在于：经放电处理后的所述单模光纤的物理长度为10-1000μm。
8.采用由权利要求1所述的光纤珐珀传感器制作方法形成的传感器来制作的检测装置，其特征在于：包括基于单模光纤和电弧放电的微型光纤珐珀传感器、宽带光源、耦合器、光谱仪和计算机；
所述宽带光源连接到耦合器一端，所述耦合器的另一端连接到基于单模光纤和电弧放电的微型光纤珐珀传感器，形成反射干涉谱线，经由耦合器的另一端连接到光谱仪，所述计算机与光谱仪通信连接。
9.根据权利要求8所述的检测装置，其特征在于：所述耦合器为1×2耦合器，所述宽带光源连接到1×2耦合器“2”的其中一端，所述1×2耦合器的“1”端连接到基于单模光纤和电弧放电的微型光纤珐珀传感器，形成反射干涉谱线，经由1×2耦合器“2”的另一端连接到光谱仪。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: CHONGQING INSTITUTE OF GREEN AND INTELLIGENT TECHN Free format text: FORMER OWNER: CHONGQING INSTITUTE OF GREEN AND INTELLIGENT TECHNOLOGY Effective date: 20140909 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 401122 YUBEI, CHONGQING TO: 400714 BEIPEI, CHONGQING |
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| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20140909 Address after: 400714 Chongqing Road, Beibei District, No. 266 Applicant after: Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology of the Chinese Academy of Sciences Address before: 401122, B building, block 85, Han Chinese Center, 9 Jin Yu Road, North New District, Chongqing Applicant before: Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology, Chinese Academy of Sciences |
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| CP02 | Change in the address of a patent holder |
Address after: 402460 5-1 5-1 nineteen building Agricultural Hall, Changlong Avenue, Changzhou street, Rongchang District, Chongqing, China Patentee after: Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology of the Chinese Academy of Sciences Address before: 400714 No. 266 Fangzheng Road, Beibei District, Chongqing. Patentee before: Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology of the Chinese Academy of Sciences |
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| CP02 | Change in the address of a patent holder | ||
| CP02 | Change in the address of a patent holder | ||
| CP02 | Change in the address of a patent holder |
Address after: 400714 No. 266 Fangzheng Road, Beibei District, Chongqing. Patentee after: CHONGQING INSTITUTE OF GREEN AND INTELLIGENT TECHNOLOGY, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES Address before: 402460 5-1 5-1 nineteen building Agricultural Hall, Changlong Avenue, Changzhou street, Rongchang District, Chongqing, China Patentee before: CHONGQING INSTITUTE OF GREEN AND INTELLIGENT TECHNOLOGY, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES |