CN108168584A - 全单模光纤f-p传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种全单模光纤F‑P传感器及其制作方法，采用全单模光纤制作，不需要多次切割并多次熔接光纤，操作简单，且成本低廉，同时还能减小单模光纤和多模光纤之间的交叉敏感问题；熔接次数少，有效解决了多次熔接光纤增加了损耗降低了传感器的机械强度的问题。本发明采用化学腐蚀方法得到全单模光纤F‑P应变传感器，结构小巧、受温度影响小，可实现压力、应变的测量，且减小了交叉敏感问题。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，特别涉及一种全单模光纤F-P传感器及其制作方法。
背景技术
随着光纤的问世和发展，光纤传感技术逐渐面向成熟，国内外也正处于产业形成和技术普及阶段。而光纤Fabry-Perot(F-P)作为光纤通信的核心器件重要组成部分，在光纤传感领域同样具有至关重要的作用。同时，光纤F-P干涉仪可直接形成传感器，广泛应用于应变、温度、折射率、PH、压力等参量的测量等方面，具有不可替代的位置，光纤F-P干涉技术被广泛应用于飞行器的健康监测，舰船的状态监测，大型建筑物的结构安全检测，储油罐的温度、压力监测，生物化学传感器等各个领域。
目前制作光纤F-P的主要方法有：将一段石英管焊接在两个镀有高反射膜的光纤的中间形成F-P腔；利用激光脉冲在光纤表面或内部刻蚀空腔形成F-P腔；将常规光纤与空心光纤或微结构光纤(包括光子晶体光纤)形成F-P腔。上述制作方法，由于制作***及工艺技术要求很高，导致光纤F-P干涉仪制作成本较高，F-P腔质量易受加工技术的影响，因此使光纤F-P干涉仪在工程应用中受到很大限制。
授权专利号为201510660838.8的中国专利“一种对称的全光纤法珀传感器及其制作方法”公开了一种对称的全光纤法珀传感器，分别将两段多模光纤与两段单模光纤相熔接，两段多模光纤末端均设置有凹腔，两段多模光纤的凹腔相对接形成F-P腔，多次切割并熔接光纤，操作繁琐，且多模光纤长度短切割要求高，多次熔接光纤增加了损耗降低了传感器的机械强度。
因此，需要一种受温度影响小，可实现压力、应变的测量，同时可减小交叉敏感问题的全单模光纤F-P传感器及其制作方法。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种全单模光纤F-P传感器，包括：第一单模光纤、第二单模光纤，所述第一单模光纤与第二单模光纤相熔接，所述第一单模光纤末端设置有凹槽，所述第二单模光纤端面切平；所述第一单模光纤的凹槽与第二单模光纤切平的端面相对熔接形成F-P腔。
优选地，所述第一单模光纤凹槽的深度大于20μm。
优选地，所述单模光纤采用SMF-28单模光纤。
所述全单模光纤F-P传感器的传感机理是基于波动光学中的多光束干涉[19]。在全单模光纤F-P传感器中输出信号一般利用反射光强度IR表示：
式(1)中φ为任意两束光的相位差，R为两端面的反射率，且
其中，n为F-P腔内介质的折射率，L为腔长，λ为入射光的波长，θ为反射光与反射平面法线的夹角。
当反射率R很小时，(1)式可简化为
式(1)，式(2)和式(3)表明：当外界参量作用于F-P腔时，可以通过反射光强变化，对反射光干涉条纹波长的漂移进行分析,解调出相干光的相位移，推出外界参量变化，实现传感测量的目的。
根据本发明的另一个方面，本发明还提供这一种基于化学腐蚀法制作全单模光纤F-P传感器的方法，包括以下步骤：
步骤一：将单模光纤一端去除涂覆层并利用光纤切割刀将光纤端面切平，固定在支架上；
步骤二：利用化学腐蚀方法腐蚀上述切平的光纤端面，得到凹槽；
步骤三：将腐蚀处理后的光纤在蒸馏水中浸泡，平滑凹槽表面，再将光纤放到超声清洗机中清洗，除去光纤端面腐蚀槽中残留的氢氟酸；
步骤四：利用光纤熔接机将上述光纤凹槽与另一根端面切平的单模光纤进行熔接，形成F-P腔，得到全单模光纤F-P传感器。
优选地，步骤一中，所述单模光纤采用SMF-28单模光纤，长度设置为20cm。
优选地，在步骤二中，所述化学腐蚀方法为：采用40％的HF溶液，温度为室温25℃，不加搅拌进行腐蚀20分钟，得到凹槽。所述第一单模光纤凹槽的深度大于20μm。
由于纤芯和包层掺锗元素含量不同，其在氢氟酸中的腐蚀速率不同，其中，纤芯掺锗元素较高，因此具有更快的腐蚀速度，从而使得光纤端面在氢氟酸中腐蚀形成凹槽。
在步骤三中，将腐蚀处理后的光纤在蒸馏水中浸泡，可以使凹槽内的氢氟酸得到稀释，进而降低腐蚀速率，平滑凹槽表面；将光纤放到超声清洗机中清洗，可除去端面腐蚀凹槽中残留的氢氟酸，防止对光纤端面继续进行腐蚀破坏光纤端面。
优选地，在步骤四中，所述光纤熔接机的光纤熔接参数设置为：清洁放点时间150ms，预熔功率为标准+10bit，预熔时间为270ms，放电1功率为标准+10bit，放电时间为1500ms。
相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明的全单模光纤F-P应变传感器，结构小巧、采用化学腐蚀方法得到F-P腔，受温度影响小，可实现压力、应变的测量，且减小了交叉敏感问题。
2、本发明所述传感器的制作方法简单，熔接次数少，有效解决了多次熔接光纤增加了损耗降低了传感器的机械强度的问题。
3、采用全单模光纤制作的传感器，不需要多次切割并多次熔接光纤，操作简单，且成本低廉，同时还能减小单模光纤和多模光纤之间的交叉敏感问题。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示出了本发明制作全单模光纤F-P应变传感器时，被腐蚀光纤的侧面纤维结构图。
图2示出了本发明的全单模光纤F-P应变传感器的结构示意图。
图3示出了本发明的全单模光纤F-P应变传感器的F-P腔的显微结构图。
图4示出了本发明的全单模光纤F-P应变传感器的性能检测***结构示意图。
图5示出了全单模光纤F-P应变传感器的反射光谱图。
图6示出了全单模光纤F-P应变传感器应变加载及卸载光谱曲线图。
图7示出了全单模光纤F-P应变传感器第1、4个波谷应变反射谱及对应的响应特性曲线。
图8示出了全单模光纤F-P应变传感器温度曲线图。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
参见图1-图3，本发明提供一种全单模光纤F-P传感器，包括：第一单模光纤、第二单模光纤，所述第一单模光纤与第二单模光纤相熔接，所述第一单模光纤末端设置有凹槽，所述第二单模光纤端面切平；所述第一单模光纤的凹槽与第二单模光纤切平的端面相对熔接形成F-P腔，如图3所示。
所述第一单模光纤凹槽深度大于20μm。(所述单模光纤采用SMF-28单模光纤。
参见图1-图3，本发明还提供这一种基于化学腐蚀法制作全单模光纤F-P传感器的方法，包括以下步骤：
在步骤一中：将单模光纤一端去除涂覆层并利用光纤切割刀将光纤端面切平，固定在支架上；具体地，所述单模光纤采用SMF-28单模光纤，长度设置为20cm。
在步骤二中：利用化学腐蚀方法腐蚀上述切平的光纤端面，得到凹槽；
具体地，所述化学腐蚀方法为：采用40％的HF溶液，温度为室温25℃，不加搅拌进行腐蚀20分钟，得到凹槽，如图1所示。由于纤芯和包层掺锗元素含量不同，使其在氢氟酸中的腐蚀速率不同，由于纤芯掺锗元素较高，因此具有更快的腐蚀速度，从而使得光纤端面在氢氟酸中腐蚀形成凹槽。所述第一单模光纤凹槽的深度大于20μm。
在步骤三中，将腐蚀处理后的光纤在蒸馏水中浸泡，可以使凹槽内的氢氟酸得到稀释，进而降低腐蚀速率，平滑凹槽表面；将光纤放到超声清洗机中清洗，可除去端面腐蚀凹槽中残留的氢氟酸，防止对光纤端面继续进行腐蚀破坏光纤端面。
在步骤四中：利用光纤熔接机将上述光纤凹槽与另一根端面切平的单模光纤进行熔接，形成F-P腔，得到全单模光纤F-P传感器，
图2为全单模光纤F-P应变传感器的结构示意图；图3为全单模光纤F-P应变传感器的F-P腔的显微结构图。在步骤四中，所述光纤熔接机的光纤熔接参数设置为：清洁放点时间150ms，预熔功率为标准+10bit，预熔时间为270ms，放电1功率为标准+10bit，放电时间为1500ms。
参见图4，为本发明的全单模光纤F-P应变传感器的性能检测***结构示意图。所述检测***装置包括：全单模光纤F-P应变传感器300、1×2耦合器200、光谱仪400和光源100，将全单模光纤F-P应变传感器300接入1×2耦合器200，通过所述1×2耦合器200连接光谱仪400和光源100，通过光谱仪400观察全单模光纤F-P应变传感器300的反射光谱，并得到反射光谱图，如图5所示，由图可知：实验选取测试点1和测试点2两个点进行分析，其中，最高对比度可达8dB，条纹间隔为14nm。
进一步地，对所述光纤F-P传感器的应变特性进行实验研究，将已制备的传感器连入应变测试***，所述应变测试***还包括1×2耦合器200、光谱仪400、光源100和等强度。将所制备的光纤F-P传感器300通过1×2耦合器200与光谱仪400和光源100连接，由光谱仪400检测光纤F-P传感器的波长偏移量，如图4所示。
具体操作如下：
首先给予光纤F-P传感器300一定的预紧力并将其固定住，用低温胶将光纤F-P传感器300两端固定，在室温下固化24小时，整个实验在超净间完成，避免湿度等其他参数的影响。
将光纤F-P传感器300的传感结构310粘贴于等强度梁后，在恒温环境下对等强度梁进行加载卸载标定实验。所述等强度梁还包括微分头，微分头控制的行程范围为0～25mm，实验中等强度梁端头微分头每次改变1mm，等强度梁在水平方向上的形变为40με。为使实验数据更准确，采用相对应变值，即先将微分头调制光谱图中反射谱线移动开始记为初始值，拧动微分头对光纤F-P传感结构310进行加载和卸载，用光谱仪400采集加载以及卸载反射谱。
参见图6，为全单模光纤F-P应变传感器应变加载及卸载光谱随0～320με应变漂移结果图，其中(a)为加载结果，(b)为卸载结果，由图可知：每个干涉波谷波长漂移趋势与应变变化呈相同线性关系，波长随着加载向长波方向漂移，随着卸载向短波方向回复。
图7为测试点1和测试点2测试结果图，(a)为测试点加载光谱漂移图，(b)为卸载光谱漂移图，(c)为测试点波谷的波长应变响应特征图。由图可知：加载线性度均达到99％以上，卸载线性度达98％以上，波谷的波长均随应变的增加而发生红移。其中，波谷1(即测试点1)波长随加载应变灵敏度为2.99pm/με，线性度为0.999，随着卸载应变灵敏度为-3.23pm/με，线性度为0.995；波谷4(即测试点2)波长随加载应变灵敏度为3.78pm/με，线性度为0.999，随着卸载应变灵敏度为-4.25pm/με，线性度为0.985。
进一步地，对光纤F-P传感器温度传感特性进行测试研究。在光纤F-P传感器的传感特性中，温度和应变特性都是其中很重要的两种特性。在测量过程中,这两种特性可能会相互影响；无论外界应力或温度扰动，最终给出的都是波长的变化。将已制备的传感器连入温度测试***，所述温度测试***与所述应变测试***原理几乎一致，即包括1×2耦合器200、光谱仪400、光源100和加热平台。将所制备的光纤F-P传感器300通过1×2耦合器200与光谱仪400和光源100连接，由光谱仪400检测光纤F-P传感器的波长偏移量，如图4所示。
具体操作如下：
在超净间内将光纤F-P传感结构310平放在加热台上，将温度从50℃上升到300℃，发现其反射谱曲线对温度极其稳定，选取1572nm～1588nm波段波谷为例(第4个波谷即测试点2)，其温度曲线图如图8所示。图8为传感结构310的温度相应特征图，对比应变响应灵敏度，温度响应可以忽略。通过温度实验可以得出结论：该光纤F-P传感器300对温度极其稳定，排除了温度交叉敏感可能。
本发明所述全单模光纤F-P应变传感器，采用全单模光纤制作，不需要多次切割并多次熔接光纤，方法简单，成本低廉，可重复性强，同时还能减小单模光纤和多模光纤之间的交叉敏感问题；熔接次数少，有效解决了多次熔接光纤增加了损耗降低了传感器的机械强度的问题。本发明采用化学腐蚀普通单模光纤得到全单模光纤F-P应变传感器，结构小巧、受温度影响小，可实现压力、应变的测量，且减小了交叉敏感问题。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。
Claims (8)
1.一种全单模光纤F-P传感器，其特征在于，包括：第一单模光纤、第二单模光纤，所述第一单模光纤与第二单模光纤相熔接，所述第一单模光纤末端设置有凹槽，所述第二单模光纤端面切平；所述第一单模光纤的凹槽与第二单模光纤切平的端面相对熔接形成F-P腔。
2.根据权利要求1所述的全单模光纤F-P传感器，其特征在于，所述第一单模光纤凹槽的深度大于20μm。
3.根据权利要求1或2所述的全单模光纤F-P传感器，其特征在于，所述单模光纤采用SMF-28单模光纤。
4.根据权利要求1所述的全单模光纤F-P传感器，其特征在于，当外界参量作用于F-P腔时，通过反射光强变化，对反射光干涉条纹波长的漂移进行分析，解调出相干光的相位移，推出外界参量变化，从而实现传感测量，具体过程如下：
在全单模光纤F-P传感器中输出信号一般利用反射光强度IR表示：
式(1)中φ为任意两束光的相位差，R为两端面的反射率，且
其中，n为F-P腔内介质的折射率，L为腔长，λ为入射光的波长，θ为反射光与反射平面法线的夹角；
当反射率R很小时，(1)式可简化为
5.一种基于化学腐蚀法制作权利要求1所述的全单模光纤F-P传感器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将单模光纤一端去除涂覆层并利用光纤切割刀将光纤端面切平，固定在支架上；
步骤二：利用化学腐蚀方法腐蚀上述切平的光纤端面，得到凹槽；
步骤三：将腐蚀处理后的光纤在蒸馏水中浸泡，平滑凹槽表面，再将光纤放到超声清洗机中清洗，除去光纤端面腐蚀槽中残留的氢氟酸；
步骤四：利用光纤熔接机将上述光纤凹槽与另一根端面切平的单模光纤进行熔接，形成F-P腔，得到全单模光纤F-P传感器。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤一中，所述单模光纤采用SMF-28单模光纤，长度设置为20cm。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤二中，所述化学腐蚀方法为：采用40％的HF溶液，温度为室温25℃，不加搅拌进行腐蚀20分钟，得到凹槽；所述第一单模光纤凹槽的深度大于20μm。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤四中，所述光纤熔接机的光纤熔接参数设置为：清洁放点时间150ms，预熔功率为标准+10bit，预熔时间为270ms，放电1功率为标准+10bit，放电时间为1500ms。
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