CN110553774A - 微型全石英光纤Fizeau腔高频响动态压力传感器及其制作方法 - Google Patents

微型全石英光纤Fizeau腔高频响动态压力传感器及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超微型全石英光纤Fizeau腔高频响动态压力传感器及其制作方法，其中制作方法包括以下步骤：①将单模光纤与石英玻璃毛细管用光纤熔接机焊接到一起；②在显微镜下将石英毛细管切短，形成F‑P腔腔体；③在石英毛细管的另一端焊接准备好的第二根单模光纤，形成F‑P腔；④在显微镜下将第二根单模光纤尽量切短；⑤使用裸光纤研磨机将切短后的单模光纤研磨成所需厚度的石英膜片；⑥对石英膜片进行腐蚀毛化，去除石英膜片外表面的反射光，形成Fizeau腔压力敏感薄板。通过本发明制作的传感器全石英构造、体积微小、本质抗电磁干扰，且耐高温。

Description

微型全石英光纤Fizeau腔高频响动态压力传感器及其制作 方法
技术领域
本发明涉及光纤F-P腔，特别是基于全石英、超微型光纤Fizeau腔进行高频响动态压力测试领域。
背景技术
针对高频响动态压力的测试，目前主要使用的是压电传感器和硅压阻传感器。这两者都有一个共同的缺点：①无法在强电磁干扰、高离子辐射环境下正常工作；②无法在高温环境下工作；③很难实现远距离遥测。光纤传感器本质抗电磁干扰、石英材料本身耐高温且温度膨胀系数极小，发挥光纤“既感又传”的优势，很容易可以实现远距离遥测，而且光纤F-P腔压力传感器外径仅125微米，具有实现极高时间分辨率和空间分辨率。所以，针对传感压电、压阻传感器不能使用的场合，比如：强电磁干扰、高温、远距离遥测和要求传感器极其微小场合，该光纤F-P腔压力传感器具有重要意义。
发明内容
本发明目的在于制作超微型全石英光纤Fizeau腔高频响动态压力传感器，使其适用强电磁干扰、高温、远距离遥测和要求传感器极其微小场合。
为实现上述目的，本发明提供了一种超微型全石英光纤Fizeau腔高频响动态压力传感器制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
①将单模光纤与石英玻璃毛细管用光纤熔接机焊接到一起；
②在显微镜下将石英毛细管切短，形成F-P腔腔体；
③在石英毛细管的另一端焊接准备好的第二根单模光纤，形成F-P腔；
④在显微镜下将第二根单模光纤尽量切短；
⑤使用裸光纤研磨机将切短后的单模光纤研磨成所需厚度的石英膜片；
⑥对石英膜片进行腐蚀毛化，去除石英膜片外表面的反射光，形成Fizeau腔压力敏感薄板。
接上述技术方案，步骤①中，焊接参数为：放电强度45mA，放电时间250ms，预熔时间80ms，熔接后的端面反射率达到2.89％。
接上述技术方案，步骤②中，切短后的石英毛细管长度为
接上述技术方案，步骤③中，焊接参数为：放电强度45mA，放电时间250ms，预熔时间80ms，熔接后的端面反射率达到2.89％。
接上述技术方案，步骤⑤中，单模光纤研磨成厚度为的石英膜片。
接上述技术方案，步骤⑥中，腐蚀时间2min,腐蚀速率为1.5μm/min，经腐蚀后，石英膜片外表面反射光反射率降低至0.00012％，同时石英膜片厚度在原来基础上再减薄3μm。
接上述技术方案，步骤⑥中，使用40％HF溶液对石英膜片进行腐蚀毛化
本发明还提出了一种根据上述技术方案制作的超微型全石英光纤Fizeau腔高频响动态压力传感器。
接上述技术方案，形成的F-P腔腔体的石英毛细管的外径为125μm、内径为75μm。
附图说明
图1为传感器的制造流程图。
图2为传感器制造过程中所用的切割控制***。
图3为传感器的光路图。
图4为Fizeau腔关键参数测试原理图。
图中：1.单模光纤，2.石英毛细管，3.石英膜片，4切割刀，5.光纤研磨机，6.40％HF溶液，7.五维光纤微调架，8.光纤夹具，9.二维平移台，10.光纤夹具，11.五维光纤微调架，12.F-P腔，13.宽带光源，14.光纤环形器，15.法兰盘，16.APC接头，17.PC接头：即，反射率为3.16％标准菲涅尔反射面，18.光纤光谱仪，19.Fizeau腔；。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明主要采用光纤熔接机特种微电弧焊接工艺将外径为125微米的传导光纤1、石英玻璃毛细管2和石英膜片3熔接形成一个低精细度Fizeau腔干涉仪。采用一个二维平移台和两个五维光纤微调架在体视显微镜下搭建的高精度切割控制***，可以对石英毛细管的长度(F-P腔腔长)和石英膜片的厚度进行有效的切割控制。采用专用裸光纤研磨机研磨可以实现压力敏感石英膜片厚度微米级的精确控制。通过比对法测取该Fizeau腔的反向传输函数，并用级联双F-P腔干涉输出公式进行数据拟合可实现Fizeau腔关键特征参数(各端面反射率、腔长和膜片厚度的测量。利用腐蚀工艺消除石英膜片外表面反射光的干扰，可保证该Fizeau腔反向探测干涉输出接近理想正弦式双光束干涉输出，便于利用三波长激励、任意确定性相位间隔的被动零差技术对F-P腔瞬态速变相位进行高速解调。
较佳实施例：本发明超微型全石英光纤Fizeau腔高频响动态压力传感器制作方法的具体步骤为：
①将单模光纤与石英玻璃毛细管用光纤熔接机焊接到一起，见图1(a)。焊接参数为：放电强度45mA，放电时间250ms，预熔时间80ms，熔接后的端面反射率可以达到2.89％。
②在显微镜下切割出适宜长度(25～50)μm的石英毛细管，见图1(b)；
③在石英毛细管的另一端焊接准备好的第二根单模光纤，见图1(c)。焊接参数为：放电强度45mA，放电时间250ms，预熔时间80ms，熔接后的端面反射率可以达到2.89％。
④在显微镜下将第二根单模光纤尽量切短，以减少研磨时间，见图1(d)。
⑤使用裸光纤研磨机将切割短的单模光纤研磨成所需厚度(5～23)μm的石英膜片，见图1(e)。其中，研磨纸的型号为5μm。
⑥使用40％HF对石英膜片进行腐蚀毛化去除石英膜片外表面的反射光，见图1(f)。腐蚀时间2min,腐蚀速率约为1.5μm/min，最终石英膜片外表面反射光反射率降低至0.00012％，同时膜片厚度在原来基础上再减薄3μm。
图1中单模光纤1、石英毛细管2、石英膜片3之间的连接方式为光纤熔接机微电弧焊接；步骤(b)和步骤(d)的中切割刀4的切割方法采用图2中的切割控制***。
图2中光纤夹具8通过螺栓固定到五维光纤微调架7上，光纤夹具10通过螺栓固定到五维光纤微调架11上，切割刀4通过螺栓固定到二维位移台9上。
图2所示切割控制***的主要目的是：按上述步骤②切割石英玻璃毛细管形成F-P腔腔体和按步骤④切割形成压力敏感膜片。该切割控制方法为：
首先，将焊接有石英玻璃毛细管的引导光纤放置于光纤切割刀上，将该焊接在一起引导光纤和石英玻璃毛细管的两端固定到切割刀两边的五维光纤微调架上(见图2)；调节两个五维光纤微调架使待切割引导光纤/石英玻璃毛细管处于水平、准直的状态。将专用机械夹具光纤切割刀的刀片推到光纤正下方，随后利用两边两个五维光纤微调架移动光纤，使光纤与石英毛细管的焊接接点处于切割刀附近，则此时焊接点点与切割刀口之间的石英毛细管的长度即为所研制Fizeau腔腔长的长度，此长度可通过读取体视显微镜放大倍数和该长度在显微镜视场中所占刻度数计算得出。最后，为了避免光纤两端下垂产生张力导致焊接点与切割刀的相对位置产生变化，必须先合上切割刀的盖子以固定待切割光纤，然后在松开两端两个五维光纤微调架对光纤的固定，切割后即可得到所需F-P腔腔长。此方法操作简单，且具有良好的可重复性。
图3为超微型平面圆形薄板结构构成的光纤F-P腔，称为光纤Fizeau腔12。圆形腔体内引导光纤端面反射光(R1)作为参考光束，压力敏感薄板内表面的反射光(R2)作为传感光束，这就形成一外本征Fizeau腔压力传感器。它是基于压力敏感薄膜，在冲击波作用下产生的振动，进而调制传感光束(R1)和参考光束(R2)之间的干涉相位，来感知外界动态压力的。基于压力敏感薄板为石英玻璃材料，在压力敏感薄板外表面会形成反射光(R3)，该反射光在压力敏感薄板研磨减薄时，为实时测量压力敏感薄板厚度提供了有用的信息；在压力敏感薄板厚度基本控制确定的情况下，通过氢氟酸腐蚀毛化尽可能减弱甚至消除该反射光，以形成全封闭Fizeau腔。
根据上述实施例超微型全石英光纤Fizeau腔高频响动态压力传感器制作方法制作的全石英光纤Fizeau腔高频响动态压力传感器特点是：全石英构造、体积微小(仅125微米)、本质抗电磁干扰、耐高温。通过石英毛细管和石英膜片组成压力敏感硅杯对动态压力进行感测，其灵敏度是由石英膜片的厚度和有效直径决定的，其带宽是由敏感膜片的谐振频率决定的。传感器由全石英材料制造，构成F-P腔的传导光纤、石英毛细管腔体以及石英膜片是通过光纤熔接机微电弧焊接工艺熔为一体，可靠性和坚固大大提高，并可在高温环境下工作；光纤Fizeau腔腔长是光纤切割刀在显微镜下控制切割而来，其腔长范围在内根据需要可任意调整；石英敏感膜片也是通过光纤切割刀切割、并辅以裸光纤研磨机研磨减薄以及HF腐蚀而来，其厚度在 范围内根据需要任意调整，传感器制作工艺简单，外径仅125μm。
图4所示为步骤⑤压力敏感膜片厚度以及传感器其它关键特征参数测量方法：
通过比对法，可由光谱仪直接测定所研制F-P腔反向探测输出传输函数及其关键性能参数。图4为测试方法示意图，步骤如下：
①将一标准APC/PC转换跳线的APC接头用法兰盘接入环形器端口1。基于该转换跳线PC接头的光学菲涅尔反射效应，用光谱仪扫描，即可获得反射率为3.16％的标准具接入时，***反向探测光功率密度和扫描波长之间的关系曲线，它包含了宽带光源光谱密度、环形器各光学性能指标随波长变化起伏特性以及各连接头损耗。它将作为光纤F-P腔反射率归一化处理的参考基准。
②将一端为APC接头的F-P腔代替APC/PC标准跳线接入。同样，用光谱仪测取，所研制光纤F-P腔的反向探测光功率密度和扫描波长之间的关系曲线。
③利用标准跳线测得的光功率谱密度作为基准值，沿扫描波长逐点，对所研制F-P腔光功率密度测试值，按照公式(1)进行归一化处理，即可得到所研制F-P腔反向探测输出传输函数曲线。
④采用级联双F-P腔干涉输出公式(2)或双光束干涉正弦式输出标准公式(3):
(2)和(3)式中：n为石英膜片的光学折射率。对上述数据进行曲线拟合，就可得到该F-P腔的各种特性：光学腔长L，三个端面反射率R1，R2和R3和压力膜片厚度d。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种超微型全石英光纤Fizeau腔高频响动态压力传感器制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
①将单模光纤与石英玻璃毛细管用光纤熔接机焊接到一起；
②在显微镜下将石英毛细管切短，形成F-P腔腔体；
③在石英毛细管的另一端焊接准备好的第二根单模光纤，形成F-P腔；
④在显微镜下将第二根单模光纤尽量切短；
⑤使用裸光纤研磨机将切短后的单模光纤研磨成所需厚度的石英膜片；
⑥对石英膜片进行腐蚀毛化，去除石英膜片外表面的反射光，形成Fizeau腔压力敏感薄板。
2.根据权利要求1所述的超微型全石英光纤Fizeau腔高频响动态压力传感器制作方法，其特征在于，步骤①中，焊接参数为：放电强度45mA，放电时间250ms，预熔时间80ms，熔接后的端面反射率达到2.89％。
3.根据权利要求1所述的超微型全石英光纤Fizeau腔高频响动态压力传感器制作方法，其特征在于，步骤②中，切短后的石英毛细管长度为
4.根据权利要求1所述的超微型全石英光纤Fizeau腔高频响动态压力传感器制作方法，其特征在于，步骤③中，焊接参数为：放电强度45mA，放电时间250ms，预熔时间80ms，熔接后的端面反射率达到2.89％。
5.根据权利要求1所述的超微型全石英光纤Fizeau腔高频响动态压力传感器制作方法，其特征在于，步骤⑤中，单模光纤研磨成厚度为的石英膜片。
6.根据权利要求1所述的超微型全石英光纤Fizeau腔高频响动态压力传感器制作方法，其特征在于，步骤⑥中，腐蚀时间2min,腐蚀速率为1.5μm/min，经腐蚀后，石英膜片外表面反射光反射率降低至0.00012％，同时石英膜片厚度在原来基础上再减薄3μm。
7.根据权利要求1所述的超微型全石英光纤Fizeau腔高频响动态压力传感器制作方法，其特征在于，步骤⑥中，使用40％HF溶液对石英膜片进行腐蚀毛化。
8.一种超微型全石英光纤Fizeau腔高频响动态压力传感器，其特征在于，该传感器根据权利要求1-7中任一项的制作方法制作而成。
9.根据权利要求8所述的超微型全石英光纤Fizeau腔高频响动态压力传感器，其特征在于，形成的F-P腔腔体的石英毛细管的外径为125μm、内径为75μm。
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