CN114427905A - 一种光纤振动传感器的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及传感器技术领域，提供了一种光纤振动传感器的制作方法，包括以下步骤：S1，单模光纤纤芯拉直在制备平台上，一端固定，另一端可移动；S2，激光装置扫描单模光纤纤芯，形成长周期光纤光栅；S3，将写制的长周期光纤光栅从单模光纤纤芯上平整切下，并取出一端已被平整切割的光纤布拉格光栅；S4，熔接长周期光纤光栅以及光纤布拉格光栅；S5，光纤布拉格光栅的端部固定在制备平台上，取一段单模光纤纤芯熔接在光纤布拉格光栅的端部上，形成玻璃球；S6，在感应纤芯的外侧包裹上包层，光纤振动传感器制作完成。与现有技术相比，本发明解决了目前光纤振动传感器制作不符预期的技术问题，降低了生产成本，制作时间短。

Description

一种光纤振动传感器的制作方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种光纤振动传感器的制作方法。

背景技术

传感器是一种检测装置，能够实现自动检测和自动控制，广泛应用于自动化和智能化领域中，现代生活和生产中占据着越来越重要的作用。振动传感器是广大传感器领域中的一员，为工程振动检测、车辆振动检测或其他方面振动测试中的最重要组成部件，现在已经出现了由光纤光栅制成的振动传感器，该传感器具有体积小、灵敏度高、抗电磁干扰能力强等优点，容易实现分布式传感，耐高温、耐腐蚀，具备非常优秀的传感特性。

目前的光纤光栅中，已经出现了由光纤布拉格光栅(FBG)和长周期光纤光栅(LPG)联级制成的光纤传感器，结合了光纤布拉格光栅以及长周期光纤光栅两者的优势，具有良好的发展前景。但是目前该光纤传感器的研究依然没有完善，特别是在光纤传感器的制作过程中，难以保证光纤传感器的制作质量，导致制成的光纤传感器不符合预期性能，使得传感器的使用效果大打折扣。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种光纤振动传感器的制作方法，以解决目前光纤振动传感器制作不符预期的技术问题，保证光纤振动传感器的生产质量，降低不及格率。

为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

提供一种光纤振动传感器的制作方法，包括以下步骤：S1，单模光纤纤芯拉直在制备平台上，并使单模光纤纤芯的一端固定，另一端可移动；S2，控制激光装置沿轴向正交方向扫描单模光纤纤芯，每偏移一次进行一次激光扫描，每次偏移量为一个光栅周期，形成在单模光纤纤芯上的长周期光纤光栅；S3，将写制的长周期光纤光栅从单模光纤纤芯上平整切下，并取出一端已被平整切割的光纤布拉格光栅；S4，熔接长周期光纤光栅的平整端以及光纤布拉格光栅的平整端，形成感应纤芯；S5，将感应纤芯靠近光纤布拉格光栅的一端固定在制备平台上，取出一段单模光纤纤芯，使单模光纤纤芯熔接在感应纤芯的光纤布拉格光栅端上，形成与光纤布拉格光栅相熔接的玻璃球；S6，在感应纤芯的外侧包裹上包层，光纤振动传感器制作完成。

相比现有技术，本光纤振动传感器的制作方法至少具有如下有益效果：利用单模光纤纤芯在制备平台上的拉直效果，保证长周期光纤光栅透射谱的宽带长度以及降低谐振波长的损耗，将长周期光纤光栅的写制周期控制在合理范围内，保证长周期光纤光栅的性质，同时利用熔接方式将长周期光纤光栅和光纤布拉格光栅两者结合在一起，并在光纤布拉格光栅的端部上熔接形成玻璃球，保证了该光纤振动传感的使用特性，使其形成直线形状，令该光纤振动传感器在悬臂测量状态下具备良好的振动检测性能，制作简单，成本低廉，提高了光纤振动传感器的生产质量，满足出厂要求；并且，本发明在高能激光下制备的长周期光纤光栅处于自由状态或悬臂梁状态时，显微镜观察的光栅是笔直的，保证了长周期光纤光栅在悬臂梁状态下谐振波长处的透射谱有较大的透射率，使光纤振动传感器得到的反射谱强度变化大，具有较宽的测量范围。

可选地，步骤S1以及步骤S5中，采用剥线钳去除单模光纤的涂覆层，以得到单模光纤纤芯。

可选地，步骤S1中，单模光纤纤芯的一端固定夹持在制备平台的第一光纤夹上，另一端被拉直放置在第二光纤夹的光纤导轨槽上，其中所述第一光纤夹与所述第二光纤夹同轴同高设置。

可选地，所述第二光纤夹远离所述第一光纤夹的轴向延伸方向上设有定滑轮，所述单模光纤纤芯位于所述第二光纤夹的一端被所述定滑轮上的砝码拉伸。

可选地，所述第二光纤夹的光纤导轨槽中垫有酒精棉。

可选地，步骤S2中，通过光谱仪记录制作完成的长周期光纤光栅的透射谱，其中透射谱光源由宽带光源提供。

可选地，步骤S2中，长周期光纤光栅的写制周期设置为570um，谐振波长控制在1570±2nm，透射谱纵深≧15dB。

可选地，步骤S4中，长周期光纤光栅以及光纤布拉格光栅靠近地放置在光纤熔接机中，且使两者的平整面相对设置，光纤熔接机将长周期光纤光栅以及光纤布拉格光栅熔接牢靠。

可选地，长周期光纤光栅以及光纤布拉格光栅在光纤熔接机的放置间隔为10mm。

可选地，步骤S5中，所取的单模光纤纤芯的长度为3cm。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所使用的光纤振动传感器的制作***的结构示意图；

图2为本发明所制备的光纤振动传感器的结构示意图。

附图标号说明：

光纤布拉格光栅100、长周期光纤光栅200、单模光纤300、玻璃球400。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

现结合附图对本发明实施例提供的光纤振动传感器的制作方法进行说明。

请参阅图1，该光纤振动传感器制作需要采用的器件包括制备平台、计算机、激光装置、第一光纤夹、第二光纤夹、定滑轮、砝码、光纤切割刀、光谱仪和光纤熔接机，所选用的制作材料为单模光纤纤芯以及光纤布拉格光栅。

一种光纤振动传感器的制作方法，具体步骤如下：

S1，单模光纤纤芯被拉直放置在制备平台上，使单模光纤纤芯的一端固定，另一端可移动，保证单模光纤纤芯在激光刻写长周期光纤光栅后不会产生弯曲；

S2，通过计算机控制激光装置，使激光装置上的激光沿着单模光纤纤芯的轴向正交方向朝单模光纤纤芯扫描，每次扫描完成后，沿着单模光纤纤芯的轴向方向轴向偏移，每偏移一次进行一次激光扫描，每次偏移量为一个光栅周期，形成在单模光纤纤芯上的长周期光纤光栅；

S3，将写制成的长周期光纤光栅从单模光纤纤芯上平整切下，并保留部分还未被激光写制的单模光纤纤芯，使单模光纤纤芯的外端切口平整，此时处理光纤布拉格光栅使光纤布拉格光栅的熔接接口平整；

S4，将长周期光纤光栅的平整端以及光纤布拉格光栅的平整端熔接在一起，形成直线形状的感应纤芯，从长周期光纤光栅端输入的光源在经过长周期光纤光栅后能够径直进入到光纤布拉格光栅中，实现平顺熔接过程，保证长周期光纤光栅与光纤布拉格光栅的接合质量；

S5，使感应纤芯靠近光纤布拉格光栅的一端固定在制备平台上，取出一段单模光纤纤芯，将该单模光纤纤芯熔接在感应纤芯的光纤布拉格光栅端上，形成在光纤布拉格光栅外部的玻璃球；

S6，在感应纤芯的外侧包裹上包层，令光纤振动传感器整体呈直线形状，光纤振动传感器制作完成。

需要说明的是，包层所采用的材料应为具有一定形变能力的硬性材料，使制作完成的光纤振动传感器在自由状态或悬臂梁状态下显微镜所观察到的感应纤芯是笔直的，并且在接收振动信号后能够产生振动微弯形变。

与现有技术相比，本发明利用单模光纤纤芯在制备平台上的拉直效果，保证长周期光纤光栅透射谱的宽带长度以及降低谐振波长的损耗，将长周期光纤光栅的写制周期控制在合理范围内，保证长周期光纤光栅的性质，同时利用熔接方式将长周期光纤光栅和光纤布拉格光栅两者结合在一起，并在光纤布拉格光栅的端部上熔接形成玻璃球，保证了该光纤振动传感的使用特性，使其形成直线形状，令该光纤振动传感器在悬臂测量状态下具备良好的振动检测性能，制作简单，成本低廉，提高了光纤振动传感器的生产质量，满足出厂要求。

在本发明的一个实施例中，步骤S1以及步骤S5中，采用剥线钳去除单模光纤的涂覆层，以得到单模光纤纤芯，为制备长周期光纤光栅以及玻璃球提供材料。

在本发明另一个实施例中，第一光纤夹和第二光纤夹同轴同高对称设置在制备平台上，单模光纤纤芯的一端固定夹持在制备平台的第一光纤夹上，另一端被拉直放置在第二光纤夹的光纤导轨槽上，使单模光纤纤芯的一端固定，另一端可活动，以便于将外力将单模光纤纤芯轴向拉长，保持直线状态。需要说明的是，第一光纤夹和第二光纤夹均采用可调节固定的光纤夹具，能够控制对单模光纤纤芯的固定程度，以实现单模光纤纤芯一端固定一端可活动的技术效果。

进一步地，第二光纤夹远离第一光纤夹的轴向延伸方向上设有定滑轮，定滑轮的绕线口在第二光纤夹的轴向延伸方向上，且定滑轮上绕有拉绳，拉绳的一端绑紧在单模光纤纤芯靠近第二光纤夹的端部上，另一端则绑紧有砝码，拉绳在绕过定滑轮后，砝码提供拉绳对单模光纤纤芯的轴向预紧力，使单模光纤纤芯保持直线状态。

再进一步地，第二光纤夹的光纤导轨槽内垫有酒精棉，酒精棉在避免污染单模光纤纤芯的同时保证单模光纤纤芯在第二光纤夹的一端可以移动。

在本发明另一实施例中，光谱仪记录制作完成的长周期光纤光栅的透射谱，对单模光纤纤芯的刻写结果进行观察，检查写制的长周期光纤光栅是否符合光纤振动传感器的制作要求。其中，透射谱光源由宽带光源提供，宽带光源所提供的光经过刻写完毕后的长周期光纤光栅后进入到光谱仪中，以便光谱仪记录。

具体地，本实施例中所采用的长周期光纤光栅的写制周期设置为570um，谐振波长控制在1570±2nm，透射谱纵深≧15dB，使长周期光纤光栅具有良好的性能，保证LPG透射谱损害在悬臂梁状态下谐振波长处的透射谱有着较大的透射率，进而保证接合光纤布拉格光栅后得到的反射谱有着较大的强度变化，令光纤振动传感器具有较宽的测量范围。

在本发明另一实施例中，步骤S4内，长周期光纤光栅以及光纤布拉格光栅相互靠近地放置在光纤熔接机中，并使两者切割后的平整面相对设置，随后开启光纤熔接机，将长周期光纤光栅与光纤布拉格光栅熔接牢靠，稳定熔接成直线形状的感应纤芯。通过采用光纤熔接机结构，保证了长周期光纤光栅以及光纤布拉格光栅的熔接质量，而两者之间熔接前相互靠近的放置方式，使两个光栅熔接牢固并平整。

本实施例中，长周期光纤光栅以及光纤布拉格光栅在光纤熔接机的放置间隔为10mm，在保证两个光栅熔接牢固的同时使熔接损害小于0.01dB。

在本发明另一实施例中，步骤S5中，所取的单模光纤纤芯的长度为3cm，以形成在光纤布拉格光栅上大小合适的玻璃球。在制得该单模光纤纤细的过程中，可以取5cm的单模光纤，利用手持剥线钳去掉其涂覆层，通过光纤切割刀切下3cm，保证单模光纤纤芯的平整度，用蘸取酒精的棉布轻轻擦净光纤，然后固定在光纤熔接机的右端光纤固定夹上，选用光纤熔接机的手动模式，设置放电电流大小、放电时间、两端熔接光纤的距离，使得光纤熔接机在熔接完成后形成在光纤布拉格光栅端部上的玻璃球。

在本发明另一个实施例中，还包括步骤S6，将制作好的光纤振动传感器悬臂式放置在振动平台上进行测试，光谱仪或光电探测器检测出光纤振动传感器在接收信号后所产生的检测信号，检测信号经示波器将该检测信号显示出来，以检验该光纤振动传感器是否及格。

需要说明的是，参阅图2，光纤振动传感器的长周期光纤光栅200部分可以通过二氧化碳激光、紫外激光加工等方法制作而成，光纤布拉格光栅100则可以通过紫外激光、飞秒激光加工等方法制作而成。在该光纤振动传感器中，光纤布拉格光栅100的谐振波长处于长周期光纤光栅200的3dB带宽对应波长附近，通过长周期光纤光栅200与光纤布拉格光栅100中间的单模光纤300的长度，以及光纤布拉格光栅100端部熔接的玻璃球400的质量大小，进而控制光纤振动传感器的灵敏度和测量范围。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种光纤振动传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，单模光纤纤芯拉直在制备平台上，并使单模光纤纤芯的一端固定，另一端可移动；

S2，控制激光装置沿轴向正交方向扫描单模光纤纤芯，每偏移一次进行一次激光扫描，每次偏移量为一个光栅周期，形成在单模光纤纤芯上的长周期光纤光栅；

S3，将写制的长周期光纤光栅从单模光纤纤芯上平整切下，并取出一端已被平整切割的光纤布拉格光栅；

S4，熔接长周期光纤光栅的平整端以及光纤布拉格光栅的平整端，形成感应纤芯；

S5，将感应纤芯靠近光纤布拉格光栅的一端固定在制备平台上，取出一段单模光纤纤芯，使单模光纤纤芯熔接在感应纤芯的光纤布拉格光栅端上，形成与光纤布拉格光栅相熔接的玻璃球；

S6，在感应纤芯的外侧包裹上包层，光纤振动传感器制作完成。

2.根据权利要求1所述的光纤振动传感器的制作方法，其特征在于，步骤S1以及步骤S5中，采用剥线钳去除单模光纤的涂覆层，以得到单模光纤纤芯。

3.根据权利要求1所述的光纤振动传感器的制作方法，其特征在于，步骤S1中，单模光纤纤芯的一端固定夹持在制备平台的第一光纤夹上，另一端被拉直放置在第二光纤夹的光纤导轨槽上，其中所述第一光纤夹与所述第二光纤夹同轴同高设置。

4.根据权利要求3所述的光纤振动传感器的制作方法，其特征在于，所述第二光纤夹远离所述第一光纤夹的轴向延伸方向上设有定滑轮，所述单模光纤纤芯位于所述第二光纤夹的一端被所述定滑轮上的砝码拉伸。

5.根据权利要求3所述的光纤振动传感器的制作方法，其特征在于，所述第二光纤夹的光纤导轨槽中垫有酒精棉。

6.根据权利要求1所述的光纤振动传感器的制作方法，其特征在于，步骤S2中，通过光谱仪记录制作完成的长周期光纤光栅的透射谱，其中透射谱光源由宽带光源提供。

7.根据权利要求6所述的光纤振动传感器的制作方法，其特征在于，步骤S2中，长周期光纤光栅的写制周期设置为570um，谐振波长控制在1570±2nm，透射谱纵深≧15dB。

8.根据权利要求1所述的光纤振动传感器的制作方法，其特征在于，步骤S4中，长周期光纤光栅以及光纤布拉格光栅靠近地放置在光纤熔接机中，且使两者的平整面相对设置，光纤熔接机将长周期光纤光栅以及光纤布拉格光栅熔接牢靠。

9.根据权利要求8所述的光纤振动传感器的制作方法，其特征在于，长周期光纤光栅以及光纤布拉格光栅在光纤熔接机的放置间隔为10mm。

10.根据权利要求1至9任一项所述的光纤振动传感器的制作方法，其特征在于，步骤S5中，所取的单模光纤纤芯的长度为3cm。

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