申请/专利权人：中国科学技术大学

申请日：2018-07-27

公开（公告）日：2024-04-02

公开（公告）号：CN108692751B

主分类号：G01D5/353

分类号：G01D5/353;G01B11/16;G01B9/02015

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.02#授权;2018.11.16#实质审查的生效;2018.10.23#公开

摘要：本发明公开一种基于光纤法布里玻罗腔的应变传感器及其制作方法，属于光纤传感器技术领域。传感器包括第一端面的第一光纤以及包括第二端面的第二光纤，所述第一端面和第二端面对接后构成法布里玻罗腔，在法布里玻罗腔的内部有空气间隙。具有这种设计的微腔结构的传感器，极大地提高了光纤应变传感器的应变测量灵敏度，同时具有非常低的温度应变交叉敏感度。

主权项：1.一种基于光纤法布里玻罗腔的应变传感器，其特征在于，包括第一端面的第一光纤以及包括第二端面的第二光纤，其中，所述第一光纤的第一端面内形成一个环形凹槽，第一端面中间为一个圆柱，所述圆柱的位置在第一光纤的中心位置，所述圆柱的直径大于第一光纤的纤芯直径，圆柱的高度低于环形凹槽底部至凹槽顶部距离，所述第一端面和第二端面对接后构成法布里玻罗腔，在法布里玻罗腔的内部有空气间隙。

全文数据：基于光纤法布里玻罗腔的应变传感器及其制作方法技术领域[0001]本发明属于光纤传感技术领域，特别是涉及一种基于光纤法布里玻罗腔的应变传感器及其制作方法，还涉及包含上述应变传感器的传感器装置。背景技术[0002]光纤传感具有微型化，抗电磁干扰，耐腐蚀，可测量物理量多的特点，在工程技术和科学研究上都有广泛的研究和应用。其测量对象有:位移，压力，应变，电流，电压，气体，振动，以及加速度等等，其中，应变指的是物体在外界力的作用下产生的形变量和物体长度的比值。目前，基于光纤的应变传感已经在很多领域有了广泛的应用，如桥梁、输油管道的结构安全监测预警，高温环境下发动机的应变测试，外科手术中的应变生理参数测量等等，体现了巨大的实用价值。[0003]基于光纤的应变传感器有法布里玻罗传感器，布拉格光栅传感器，马赫增德尔干涉传感器，长周期光纤光栅传感器等，而其中光纤法布里玻罗传感器相比于其他的传感器具有较高的应变灵敏度，极低的温度应变交叉敏感度，较高的机械强度，较低的制造成本和紧凑的结构尺寸等优点。光纤法布里玻罗传感器核心结构就是利用光纤的两个端面和中间的空气或者介质形成的法布里玻罗腔，光通过这个腔可以形成多光束或者双光束或者三光束干涉，外界物理量如应变、温度等通过改变腔长而引起干涉的变化从而解调出待测量的变化。[0004]这里，我们提出一种基于光纤法布里玻罗腔的应变传感器及其制作方法，这种光纤微腔是一种被植入光纤内部的空气腔体结构，通常称为光纤气泡腔，绝大多数的法珀传感器就是这种结构。直接在光纤内部制造一个腔体并不简单，传统上，光纤气泡微腔的制造方法是化学腐蚀，激光加工，电弧放电，特殊光纤，或石英管等方法，用这些方法制作出来的光纤气泡腔的腔体大都是球体、类球体或者长方体，并且腔体的尺寸难以控制，灵敏度没有很高;通过一系列的加工工序也可以做出复杂的腔体结构，让干涉腔长和有效腔长不等，从而提高应变灵敏度，但这种方法获得的传感器会有机械强度小，工序复杂，尺寸较大的弱点。发明内容[0005]有鉴于此，本发明的目的是克服上述现有技术的至少部分缺点，提供一种光纤法布里玻罗腔的应变传感器及其制作方法以及包含上述应变传感器的传感器装置。[0006]为实现上述目的，本发明的光纤法布里玻罗腔的应变传感器采用以下技术方案：[0007]根据本发明的一方面，提供一种基于光纤法布里玻罗腔的应变传感器，包括第一端面的第一光纤以及包括第二端面的第二光纤，所述第一端面和第二端面对接后构成法布里玻罗腔，在法布里玻罗腔的内部有空气间隙。[0008]在进一步的实施方案中，所述第一光纤的第一端面内形成一个环形凹槽，第一端面中间为一个圆柱。[0009]在进一步的实施方案中，所述环形凹槽的外侧直径小于第一光纤的包层直径，所述圆柱直径大于光纤的纤芯直径大小。[0010]在进一步的实施方案中，所述圆柱的位置在第一光纤的中心位置，所述圆柱的直径大于第一光纤的纤芯直径，圆柱的高度低于环形凹槽底部至凹槽顶部距离。[0011]在进一步的实施方案中，所述第一光纤的第一端面和第二光纤的第二端面均经过处理后形成所述法布里玻罗腔体，或者仅所述第一光纤的第一端面经过处理后与所述第二光纤的第二端面对接后形成法布里玻罗腔。[0012]在进一步的实施方案中，所述第一光纤和第二光纤分别为:单模光纤，多模光纤，或光子晶体光纤。[0013]在进一步的实施方案中，所述第一光纤和第二光纤的对接方式为：电弧放电熔接，二氧化碳激光熔接，或胶水粘接。[0014]根据本发明的又一方面，提供一种基于光纤法布里玻罗腔的应变传感器的制作方法，包括：[0015]用激光从第一光纤的第一端面向内加工一个环带的凹型槽，并且在第一光纤的中间形成一个圆柱，再用激光加工圆柱，使圆柱高度低于环形凹槽底部至环形凹槽顶部的长度;或者先在第一光纤的中心加工一个圆形凹槽，然后再在圆形凹槽外加工一个环带的凹型槽；[0016]将第一光纤的第一端面和第二光纤的第二端面进行对接，对接的方式为电弧放电熔接，二氧化碳激光熔接，或胶水粘接。[0017]根据本发明的再一方面，提供一种传感器装置，包括：[0018]光源，用于产生光线；[0019]环形器，用于通过所述光线；[0020]以上任一所述的应变传感器，用于接收从环形器输出的光线后，经过法布里玻罗腔后再反射至环形器；[0021]环形器还用于接收由应变传感器反射回的反射光谱；[0022]光谱仪，接收所述反射光谱并进行分析[0023]本发明的这种光纤法布里玻罗腔的应变传感器只需要端面激光加工和对接两个步骤，而且这两个工序都是高度可控，具有非常高的重复性，制作效率高，成本低;本发明的这种光纤法布里玻罗腔的应变传感器具有较高的应变灵敏度，较强的机械强度，极小的尺寸。有这种设计的微腔结构的传感器，极大地提高了光纤应变传感器的应变测量灵敏度，同时具有非常低的温度应变交叉敏感度。附图说明[0024]图1是本发明实施例的基于光纤法布里玻罗腔的应变传感器的过光纤中轴线的剖面图；[0025]图2是图1中的传感器的横截面剖面图；[0026]图3是图1中传感器的一个应用实例的不意图。具体实施方式[0027]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。[0028]根据本发明的基本构思，通过采用激光直接加工第一光纤和或第二光纤的端面，在端面做一个圆环凹槽，同时光纤中心形成一个略低于端面的圆柱，然后再将这样的光纤进行对接。这种应变传感器的灵敏度高，而且尺寸完全可控可重复，可以极大地提高光纤法布里玻罗腔的应变传感器的灵敏度，同时保证良好的机械强度，较高的制作效率，较低的制作成本。[0029]图1是本发明实施例的基于光纤法布里玻罗腔的应变传感器的过光纤中轴线的剖面图。如图1所示，本发明实施例提供一种基于光纤法布里玻罗腔的应变传感器，包括第一端面的第一光纤2以及包括第二端面的第二光纤1，所述第一端面和第二端面对接后构成法布里玻罗腔3,在法布里玻罗腔3的内部有空气间隙。光通过这个腔可以形成多光束或者双光束或者三光束干涉，外界物理量如应变、温度等通过改变腔长而引起干涉的变化从而解调出待测量的变化，这种结构的法布里玻罗腔3应变灵敏度高，且尺寸可控。[0030]在一些实施例中，第一光纤的第一端面内形成一个环形凹槽，第一端面中间为一个圆柱。如图1和图2所示，该法布里玻罗腔3的结构为外部一空心圆柱，内部一实体圆柱的整体性结构，且空心圆柱的高度高于实体圆柱的高度。图1中，L1是光纤端面被激光处理后中心圆柱高度，与环形凹槽底部至凹槽顶部距离的高度差，在图1中也是密闭的气泡腔的干涉腔长;L2是光纤端面被激光处理后凹槽与第二端面环形凹槽底部至凹槽顶部距离）的高度差，在图1中也是密闭的气泡腔的有效腔长。在图2中，S是密闭的气泡腔的侧壁的横截面积。[0031]在一些实施例中，所述环形凹槽的外侧直径小于第一光纤的包层直径，所述圆柱直径大于光纤的纤芯直径大小。通过上述直径上的限值才能够获得所需的干涉效果。[0032]在一些实施例中，圆柱的位置在第一光纤的中心位置，所述圆柱的直径大于第一光纤的纤芯直径，通过设置对称性结构，相应的干涉效果能够达到更优;而且，作为可选的方案，圆柱的高度低于环形凹槽底部至凹槽顶部距离。[0033]在一些实施例中，第一光纤的第一端面和第二光纤的第二端面均经过处理后形成所述法布里玻罗腔体，或者仅所述第一光纤的第一端面经过处理后与所述第二光纤的第二端面对接后形成法布里玻罗腔3。如何处理第一端面以及第二端口可根据需求进行选择，只要能够形成所需的封闭式法布里玻罗腔3结构即可。[0034]上述法布里玻罗腔3结构的传感原理如下1，假设入》是!11级次的干涉波峰的中心波长，对所施加的应力的大小是F，光纤材料的杨氏模量是E，则，应力敏感度则为，应变敏感度和应力的关系为则，通过以上公式可以看出，通过增加AjPL2，减小S，，可以提高应力敏感度;在提出的光纤法布里玻罗腔的应变传感器中，通过减小侧壁的横截面面积是S，增大有效腔长和干涉腔长的比.有效的提高了应变灵敏度。[0035]在一些实施例中，第一光纤和第二光纤分别为：单模光纤，多模光纤，或光子晶体光纤，但本发明并不以此为限，现有技术中的各种类型的光纤均可应用于此。[0036]在一些实施例中，第一光纤和第二光纤的对接方式为：电弧放电熔接，二氧化碳激光熔接，或胶水粘接;但本发明并不以此为限，现有技术中的各种对接光纤的技术均可应用于此。[0037]根据本发明实施例的另外一方面，还提供一种基于光纤法布里玻罗腔的应变传感器的制作方法，包括：[0038]用激光从第一光纤的第一端面向内加工一个环带的凹型槽，并且在第一光纤的中间形成一个圆柱，再用激光加工圆柱，使圆柱高度低于环形凹槽底部至环形凹槽顶部的长度;或者先在第一光纤的中心加工一个圆形凹槽，然后再在圆形凹槽外加工一个环带的凹型槽；[0039]将第一光纤的第一端面和第二光纤的第二端面进行对接，对接的方式为电弧放电熔接，二氧化碳激光熔接，或胶水粘接。[0040]也就是对应于上述实施例介绍的基于光纤法布里玻罗腔的应变传感器，形成相应的制作方法。[0041]在光纤的制作过程中，处理光纤的激光可以有不同的类型，比如不同的波长的激光器，或者连续或者脉冲形式的激光等;经过激光处理后的光纤端面可以有多种不同的几何结构，主要特征是有效腔长大于干涉腔长;激光处理的特点是良好的重复性以及较高的加工精度以及较强的加工能力;光纤的种类可以是各种类型的光纤，比如单模光纤，多模光纤，特种光纤等;光纤的对接可以是多种形式的，比如激光焊接，电弧放电熔接，胶水粘接等;对接的两根光纤至少包含一根如上处理过的结构的光纤，另一根可以有不同的选择;光纤端面处理的结构，当ί21^的时候，光纤端面是凹的平底的结构，这样的光纤对接后就形成了传统的光纤法珀气泡腔，不能把干涉腔长和有效腔长分离。[0042]至于制作方法的其他具体细节可参考上述光纤法布里玻罗腔的应变传感器的实施例介绍，对应出相应的方法步骤，因此，在此不予赘述。[0043]本发明实施例还提供一种传感器装置，包括:光源，用于产生光线;环形器，用于通过所述光线；以上实施例所述的应变传感器，用于接收从环形器输出的光线后，经过法布里玻罗腔后再反射至环形器;环形器还用于接收由应变传感器反射回的反射光谱;光谱仪，接收所述反射光谱并进行分析。[0044]如图3所示实传感装置，包括光源，光谱仪，传感器位于图中最右端）以及环形器等，光源的光首先经过环形器进入传感器，传感器的反射光谱经过环形器之后到达光谱仪，光纤外界的应力或者应变影响法布里玻罗腔的腔长，从而改变反射光谱，通过分析反射光谱的波长变化，可以传感外界应力或者应变的大小。[0045]以上是该传感器的一个具体实施例的介绍，当然也可以有其他的形式。[0046]以上介绍了本发明实施例的应变传感器及其制备方法，以及包括该应变传感器的传感器装置。这种应变传感器的灵敏度高，而且尺寸完全可控可重复，可以极大地提高光纤法布里玻罗腔的应变传感器的灵敏度，同时保证良好的机械强度，较高的制作效率，较低的制作成本，具有极高的实用价值。[0047]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种基于光纤法布里玻罗腔的应变传感器，其特征在于，包括第一端面的第一光纤以及包括第二端面的第二光纤，所述第一端面和第二端面对接后构成法布里玻罗腔，在法布里玻罗腔的内部有空气间隙。2.根据权利要求1所述传感器，其特征在于，所述第一光纤的第一端面内形成一个环形凹槽，第一端面中间为一个圆柱。3.根据权利要求2所述传感器，其特征在于，所述环形凹槽的外侧直径小于第一光纤的包层直径，所述圆柱直径大于光纤的纤芯直径大小。4.根据权利要求2所述传感器，其特征在于，所述圆柱的位置在第一光纤的中心位置，所述圆柱的直径大于第一光纤的纤芯直径，圆柱的高度低于环形凹槽底部至凹槽顶部距离。5.根据权利要求1所述传感器，其特征在于，所述第一光纤的第一端面和第二光纤的第二端面均经过处理后形成所述法布里玻罗腔体，或者仅所述第一光纤的第一端面经过处理后与所述第二光纤的第二端面对接后形成法布里玻罗腔。6.根据权利要求1所述传感器，其特征在于，所述第一光纤和第二光纤分别为：单模光纤，多模光纤，或光子晶体光纤。7.根据权利要求1所述传感器，其特征在于，所述第一光纤和第二光纤的对接方式为：电弧放电熔接，二氧化碳激光熔接，或胶水粘接。8.—种基于光纤法布里玻罗腔的应变传感器的制作方法，其特征在于包括：用激光从第一光纤的第一端面向内加工一个环带的凹型槽，并且在第一光纤的中间形成一个圆柱，再用激光加工圆柱，使圆柱高度低于环形凹槽底部至环形凹槽顶部的长度;或者先在第一光纤的中心加工一个圆形凹槽，然后再在圆形凹槽外加工一个环带的凹型槽；将第一光纤的第一端面和第二光纤的第二端面进行对接，对接的方式为电弧放电熔接，二氧化碳激光熔接，或胶水粘接。9.一种传感器装置，其特征在于包括：光源，用于产生光线；环形器，用于通过所述光线；权利要求1-7任一所述的应变传感器，用于接收从环形器输出的光线后，经过法布里玻罗腔后再反射至环形器；环形器还用于接收由应变传感器反射回的反射光谱；光谱仪，接收所述反射光谱并进行分析。

百度查询： 中国科学技术大学 基于光纤法布里玻罗腔的应变传感器及其制作方法

免责声明
1、本报告根据公开、合法渠道获得相关数据和信息，力求客观、公正，但并不保证数据的最终完整性和准确性。
2、报告中的分析和结论仅反映本公司于发布本报告当日的职业理解，仅供参考使用，不能作为本公司承担任何法律责任的依据或者凭证。

阅读全文 双屏查看 官方信息 专利公告 收藏专利 下载PDF 下载WORD