CN108225657B - 一种具有光学游标效应的光纤fp气压传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有光学游标效应的光纤FP气压传感器及其制备方法，其传感器包括单模光纤、石英毛细管和光子晶体光纤。石英毛细管的两端分别与单模光纤和光子晶体光纤的各自一端通过熔接的方式连接；所述光子晶体光纤的另一端直接与外界相连，其孔状结构便于外界气体进入所述光纤FP传感器的腔内，从而所述石英毛细管和光子晶体光纤构成具有游标效应的两个法布里‑珀罗谐振腔。制备时使用商用光纤熔接机，控制好电极的放电时间和放电强度大小使两种类型的光纤级联和使用精密切割装置切割光纤，严格控制光纤的长度，从而产生游标效应。本发明的光纤FP气压传感器体积小，制备简便，适应性强，灵敏度高，具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感与通信技术领域，具体涉及一种具有光学游标效应的光纤FP气压传感器及其制备方法。
背景技术
气压传感器作为压力传感器的一种，在国防、海事、航天以及民用等方面具有广泛的应用价值，甚至一些智能手机上也内嵌了气压传感器。而基于法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perot interferometer，FPI)的光纤气压传感器因其独特的优势倍受业界关注。众所周知，光纤FPI通常包括由光纤端面和膜片端面构成法布里-珀罗腔，当法布里-珀罗腔被外界气压作用时，法布里-珀罗腔的腔体会发生改变，通过检测腔长变化所引起的反射光干涉光谱变化，便可以实现气压测量。如将单模光纤尾端的微腔切掉一部分后与SiO2薄膜熔接形成FP腔，这种结构可以用于低压传感，灵敏度可达1.1rad/40kPa。J.Ma等人对FP腔结构进行了改进，将单模光纤与玻璃管熔接后，在玻璃管内加压的方式对玻璃管放电，形成一个微气泡，该气泡用于气压测量，灵敏度可提高到315pm/MPa。C.R.Liao等人简化了制作过程，在单模光纤熔接过程中故意形成一个气泡，然后在熔接机中在气泡一端熔断光纤，继续放电使气泡壁变薄，最薄的壁厚320nm。气压作用在气泡壁，使气泡形变，腔长变化引起波长的漂移，该传感器的灵敏度提高到1036pm/Mpa，但是由于气泡壁太薄，结构强度太低。所以，基于气泡的压强传感器只能测量低压，且灵敏度不够高。
然而，现有技术的光纤FP气压传感器通常体积较大，加工工艺复杂，不适应当前传感器逐渐小型化的趋势，比如在智能手机上安置这类气压传感会更加困难。通过薄膜蒸镀以及飞秒激光微加工等技术尽管也能实现FP腔，但从安全、制作工艺以及制作成本等方面仍存在某些缺陷。例如，薄膜蒸镀法通常采用化学气相沉积的技术利用含有薄膜元素的一种或几种气相化合物或单质，在光纤表面上进行化学反应形成薄膜，此技术可在中温或者高温，常压或者真空条件下进行。但是薄膜涂层的厚度需要精确控制，且薄膜沉积层通常具有柱状晶体结构，不耐弯曲，而且此技术耗时，设备仪器成本也很昂贵。飞秒激光器微加工技术可在石英毛细管包层处打孔，使打出的气孔与其中心空气孔相连从而形成FP腔，还有直接在单模光纤纤芯处打孔，再与另外一根单模光纤熔接，通过熔接机电弧放电的形式形成一个气泡，从而产生FP腔，此方法制备过程简便容易，但是对于飞秒激光器打孔的参数需要精确的设定，且飞秒激光器价格昂贵，气压灵敏度也不高，上述方案最大的灵敏度只能达到3.592nm/MPa。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种具有光学游标效应的光纤FP气压传感器及其制备方法，其光纤FP传感器体积小、探测灵敏度高；其制备方法简单易行、成本低廉。
为解决上述技术问题，本发采用以下技术方案。
本发明的一种具有光学游标效应的光纤FP气压传感器，其特征在于，包括单模光纤、石英毛细管(HCF)和光子晶体光纤(PCF)；所述石英毛细管的右端与所述单模光纤的一端通过熔接的方式连接，其左端和所述光子晶体光纤的一端通过熔接方式连接；所述光子晶体光纤另一端直接与外界相连，其孔状结构便于外界气体进入所述光纤FP传感器的腔内，从而所述石英毛细管和光子晶体光纤构成具有游标效应的两个法布里-珀罗谐振腔。
所述的石英毛细管的长度大于光子晶体光纤的长度，所述的石英毛细管光程和光子晶体光纤光程之和与石英毛细管的光程比例趋近于1.1-1.3:1。
所述石英毛细管的光程为石英毛细管中空气孔的折射率与石英毛细管(空气孔)的长度乘积。
所述光子晶体光纤的光程为光子晶体光纤纤芯的折射率与光子晶体光纤长度的乘积。
所述的石英毛细管的内径40-75μm，外径为125μm。
所述的石英毛细管长度80-120μm。
所述的光子晶体光纤为6孔或多孔光子晶体光纤。
所述的光子晶体光纤的长度为20-40μm，外径为125μm。
本发明的一种具有光学游标效应的光纤FP气压传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
7-1)分别将两段剥去涂覆层的单模光纤和石英毛细管用切割刀切断，保证其端面的平整，并分别置于光纤熔接机内置夹具；将单模光纤的一端与石英毛细管的右端进行熔接；
7-2)利用精密切割装置在距离熔接点附近切割出长度范围在80-120μm的石英毛细管；
7-3)将石英毛细管的切割后的左端与光子晶体光纤(PCF)的一端进行熔接；
7-4)再次利用精密切割装置在距离熔接点附近切割出长度范围在20-40μm的光子晶体光纤；所述光子晶体光纤另一端直接与外界相连，其孔状结构便于外界气体进入所述光纤FP传感器的腔内，从而所述石英毛细管和光子晶体光纤构成具有游标效应的两个法布里-珀罗谐振腔(FP腔)，此2个FP腔的叠加和两种光纤的长度严格地影响反射光谱；
7-5)将制备好的结构密封入气压泵的密封气室中。
其熔接程式分别为；
单模光纤-石英毛细管的熔接程式：电弧放电范围70-80，放电时间300-350ms，预熔时间100-160ms；
石英毛细管-光子晶体光纤的熔接程式：电弧放电范围60-65，放电时间250-290ms，预熔时间100-120ms。
与现有技术相比，本发明包括以下有益效果和优点：
1.本发明的传感器利用具有不同自由光谱范围的法布里-珀罗谐振腔构成一个新的传感系统。而这种新的传感系统的工作原理的自由光谱范围是两个独立的法布里-珀罗谐振腔的自由光谱范围的最小公倍数。因此，这种新的传感系统具有很大的自由光谱范围、很高的测试灵敏度以及很大的测量范围。
在高压环境中，开腔式的结构设计平衡了腔内外的压差，避免了因FP腔内外的高压差造成的腔体损坏，保证了本发明传感器能在高压条件下作业。
2.本发明制备方法简单易行，仅采用了熔接和精密切割两个步骤，难度大大降低。该方法可基于实验室现有设备仪器，即光纤熔接机，光纤切割刀，无需高成本仪器，而且其测试灵敏度高。
附图说明
图1是本发明的具有光学游标效应的光纤FP气压传感器的一种实施例的结构示意图。其中，1单模光纤，2石英毛细管，3光子晶体光纤。
图2是本发明的具有光学游标效应的光纤FP气压传感器制备方法的一种实施例的流程图。
图3是本发明的具有光学游标效应的光纤FP气压传感器的一种实施例的检测气压示意图。
图4是本发明的的具有光学游标效应的光纤FP气压传感器的一种实施例测试的反射光谱及其下包络图。
图5(a)和(b)分别是本发明的具有光学游标效应的光纤FP气压传感器的一种实施例的气压灵敏度测试及其与波长的线性关系图。
图6(a)和(b)分别是本发明的具有光学游标效应的光纤FP气压传感器的一种实施例的反射光谱包络的气压灵敏度测试及其与波长的线性关系图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明：
图1是本发明的具有光学游标效应的光纤FP气压传感器的一种实施例的结构示意图。本实施例包括单模光纤1、石英毛细管2、光子晶体光纤3。其石英毛细管2、光子晶体光纤3与单模光纤1的外径相同，均为125微米，石英毛细管2内径为40微米。光子晶体光纤3包层是六个空气孔按三角形排列构成的，空气孔直径为3.4微米，纤芯由缺失一个空气孔形成，纤芯直径为10微米。
图2是本发明的具有光学游标效应的光纤FP气压传感器制备方法的一种实施例的流程图。在本实施例中，其步骤为：
将除去涂覆层的单模光纤1与内径为40微米的石英毛细管2熔接，取石英毛细管2的长度约为100微米；再顺次将该石英毛细管2与所述光子晶体光纤3熔接，保证其端面平整，取光子晶体光纤3的长度约为30微米，由于光子晶体光纤3腔长远短于石英毛细管2腔长，因此会出现游标效应。光学游标效应可有效增加传感器的气压灵敏度。该传感器的另一端与光纤环形器一段连接，宽带光源5和光谱仪6分别与光纤环形器的另外两端连接。
图3是本发明的具有光学游标效应的光纤FP气压传感器的一种实施例的检测气压示意图。如图3所示，进行气压传感实验时，将上述制作完成的气压传感器4置于密封完好的气压泵里，按压气压泵的手柄，增加密闭气室里的气压，通过气压表读取所加气压，并进行适当微调。由于气体随着气压的增加，折射率也会增加，致使进入腔室的光程差发生变化，而光谱仪6实时记录传感器的干涉谱。通过检测干涉谱包络的漂移量从而确定待测空间的气压，由于游标效应所以该传感器比没有游标效应气压传感器的灵敏度高。
本发明的一种具有光学游标效应的光纤FP气压传感器，采用以下方法进行气压检测，其步骤如下：将所述传感器置于气压泵的密闭气室里,保持气室里压强为0；使用宽带光源5，通过传输光纤向所述传感器发射光；入射光经过该结构的两个F-P腔反射面时，形成反射光；反射光经过环形器传入光谱仪，解调反射光光信号；按压气压泵手柄升压，等候10min气压稳定时间，重复上述步骤。
图4是本发明的的具有光学游标效应的光纤FP气压传感器的一种实施例测试的反射光谱及其下包络图，由此可看出该传感器对应的干涉光谱以及包络。
图5(a)和(b)分别是本发明的具有光学游标效应的光纤FP气压传感器的一种实施例的气压灵敏度测试及其与波长的线性关系图。
其中，图5(a)给出了该传感器对应的气压灵敏度测试曲线，各曲线对应0.1-0.6MPa各压强下的干涉光谱。
图5(b)给出了该传感器气压变化与波长的线性关系，由此可知，该传感器对于气压的灵敏度可达到7.257nm/MPa。
图6(a)和(b)分别是本发明的具有光学游标效应的光纤FP气压传感器的一种实施例的反射光谱包络的气压灵敏度测试及其与波长的线性关系图。
图6(a)中各曲线对应0.1-0.6MPa各压强下的干涉光谱包络。
从图6(b)可知，该传感器对于气压的灵敏度达到了20.286nm/Mpa。
综上所述，本发明提供了一种具有游标效应的光纤FP气压传感器及其制备方法，通过单模光纤-石英毛细管-光子晶体光纤依次熔接构成的FP腔体结构，使用商用光纤熔接机，控制好电极的放电时间和放电强度大小使两种类型的光纤级联和使用精密切割装置切割光纤，严格控制光纤的长度，产生游标效应，实现了一种高灵敏度的基于游标效应的光纤FP气压传感器。本发明采用开腔式的超短长度的FP腔结构设计，具有以下优势：当入射光入射至单模光纤与石英毛细管空气孔分界面时，由于界面两边介质(一边为纤芯，一边为空气)折射率的不同一部分入射光发生反射，与入射光产生干涉效应。而另一部分的入射光继续传播，在石英毛细管空气孔与光子晶体光纤纤芯的分界面处，再次因为两边介质的不同而反射，反射光再次与入射光干涉，在光子晶体端面，入射光同样与在端面处反射的反射光产生干涉，从而在光谱仪上显示出了两种干涉谱叠加图样，而且两种FP腔的长度重要的影响着此叠加干涉谱形状。石英毛细管的长度若太长，则入射光在石英毛细管的空气孔中衰减较大，无法保证足够的对比度；若太短，虽然可以提高对比度，但是无法保证游标效应，在达到游标效应的条件下，不同光程比例下的叠加干涉谱的对比度以及包络都有很大不同。本发明测试出的叠加干涉谱的对比度最高可达8.5dB，包络明显美观，便于测试及数据分析。本发明的光纤FP气压传感器体积小，制备简便，适应性强，灵敏度很高。这种传感器在测试某种特殊气体折射率和测量风速等方面有着潜在的应用。
Claims (2)
1.一种具有光学游标效应的光纤FP气压传感器，其特征在于，包括单模光纤、石英毛细管和光子晶体光纤；所述石英毛细管的右端与所述单模光纤的一端通过熔接的方式连接，其左端和所述光子晶体光纤的一端通过熔接方式连接；所述光子晶体光纤另一端直接与外界相连，光子晶体光纤包层包括按三角形排列构成的六个空气孔，空气孔直径为3.4微米，纤芯由缺失一个空气孔形成，纤芯直径为10微米；从而所述石英毛细管和光子晶体光纤构成具有游标效应的两个法布里-珀罗谐振腔；
所述的光子晶体光纤为6孔光子晶体光纤；
所述的石英毛细管的长度大于光子晶体光纤的长度，所述的石英毛细管的光程与光子晶体光纤的光程之和与石英毛细管的光程比例1.1:1-1.3:1；
所述的石英毛细管的内径为40-75μm，外径为125μm；
所述的石英毛细管长度为80-120μm；
所述的光子晶体光纤的长度为20-40μm，外径为125μm。
2.一种具有光学游标效应的光纤FP气压传感器的制备方法，其特征在于：
所述的具有光学游标效应的光纤FP气压传感器，包括单模光纤、石英毛细管和光子晶体光纤；所述的石英毛细管的光程与光子晶体光纤的光程之和与石英毛细管的光程比例1.1:1-1.3:1；所述的石英毛细管的内径为40-75μm，外径为125μm；所述的光子晶体光纤的外径为125μm；
所述制备方法包括以下步骤：
(1)分别将两段剥去涂覆层的单模光纤和石英毛细管用切割刀切断，保证其端面的平整，并分别置于光纤熔接机内置夹具；将单模光纤的一端与石英毛细管的右端进行熔接；
(2)利用精密切割装置在距离熔接点附近切割出长度范围在80-120μm的石英毛细管；
(3)将石英毛细管的切割后的左端与光子晶体光纤的一端进行熔接；
(4)再次利用精密切割装置在距离熔接点附近切割出长度范围在20-40μm的光子晶体光纤；所述光子晶体光纤另一端直接与外界相连，光子晶体光纤包层包括按三角形排列构成的六个空气孔，空气孔直径为3.4微米，纤芯由缺失一个空气孔形成，纤芯直径为10微米；从而所述石英毛细管和光子晶体光纤构成具有游标效应的两个法布里-珀罗谐振腔，此两个法布里-珀罗谐振腔的叠加和两种光纤的长度严格地影响反射光谱；
(5)将制备好的结构密封入气压泵的密封气室中；
其熔接程式分别为：
单模光纤-石英毛细管的熔接程式：电弧放电范围为70-80，放电时间300-350ms，预熔时间100-160ms；
石英毛细管-光子晶体光纤的熔接程式：电弧放电范围为60-65，放电时间250-290ms，预熔时间100-120ms。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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Application publication date: 20180629 Assignee: NANJING UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS INSTITUTE AT NANTONG Co.,Ltd. Assignor: NANJING University OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS Contract record no.: X2020980006914 Denomination of invention: Optical fiber FP pressure sensor with optical vernier effect and its preparation method Granted publication date: 20200529 License type: Common License Record date: 20201021 |
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