基于化学腐蚀与熔接放电制备光纤传感器的方法与流程

本发明涉及光纤传感技术领域，特别涉及一种基于化学腐蚀与熔接放电制备光纤温度传感器的方法。

背景技术：

光纤具有轻巧，灵敏、抗强电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、信号衰减小等特点，现在已经被人们广泛应用于传感领域。光纤用于传感，可以组网，易于实现智能化，集信息传输与传感于一体，可有效解决常规检测技术难以完全胜任的测量问题。

光纤传感系统的基本原理就是光纤中的光波参数如光强、频率、波长、相位以及偏振态等随外界被测参数变化而变化，通过检测光纤中光波参数的变化达到检测外界被测物理量的目的。

温度是工业生产过程中最普遍、最重要的工艺参数之一，尤其是在强电磁干扰、易燃、易爆等恶劣环境下，对温度的测量要求越来越高。同时，随着新技术的发展，在军事领域、石油勘察领域、生物医疗领域等，需要进行温度检测的器件等目标物体的尺寸也在不断缩小，而且对温度的测量范围和测量精度也提出了更高的要求。实现温度微小局部目标温度的测量具有非常重要的意义。

因此，需要一种对温度具有高灵敏度，且结构简单，制作成本低的基于化学腐蚀与熔接放电制备的光纤传感器。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于化学腐蚀与熔接放电制备光纤传感器的方法，包括以下步骤：

步骤一：将所述单模光纤去除涂覆层，并将光纤端面切平，固定在支架上；

步骤二：将切平的光纤端面放入氢氟酸溶液中进行腐蚀，得到光纤凹槽；

步骤三：将光纤端面从氢氟酸中取出，先放入蒸馏水中清洗，再放入超声波清洗机中清洗，防止继续腐蚀；

步骤四：利用光纤熔接机将腐蚀过的光纤端面与另一根端面切平的光纤相对熔接，得到光纤微球结构，并持续放电，得到光纤传感器。

优选地，在步骤一中，所述单模光纤采用SMF-28。

优选地，在步骤二中，所述光纤纤芯材质主要为GeO2，包层材质主要为SiO2，SiO2和GeO2腐蚀速率大小主要与氧化物化学键的结合能以及氧化物在水中的溶解度大小有关，化学键结合能低的氧化物更容易被氢氟酸打断，与其发生反应；其中，Si-O键结合能为799.6kJ/mol，Ge-O键结合能为660.3kJ/mol，因此，GeO2更容易被氢氟酸腐蚀，即相比光纤包层，光纤纤芯更易被氢氟酸腐蚀，从而形成凹槽。

优选地，在步骤四中，熔接后持续放电能够有效改善光纤微球结构和其光学性能。

本发明还提供一种基于化学腐蚀与熔接放电制备的光纤传感器，包括第一单模光纤和第二单模光纤，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的切平端面相对熔接形成光纤微球结构。

优选地，所述单模光纤采用SMF-28。

相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、制备得到的光纤传感器具有较高的温度灵敏度，可用于温度传感测量，随着温度的增加，所述光纤传感器反射波长会向长波方向移动。

2、本发明的光纤传感器结构新颖、体积小、结构简单、灵敏度高、制作成本低，适合大批量生产，在温度传感领域具有巨大的应用意义。

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示出了本发明的光纤传感器的结构示意图；

图2示出了本发明的光纤传感器的反射谱图；

图3示出了本发明的光纤传感器的不同干涉波谷随温度的变化曲线图；

图4示出了本发明的光纤传感器的温度响应特性曲线图。

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，本发明提供一种基于化学腐蚀与熔接放电制备光纤传感器的方法，包括以下步骤：

步骤一：采用剥纤钳将所述单模光纤SMF-28去除涂覆层，并用切割刀将光纤端面切平，固定在支架上；

步骤二：将切平的光纤端面放入氢氟酸溶液中进行腐蚀，得到光纤凹槽；

具体地，所述光纤纤芯材质主要为GeO2，包层材质主要为SiO2，SiO2和GeO2腐蚀速率大小主要与氧化物化学键的结合能以及氧化物在水中的溶解度大小有关，化学键结合能低的氧化物更容易被氢氟酸打断，与其发生反应；其中，Si-O键结合能为799.6kJ/mol，Ge-O键结合能为660.3kJ/mol，因此，GeO2更容易被氢氟酸腐蚀，即相比光纤包层，光纤纤芯更易被氢氟酸腐蚀，从而形成凹槽。

步骤三：将光纤端面从氢氟酸中取出，先放入蒸馏水中清洗，再放入超声波清洗机中清洗，防止继续腐蚀；

步骤四：利用光纤熔接机将腐蚀过的光纤端面与另一根端面切平的光纤相对熔接，得到光纤微球结构，并持续放电，得到光纤传感器，如图1所示。其中，熔接后持续放电能够有效改善光纤微球结构和其光学性能。

以下通过设计实验装置，对本发明制得的光纤传感器的温度特性进行分析研究，该实验装置包括：光源装置、传输光纤、传感光纤、加热台、光谱仪，所述传感光纤固定在加热台上；所述光源装置发出信号光，该信号光通过传输光纤进入传感光纤并进行传播，最后由光谱仪接收。通过调节加热台的温度，可测出光纤传感器谐振波长随温度的变化关系即温度变化系数k，并测得谐振波长的移动量为Δλ，由波长漂移与温度线性关系式可求得温度的变化量，对比开始标定的参考温度，即可得到当前的温度。

其中，波长漂移与温度线性关系式为：Δλ＝k*ΔT

具体地，所述光源装置的输出波长为1520nm～1610nm；所述光谱仪为日本YOKOGAWA公司的AQ6375光谱分析仪，工作波长范围为1200nm～2400nm，最小分辨精度为0.02nm。所述传输光纤和传感光纤均采用常规单模光纤SMF-28。

图2为光纤传感器的反射谱图；图3为光纤传感器的不同干涉波谷随温度的变化曲线图，由图可知：在30-50℃变化范围内，随着温度的增加，传感器波长红移。综上可得：光纤传感器的对比度为13dB，周期为7.5nm。

参见图4，为光纤传感器的温度响应特性曲线图，线性拟合后可知：R²为0.9886，y＝0.01128+1544.7587，由图可知：随着温度的增加，传感器的谐振波长发生红移，温度灵敏度和线性度为11.28pm/℃和0.9886。

本发明还提供一种基于化学腐蚀与熔接放电制备的光纤传感器，包括第一单模光纤和第二单模光纤，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的切平端面相对熔接形成光纤微球结构。具体地，所述单模光纤采用SMF-28。

本发明提出基于氢氟酸腐蚀结合熔接放电法来制备干涉型光纤传感器，制备得到的光纤传感器具有较高的温度灵敏度，通过对所述光纤传感器的干涉谱波长漂移随温度变化规律进行了实验研究，当外界温度从30～100℃变化时，传感器灵敏度可达11.28pm/℃，波谷波长与温度呈线性关系，线性度都达到0.9886，如图4所示。该干涉型光纤传感器结构新颖、体积小、结构简单、灵敏度高、制作成本低，适合大批量生产，在温度传感领域具有巨大的应用意义。

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。