一种基于双密闭腔的光纤微结构传感器件制备方法与流程

本发明涉及光纤传感器技术领域，特别涉及一种基于双密闭腔的光纤微结构传感器件制备方法。

背景技术：

自1970年世界上第一根光纤传感器诞生以来，光纤传感器件凭借着小体积、高灵敏度、低损耗、高性价比等优点，应用于众多领域检测，使得光纤传感技术在原理上和应用开发等方面都取得了巨大的突破。产生了温度、压强、应力、流速、磁场等测量参数的多参量传感器。而微结构光纤传感技术由于结构的多样性，伴随着光纤传感原理的复杂性，一直是研究领域的热点。其中基于激光器加工微结构光纤传感技术则是光纤传感技术发展的新阶段。2003年，江超等人利用波长248nm的krf准分子激光器对k9光学玻璃的精密微细加工进行了研究，对玻璃进行切割及表面打孔实验，打出0.8mm左右的微孔，进一步探讨了准分子激光与玻璃的相互作用机理。2006年，武汉理工大学的李维来等人研究157nm激光对sio2材料的加工特性，用157nm激光器刻蚀晶体光纤的端面，以晶体光纤的微孔轮廓作为参照，对刻蚀深度和烧蚀程度进行定量地分析。得出激光能流密度为2j/cm2时，刻蚀率可达210nm脉冲，证实了157nm激光的7.9ev的光子能量能被sio2材料强烈地吸收而产生破坏。

现阶段存在的193nm准分子激光器也是基于上述原理且成本低于飞秒激光，加工精度高于157nm激光器的特点。结合这两种特点，193nm准分子激光器问世后也很受各大院校青睐。因此利用激光器加工光纤微结构传感器件也成为现阶段发展的必然趋势。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于双密闭腔的光纤微结构传感器件制备方法，该传感器可同时区分测量温度与拉力，传感器体积小，可在微小环境中工作，具有结构简单、生产成本低的特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于双密闭腔的光纤微结构传感器件制备方法，包括以下步骤；

步骤一：取一段单模光纤放置在具有ccd显示的三维微动平台上，将193nm准分子激光器光阑调至尺寸为40微米的方形光斑，打开激光器加工第一个穿过纤芯的方形微孔；

步骤二：激光器驱动放置光纤的三维微动平台将加工好第一个孔后将光纤横向移动500微米，按照步骤一的方法制作第二个同样的穿孔；

步骤三：将加工好的双微孔放置在5％的hf溶液中1-2分钟，清洗掉加工时表面和孔内的材质残留；

步骤四：将清洗后的结构放在熔接机下进行熔接，对两个微孔通过高温放电的形式制作出两个形状相同，距离大概在500微米左右的圆形密闭腔；

步骤五：将制作好的传感器接入到解调仪中采集数据，经过快速傅里叶变换提取各个腔体频率，再通过傅里叶帯通滤波法将密闭腔和两密闭腔之间的光纤腔频率图像分别确定出来；

步骤六：将做好的光纤传感器一端连接解调仪，另一端夹持在电子测力计上，从0n开始到2.2n，每0.2n记录一个数据，每次记录等待两分钟，等待全光纤受力均匀再记录；

步骤七：拉力测量完成后将传感器放入到恒温箱中，在测温实验前先将传感器放入到300℃的恒温箱中进行淬火处理半小时来消除在制作传感器过程中的残余应力，设置温度从室温一直到500℃，每隔50℃取一个数据，每次读数等待两分钟，保证数据精准。

所述的步骤1中在激光器电压为1.2kv的状态下加工5-8秒即可打穿。

所述的步骤4的熔接条件为采用放电强度为80，推进距离为0，预熔时间160ms，清洁放电时间200ms，熔接放电时间220ms的参数，选择手动熔接程序。

本发明的有益效果：

第一：制作材料仅为单模光纤，制作仪器为193nm准分子激光器成本远小于飞秒激光器的加工。

第二：飞秒激光加工和腐蚀法加工均采用端面制作缺陷，然后熔接，而该发明在全光纤上加工制作，首先在制作过程上就易与其它方式，并且加工出的传感器机械韧性要远大于端面加工法，可测量范围堪比全光纤。

第三：不仅可以实现温度拉力区分测量，且拉力灵敏度超多普通光栅的四倍。也可做高灵敏度的拉力传感器。

附图说明

图1为本发明193nm准分子激光器加工原理图示意图。

图2为激光器加工出的两个方孔图。

图3为熔接机放电后形成两个密闭腔示意图。

图4为传感器拉力测量装置图。

图5为常温常压下原始光谱示意图。

图6为经傅里叶带通滤波后密闭腔光谱随拉力的变化示意图。

图7为光纤腔光谱随拉力的变化示意图。

图8为密闭腔拉力灵敏度的线性拟合示意图。

图9为光纤腔拉力灵敏度的线性拟合示意图。

图10为传感器温度测量装置图。

图11为腔光谱随温度的变化示意图。

图12为光纤谱随温度的变化示意图。

图13为光纤腔温度灵敏度的线性拟合示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

一种基于双密闭腔的光纤微结构传感器件制备方法，包括以下步骤；

步骤一：取一段单模光纤放置在具有ccd显示的三维微动平台上，将193nm准分子激光器光阑调至尺寸为40微米的方形光斑，打开激光器加工第一个穿过纤芯的方形微孔；

步骤二：激光器自带的软件可驱动放置光纤的三维微动平台加工好第一个孔后将光纤横向移动500微米，按照步骤一的方法制作第二个同样的穿孔；

步骤三：由于加工的微孔表面以及孔内都有光纤材质残留，将加工好的双微孔放置在5％的hf溶液中1-2分钟，清洗掉加工时表面和孔内的材质残留；目的是去除留在孔内及表面的加工残渣。

步骤四：将清洗后的结构放在熔接机下，采用放电强度为80，推进距离为0，预熔时间160ms，清洁放电时间200ms，熔接放电时间220ms的参数，选择手动熔接程序，对两个微孔通过高温放电的形式制作出两个形状相同，距离大概在500微米左右的圆形密闭腔；

步骤五：将制作好的传感器接入到解调仪中采集数据，经过快速傅里叶变换提取各个腔体频率，再通过傅里叶帯通滤波法将密闭腔和两密闭腔之间的光纤腔频率图像分别确定出来；密闭腔对温度没有响应，对拉力响应非常明显，而光纤腔对温度和拉力均有响应。因此，利用密闭腔温度不响应特点就可以实现温度拉力区分测量；

步骤六：将做好的光纤传感器一端连接解调仪，另一端夹持在电子测力计上，从0n开始到2.2n，每0.2n记录一个数据，每次记录等待两分钟，等待全光纤受力均匀再记录；

步骤七：拉力测量完成后将传感器放入到恒温箱中，在测温实验前先将传感器放入到300℃的恒温箱中进行淬火处理半小时来消除在制作传感器过程中的残余应力，设置温度从室温一直到500℃，每隔50℃取一个数据，每次读数等待两分钟，保证数据精准。

所述的步骤1中在激光器电压为1.2kv的状态下加工5-8秒即可打穿。

图1为193nm准分子激光器的工作原理图，将单模光纤剥去涂覆层放到加工平台，利用紫外激光刻蚀尺寸40微米相距500微米的两个方形孔，初步试验结果如图2所示。

附图1中，1-8均为反射镜，目的是增加像距，9是激光光源，10是光阑，11是三维加工平台。

将图2结构放入到5％的hf溶液中清洗1-2分钟，去除加工后残留的杂质。然后利用熔接机的高温放电制作出如图3所示的微结构光纤传感器。

将制作好的传感器夹持在拉力测量装置上，如图4所示。初始光谱如图5所示为常温常压拉力为0n的反射光谱图。拉力测量从0n开始到2.2n每隔0.2n记录一个数据。所有数据采集后通过傅里叶帯通滤波法将密闭腔(图6)和光纤腔(图7)的谱线分别提取出来。通过对图6、图7的谱线漂移测量，拟合之后分别是图8、图9。从实验结果可以看出密闭腔的拉力灵敏度为4.91nm/n(拟合度为0.997)，光纤腔的拉力灵敏度为1.38nm/n(拟合度为0.997)。可以看出密闭腔拉力灵敏度是普通光纤腔的四倍。

测量完拉力后，将传感器接入图10所示的温度测量装置中。温度从室温开始到500℃，每隔50℃采集一个数据。在正式记录数据之前先将传感器放在300℃环境中煅烧30分钟消除环境应力。将采集的数据同样经过傅里叶帯通滤波提取出密闭腔和光纤腔的光谱漂移量如图11、图12，观察图11可以看出密闭腔温度从50-500℃没有发生漂移，图13为光纤腔温度灵敏度拟合图。可以看出密闭腔对温度不敏感，光纤腔温度灵敏度为10.74pm/℃。

本发明提出一种多参量测量传感器，该传感器可同时区分测量温度与拉力，传感器体积小，可在微小环境中工作、结构简单、生产成本低，在工业测量中有很好的利用价值。