基于光纤法布里玻罗腔的应变传感器及其制作方法技术

本发明专利技术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。

Strain sensor based on optical fiber Fabri's cavity and its fabrication method

The invention discloses a strain sensor based on optical fiber Fabry-Boro cavity and a manufacturing method thereof, belonging to the technical field of optical fiber sensor. The sensor comprises a first optical fiber with a first end face and a second optical fiber with a second end face. The first end face and the second end face are connected to form a Fabry-Boro cavity, and there is an air gap inside the Fabry-Boro cavity. The sensor with this micro-cavity structure greatly improves the strain measurement sensitivity of the fiber-optic strain sensor, and has very low cross-sensitivity of temperature and strain.

【技术实现步骤摘要】
基于光纤法布里玻罗腔的应变传感器及其制作方法
本专利技术属于光纤传感
，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。
技术介绍
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。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。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。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术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。为实现上述目的，本专利技术的光纤法布里玻罗腔的应变传感器采用以下技术方案：根据本专利技术的一方面，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。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。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。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。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。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。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。根据本专利技术的又一方面，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：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。根据本专利技术的再一方面，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本专利技术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；本专利技术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。附图说明图1是本专利技术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；图2是图1中的传感器的横截面剖面图；图3是图1中传感器的一个应用实例的示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、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，对本专利技术作进一步的详细说明。下面通过实施例，并结合附图，对本专利技术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。下述参照附图对本专利技术实施方式的说明旨在对本专利技术的总体专利技术构思进行解释，而不应当理解为对本专利技术的一种限制。根据本专利技术的基本构思，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。图1是本专利技术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，本专利技术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。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。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。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。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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：周坤，崔金明，黄运锋，李传峰，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34