一种增敏的非本征F-P光纤温度传感器的制作方法

摘要

本发明公开了一种增敏的非本征F-P光纤温度传感器的制作方法，属于传感器技术领域。其特征是通过刻划产生缺陷，并利用刻痕缺陷处应力集中的特点拉断形成平整光纤端面；采用粘合剂将金属毛细管与非本征F-P干涉腔的裸光纤粘结在一起，由两个光纤平端面和热膨胀系数大于玻璃毛细管的金属毛细管构成了一个增敏的非本征F-P光纤温度传感器。本发明的有益效果是，能够得到光纤端面良好、干涉腔没有杂质、增敏的非本征F-P光纤温度传感器，具有温度响应快、温度灵敏度高、体积小、结构简单、可靠性高和制作灵活等优点，能够用于强电磁辐射、易燃易爆等场合下的高精度温度测量。

权利要求

1.一种增敏的非本征F-P光纤温度传感器的制作方法，其特征在于：在裸光纤(4)的表面通过刻划的方法形成与裸光纤(4)轴线正交的刻痕缺陷，并将带有刻痕缺陷的裸光纤(4)插入金属毛细管(2)中，调节刻痕缺陷在金属毛细管(2)中的位置；通过胶粘的方式将位于裸光纤(4)末端一侧的金属毛细管(2)端点与裸光纤(4)固定在一起，对裸光纤的另外一端施加拉力，在刻痕缺陷处产生应力集中，当施加的拉应力大于刻痕缺陷处的断裂阈值时，裸光纤(4)从刻痕缺陷处裂开，形成与裸光纤轴线垂直的平整解理面(3)，两个平行解理面(3)与二者之间的空气隙则构成了一个非本征F-P干涉腔(1)；调节非本征F-P干涉腔(1)的长度，通过胶粘的方式将金属毛细管(2)的另外一端与裸光纤(4)固定在一起，由两个裸光纤平端面和热膨胀系数大于玻璃毛细管的金属毛细管构成了一个增敏的非本征F-P光纤温度传感器。

说明书

技术领域

本发明属于传感器技术领域，涉及一种光纤温度传感器的制作方法，特别涉及到一种增敏的非本征F-P光纤温度传感器的制作方法。

背景技术

温度测量中普遍采用的非电类温度计是水银温度计，测量结果稳定，但不能实现计算机自动记录数据。电子温度传感器能够灵活的实现温度测量和控制，在各类工控设备和电子仪表中应用较多：热电偶能够实现高温测量，但精度不高，在冷端补偿不佳的情况下测量不准确；铂电阻测量精度高，但测量灵敏度较低，在导线补偿不好的情况下测量结果不准确；热敏电阻的温度灵敏度高，但具有较大的非线性，且长期稳定性较差。此外，电子式温度传感器普遍存在易受电磁辐射干扰，长期稳定性差，不能实现远距离信号传输等缺点。
非本征型F-P光纤传感器是目前使用最为广泛的一种光纤法-珀腔传感器之一，典型结构是将两根端面切平或抛光的光纤置入一根内径与光纤包层直径相匹配的准直毛细管中，两根光纤端面和二者之间的空气隙构成了一个非本征型的法-珀腔。非本征型F-P光纤传感器具有制作工艺简单，设计灵活，通过对光纤和准直毛细管的材料的选择以及对加工参数的控制，可以调节测量灵敏度，消除参量间的交叉敏感性，实现对温度、压力和应变等物理量高灵敏度测量。
与传统电子温度传感器相比，非本征F-P光纤温度传感器具有体积小、测量精度高、抗电磁干扰、长期稳定性好等优点，采用波长解调系统的非本征F-P光纤温度传感器基本不受光源功率波动和光纤扰动的影响，能够用于长期测量和恶劣环境下温度测量。
目前制作的非本征F-P光纤温度传感器基本采用玻璃光纤和毛细玻璃管，温度增敏效果有限；将非本征F-P光纤温度传感器粘在金属片或其它热膨胀系数大的材料之上可以提高温度灵敏度，但具有温度响应慢、体积大等缺点，并且需要考虑热应力对测量结果的影响。由于玻璃毛细管较薄，因此未做任何防护的非本征F-P光纤温度传感器容易受到外力的挤压和剪切而破坏，在实际应用的过程中通常需要采用金属管对其封装，导致传感器的外形尺寸较大，温度响应速度慢，使原传感器的优点不能充分展现。
传统方法制作非本征F-P光纤传感器时，需要先在光纤上切出平端面，或者通过研磨、抛光的方法得到平整的光纤端面，然后将完整的光纤平端面在显微镜下操作，插入内径在130微米左右的毛细管中，在插入的过程中光纤平端面可能与毛细管壁擦碰，导致光纤端面不完整，另外光纤碎片随着光纤的插入而进入毛细管中，当干涉腔的入射光纤和反射光纤分别从毛细管的两侧分别插入时，上述问题更为突出，对操作人员提出了很高的要求，得到干涉对比度好的传感器比较困难；另外，切平或抛光的光纤平端面在操作的过程中也会各种原因导致光纤端面污损，使最终制作的非本征F-P光纤传感器的干涉信号较差，影响腔长的精确解调；由于光纤从两侧插入，因此在毛细管的清洗、保存和操作的过程中必须小心谨慎，以防止管口和内管壁存留的灰尘随着光纤的插入而进入干涉腔，影响干涉的对比度和传感器的稳定使用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种温度增敏的非本征F-P光纤传感器的制作方法，简化非本征F-P光纤温度传感器的制作，提高非本征F-P光纤温度传感器的干涉对比度、制作效率和温度灵敏度，并具备体积小、结构简单、温度响应快的特点。
本发明的技术方案是，在裸光纤的表面通过刻痕的方法形成与裸光纤轴线正交的缺陷，并将带有刻痕缺陷的裸光纤插入金属毛细管中，调节刻痕缺陷在管中的位置；通过胶粘的方式将位于裸光纤末端一侧的金属毛细管端点与裸光纤固定在一起，对光纤的另外一端施加拉力，在刻痕缺陷处产生应力集中，当刻痕缺陷处的拉应力达到断裂阈值时，裸光纤从刻痕缺陷处裂开，形成与光纤轴线垂直的平行解理面，两个平行解理面与二者之间的空气隙则构成了一个非本征F-P干涉腔；调节干涉腔的长度，通过胶粘的方式将金属毛细管的另一端与裸光纤固定在一起，制作出增敏的非本征F-P光纤温度传感器；根据需要在非本征F-P光纤温度传感器的尾纤上安装护套进行保护。
具体制作方法为：将去除涂敷层并经表面洁净处理的裸光纤放在光纤切刀上，扣好两侧的压板，推动刀片，在裸光纤表面形成与裸光纤轴线正交的刻痕，但并不打断，将带有刻痕缺陷的裸光纤插入金属毛细管中，通过光纤调整架调节刻痕缺陷在管中的位置，然后采用胶粘的方式将位于裸光纤末端一侧的金属毛细管端点与裸光纤固定在一起。之后向后拉动尾纤，裸光纤表面刻痕缺陷由于应力集中而成为整个光纤上最薄弱的环节，当拉应力达到该点的断裂阈值时，裸光纤从刻痕缺陷处裂开，形成两个端面平整、与光纤轴线垂直的平行解理面，两个平行解理面与二者之间的空气隙则构成了一个非本征F-P干涉腔。通过光纤调整架调节非本征F-P光纤传感器的腔长，并通过非本征F-P光纤传感器解调系统实时测量干涉腔的长度，当腔长调整到设计值后，通过胶粘的方式将金属毛细管另一端和尾纤固定在一起，制作出温度增敏的非本征F-P光纤温度传感器。实际中根据传感器的应用环境的需要在尾纤上安装光纤护套予以保护。
本发明的效果和益处是，本发明提出的增敏的非本征F-P光纤温度器的制作方法，采用热膨胀系数大的金属毛细管替代传统的石英和玻璃等材料，与采用玻璃光纤或者玻璃毛细管制作非本征F-P光纤温度传感器的技术相比，具有温度灵敏度高，不易损坏等优点；与传统的将非本征F-P光纤温度传感器粘在金属片和其它热膨胀系数大的材料之上提高温度灵敏度的技术相比，具有温度响应快、体积小、结构简单、可靠性高以及布设灵活等优点；与传统的制作方法相比，能够得到光纤端面良好、干涉腔没有杂质非本征F-P光纤温度传感器，能够用于强电磁辐射、易燃易爆等场合下的高精度温度测量。

附图说明

附图1是增敏的非本征F-P光纤温度传感器的剖面示意图。
图中：1非本征F-P干涉腔；2金属毛细管；3平行解理面；4裸光纤；5尾纤。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的最佳实施例。
将内径为0.13mm，外径为2mm的铝制金属毛细管置入装有酒精的超声波池中清洗并烘干。将光纤一端的涂敷层去掉，裸光纤4比铝制金属毛细管长5～10mm，采用丙酮将裸光纤4的表面擦洗干净，然后将裸光纤4放在光纤切刀的架上，扣好两侧的扣板，推动刀片，这样可以在光纤表面形成刻痕，但操作的过程中不能打断光纤。将带有刻痕缺陷的裸光纤4插入铝制金属毛细管2中，调节刻痕缺陷在铝制金属毛细管2中的位置，然后采用环氧树脂胶合剂将光纤的自由端和铝制金属毛细管2粘在一起，之后通过光纤调整架向后拉动尾纤5，由于光纤表面已经存在缺陷，因此在拉应力达到某一值时，光纤从刻痕处拉开，形成平整的、与光纤轴向垂直的平行解理面3，而两个平行解理面3与二者之间的空气隙则构成了一个非本征F-P腔1。通过光纤调整架可以调节非本征F-P腔1的长度，并通过接在尾纤5后端的光纤F-P传感器解调系统实时观察干涉腔的长度，当腔长调整到设定长度后，通过胶粘的方式将铝制金属毛细管2的另外一端与尾纤5固定在一起，通过上述步骤可以高效、灵活的制作出增敏的非本征F-P光纤温度传感器。
根据文献《光纤EFP工传感器系统及其在油气井中应用的研究》，结合上述非本征F-P光纤温度传感器的结构，则外界温度变化引起的腔长变化量为：
Δd＝(αmLg-αfLif-αfLrf)ΔT
其中，Lg为传感器的标距，即金属毛细管与光纤的两个固定点之间的长度，Lif和Lrf分别为金属毛细管内入射光纤和反射光纤长度，ΔT为温度变化量，αm和αf分别为金属毛细管和光纤的热膨胀系数。纤芯掺锗的单模光纤和铝金属管的热膨胀系数分别为5.6×10-7/℃和24×10-6/℃。
非本征F-P光纤温度传感器的腔长远小于其标距Lg，因此有Lif+Lrf≈Lg，上式可以化简为：
Δd＝(αm-αf)LgΔT
由于αm远大于αf，且单模光纤的热膨胀系数一定，因此采用金属毛细管制作的非本征F-P光纤温度传感器的温度系数主要由传感器的标距和金属毛细管的热膨胀系数决定的。如果采用铝制金属毛细管，在其它工艺相同的情况下温度灵敏比采用玻璃毛细管的增大8倍左右，从而实现增敏的目的。