一种加强镀膜光纤光栅的轴向伸缩效应的方法

摘要

一种加强镀膜光纤光栅的轴向伸缩效应的方法。该方法预先采用微加工技术在光纤光栅所在光纤的侧表面加工一种具有沟槽的微结构阵列，然后采用镀膜技术在拥有光栅和表面微结构的区域镀单层或多层敏感膜。该方法主要针对具有伸缩效应的敏感膜，可以有效加强镀有这种可伸缩的敏感膜的光纤光栅传感器的敏感度，例如镀有超磁致伸缩敏感膜，湿度敏感膜和气体敏感膜的光纤光栅传感器。经过本方法处理的光纤光栅，其轴向伸缩效应得到加强，传感灵敏度得以提高。属于光纤传感领域和微加工领域。

权利要求

1.一种加强镀膜光纤光栅的轴向伸缩效应的方法，其特征在于，该方法是在光纤光栅表面沿裸光纤的径向方向加工微米级的沟槽状微结构阵列，其沟槽状微结构阵列表面位于光纤光栅所在位置的光纤的侧表面，且分散分布于光纤光栅的光纤侧表面，然后采用镀膜技术在拥有光栅和沟槽状微结构阵列表面的区域镀单层或多层可伸缩材料敏感膜。

2.根据权利要求1所述的加强镀膜光纤光栅的轴向伸缩效应的方法，其特征在于，所述的沟槽状微结构阵列为螺纹状或环状。

3.根据权利要求1所述的加强镀膜光纤光栅的轴向伸缩效应的方法，其特征在于，所述的沟槽状微结构阵列的深度不影响光纤光栅的光谱波形，即波形不产生畸变。

4.根据权利要求1所述的加强镀膜光纤光栅的轴向伸缩效应的方法，其特征在于，所述的沟槽状微结构阵列的深度不影响光纤光栅的反射波长，即光纤光栅的反射中心波长不发生偏移。

5.根据权利要求1所述的加强镀膜光纤光栅的轴向伸缩效应的方法，其特征在于，所述的沟槽状微结构阵列的周期为0.001～3000μm。

6.根据权利要求1所述的加强镀膜光纤光栅的轴向伸缩效应的方法，其特征在于，所述的可伸缩材料敏感膜，包括：磁致伸缩材料敏感膜，湿度敏感材料传感膜或气体敏感材料传感膜。

说明书

一种加强镀膜光纤光栅的轴向伸缩效应的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及适用于能监测多种参量的可伸缩膜型光纤光栅传感器。具体包括对光纤光栅的侧表面进行预处理，在处理后的表面制备可伸缩材料传感膜，如磁致伸缩材料敏感膜，湿度敏感材料传感膜和气体敏感材料传感膜，这种光纤光栅传感器可用于电流或磁场，湿度，及氢气浓度等多个领域的在线分布式监测。

背景技术

[0002] 近年来光纤光栅传感技术发展迅速，由于光纤光栅具有波长调制、分辨率高、波分复用、抗电磁干扰、体积小、重复性好等特点，已成为传感器研究领域的一大热点，在建筑、桥梁、探矿、海洋、航空、医学领域得到广泛应用，并取得了许多成果。但是其主要产品还是局限于在应力和温度方面的传感应用。而光纤光栅在其他领域的应用还处于研究阶段。例如用于电流的光纤光栅传感器，湿度和气体浓度的光纤光栅化学传感器均是目前的研究热点。

[0003] 目前光纤光栅主要是指布拉格(Bragg)光栅(简称FBG)。布拉格光栅是一种具有周期性的折射率分布的光纤，它只对特定波长的光具有反射作用。当大带宽的光通过光栅时，只有以光纤光栅波长为中心波长的窄带的光被反射。根据耦合模理论，光纤光栅的光栅方程为λB＝2neffA，其中，λB为FBG的反射波中心波长(Bragg波长)，neff为光纤光栅的有效折射率，Λ为光纤光栅的周期(参见图1)。能导致neffΛ改变的某些物理量，如应力、温度、压力、湿度等，均可使FBG反射波长发生漂移，因此均可以用FBG测量。如果采用可伸缩材料，可以将光纤光栅所处环境的多种参量转化为应变参量，通过监测光纤光栅的布拉格波长漂移可以间接监测到这些参量。下面以超磁致伸缩敏感膜，湿度敏感膜和气体敏感膜几类典型的伸缩膜为例说明光纤光栅在其他传感领域的应用。

[0004] 超磁致伸缩敏感膜

[0005] 磁致伸缩材料是指具有磁致伸缩效应的磁(电)-机械能转换材料，它的饱和磁致-6伸缩系数λs通常为10 数量级。超磁致伸缩材料(Giant magnetostriction material，-5
简称GMM)是具有大磁致伸缩系数的磁致伸缩材料，其λs一般大于3.0×10 。充分利用其在磁场作用下的伸缩效应，和光纤光栅相结合可构成光纤光栅磁场(电流)传感器。

[0006] 湿度敏感膜

[0007] 光纤光栅对湿度变化敏感性很差。为了提高光纤光栅对湿度的敏感度，需要在光纤的外表面涂上一层湿敏材料。当湿度变化时，由于光纤表面涂层湿敏材料的膨胀，引起光纤光栅的应变响应。这样可把对湿度传感的问题转化为光纤光栅对应变的响应问题。

[0008] 氢气敏感膜

[0009] 光纤光栅氢气传感器一般由表面镀合金膜的光纤光栅组成。合金膜吸收氢气后产生的形变由光纤光栅探测到，通过光纤光栅中心波长反应出来。光纤光栅氢气传感器最大的优点是充分利用绝缘防爆的特性，可以应用于飞行器燃料贮箱这样工作条件恶劣的环境中。此外，光纤光栅氢气传感器结构简单，成本低，便于波分复用，构成分布式测量系统，可以缠绕在大贮箱和管线外，监测大面积的泄漏。

[0010] 这类镀膜型光纤光栅传感器研究的难点之一在于伸缩材料的选择和薄膜的制备。由上可见，多种材料可供选择，基于这些材料的可伸缩膜可将光纤光栅传感领域拓展至多个领域范围内。但是其伸缩效应的线性化还有待加强。原因之一在于这类可伸缩的敏感膜一般都镀在光滑光纤表面，其伸缩效应大多为多方向性的，包括轴向和径向，而只有轴向的伸缩变化会被光纤光栅探测到。原因之二在于，这些可伸缩敏感膜的厚度为微米级，因此在光纤表面的轴向伸缩形变太小，引起的光栅应变不明显。因此，如何提高轴向伸缩效应成为关键突破点之一。

发明内容

[0011] 本发明针对上述提高镀膜光纤光栅的轴向伸缩效应技术问题，提供一种有效加强轴向伸缩效应的方法。采用微加工技术对光纤表面进行径向沟槽阵列的加工(螺纹或环状沟槽阵列)，使得表面镀膜能有效嵌入，提高伸缩膜的轴向伸缩效应。

[0012] 具体包括两个方面的内容：

[0013] 一方面，涉及在光纤表面加工螺纹状或环状沟槽阵列的方法，其包括激光或其他微加工技术对光纤表面进行加工。另一方面，涉及在这种加工有螺纹状或环状沟槽阵列的光纤光栅表面制备可伸缩材料传感膜，提高伸缩膜的轴向伸缩效应，用于多种领域的传感监测。

[0014] 针对前一方面问题，本申请人在“旋转光纤进行微加工的方法和装置”(申请号：201010204597.3)中作了详细介绍。公开了用于旋转光纤微加工的夹持装置，该装置包括可调速驱动电机、基座、变速变相器、角度传感器、光纤夹具、光纤定位器、环切器；其中可调速驱动电机安装在基座上并连接变速变相器，光纤夹具穿过变速变相器并由其夹紧，光纤定位器安装在基座上，光纤穿过光纤夹具和光纤定位器，光纤的被加工区域位于光纤定位器中间，并通过加工窗口暴露给外部加工源，加工源为激光或聚集离子束，角度传感器位于变速变相器上，用于监测转动角度，环切器位于加工窗口处。所述的光纤定位器由含有精密V型槽的可分离金属部件组成，V型槽大小为100-400μm，根据所夹持光纤直径所定。

[0015] 该申请还公开了微加工夹持装置的工作原理：外部电源驱动可调速电机，电机通过变速变相器带动所夹持的光纤夹具转动，光纤定位器约束光纤的转动漂移，使得穿过光纤夹具的光纤在光纤定位器的约束下以极低的漂移转动。光纤的被加工区域位于光纤定位器中间，并通过加工窗口暴露给外部加工源，加工源为激光或聚集离子束。

[0016] 该申请进一步公开了加工步骤：将光纤被加工区域的涂敷层剥去；将光纤通过光纤夹具的导入孔穿过光纤夹具；将光纤夹具穿过变速变相器的中心孔；将光纤定位器放置在光纤被加工区域两侧，光纤被加工区域通过加工窗口暴露在外部加工源下；光纤定位器夹持住光纤被加工区域两侧，使光纤受其约束；将光纤被加工区域通过加工窗口暴露在外部加工源下。

[0017] 针对后一方面问题，本发明提供一种加强镀膜光纤光栅的轴向伸缩效应的方法，其特征在于，该方法是在光纤光栅表面沿裸光纤的径向方向加工微米级的沟槽状微结构阵列，其沟槽状微结构阵列表面位于光纤光栅所在位置的光纤的侧表面，且分散分布于光纤光栅的光纤侧表面，然后采用镀膜技术在拥有光栅和沟槽状微结构阵列表面的区域镀单层或多层可伸缩材料敏感膜。

[0018] 其中，所述的沟槽微结构阵列为螺纹状或环状。

[0019] 所述的沟槽微结构阵列的深度不影响光纤光栅的光谱波形，即波形不产生畸变。

[0020] 所述的沟槽微结构阵列的深度不影响光纤光栅的反射波长，即光纤光栅的反射中心波长不发生偏移。

[0021] 所述的沟槽微结构阵列的周期为0.001～3000μm。

[0022] 所述的可伸缩材料敏感膜，包括：磁致伸缩材料敏感膜，湿度敏感材料传感膜和气体敏感材料传感膜，这种制备了可伸缩材料敏感膜的光纤光栅传感器用于电流或磁场，湿度，及氢气浓度等多个领域的在线分布式监测。

[0023] 本发明的优点在于有效提高光纤光栅轴向伸缩效应，将光纤光栅传感器拓展至更宽广的应用领域。

附图说明

[0024] 图1表面有环状沟槽或螺纹沟槽阵列的光纤光栅结构示意图

[0025] 图2为环状沟槽阵列的实施方式之示意图

[0026] 图3为螺纹沟槽阵列的实施方式之示意图

[0027] 图4本发明应用实例示意图

[0028] 图中：1具有内置式光栅的光纤，2环状沟槽或螺纹沟槽阵列，3激光，4磁场，箭头表示光纤运动方向。

具体实施方式

[0029] 下面结合附图详细描述本发明。

[0030] 实施例1

[0031] 光纤光栅表面加工环状沟槽阵列的方式如图2所示。本加工例中采用激光3对具有内置式光栅的光纤进行表面微加工，单个沟槽加工结束后，工作台沿x轴方向移动特定长度。

[0032] 实施例2

[0033] 光纤光栅表面加工螺纹沟槽阵列的方式如图3所示。本加工例中采用激光3对具有内置式光栅的光纤1进行表面微加工，光纤在夹具的带动下旋转的同时，工作台沿x轴方向移动。精确控制激光能量，旋转速度和移动速度，能达到控制螺纹沟槽螺距和深度的目的，因此可以加工出符合要求的螺纹沟槽。

[0034] 实施例3

[0035] 本发明的应用实例之一。如图4所示，在本发明所述的光纤微结构表面镀超磁致伸缩敏感材料膜(例如铽镝铁磁致伸缩合金Terfenol-D)，制成磁场(电流)的传感头。

[0036] 可以预见，对于本领域的技术人员而言，可以基于本发明开发多种应用实例，这些修改并不脱离所附权利要求中确定的本发明的精神或范围。