一種光纖氣體壓力傳感器的制作方法

本發明涉及一種光纖氣體壓力傳感器，尤其是一種全光纖開腔式馬赫-曾德爾干涉型(mzi)氣體壓力傳感器。

背景技術：

與傳統的各類傳感器相比，光纖傳感器有一系列獨特的優點，如靈敏度高，抗電磁干擾、耐腐蝕，便于實現多路技術，結構簡單，體積小，重量輕，耗電少等。應力、溫度、氣壓是目前應用最廣泛的光纖傳感器，尤其是相位調制型的光纖傳感器，因其可在大范圍內實現對外界參量快速而精確的動態測量而受到諸多關注。在此類傳感器當中，光纖馬赫-曾德爾干涉儀(mzi)是重要且應用廣泛的結構形式之一：它主要是通過外界參量改變信號臂與參考臂之間的相位差，再利用解調技術獲知參量的實時變化信息。全光纖mzi由于將兩路傳輸光集成在同一根光纖之中，使器件更加靈巧、性價比更高且易于封裝，近幾年成為人們的研究熱點。光纖傳感器開腔式的結構可以使氣體壓力值直接與光信號相互作用，增大了光纖接觸面積，因此對待測量的氣體壓力響應更準確迅速，提高了測量精度和測量效率。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種光纖馬赫-曾德爾干涉型氣體壓力傳感器，該傳感器可以解決某些特殊應用場景，如強電磁場環境或易燃易爆環境下對氣體壓力的精確檢測，并提供一種使用飛秒激光加工技術在單模普通光纖上制備微型開放空腔的方法。該傳感器原理如下：首先，通過飛秒激光器和光纖熔接機在單模普通光纖上制備微型開放空腔，微型開放空腔直徑約為30μm，該微型開放空腔位于單模光纖纖芯和包層之間，并通過玻璃毛細管與待測氣體接觸；寬帶光源發出的光在單模光纖空腔處分為兩路，一路從光纖纖芯的微型開放空腔的空氣中穿過，一路從微型開放空腔的下部光纖纖芯穿過，共同到達光譜儀時，按照馬赫-曾德爾干涉(mzi)原理，光譜儀將顯示干涉圖譜。待測氣體通過玻璃毛細管進入光纖空腔，使空腔體積發生輕微變化，從而改變了光譜儀的干涉圖譜。通過測量圖譜峰值波長的變化量，即可以測得待測氣體的氣壓值。根據本發明的方法制備光纖馬赫-曾德爾干涉型氣體壓力傳感器，制造工藝簡單，制作成本低，結構穩定，具有一定的機械強度，而且不會對周圍電磁環境產生影響，不會產生電火花，能廣泛用于精密化學實驗室氣壓檢測、石油氣罐氣壓檢測、各種高壓氣瓶的壓力監測，航天航空器內氣壓檢測等特殊領域。

本發明的優點在于：本發明采用全光纖傳感器，采用馬赫-曾德爾干涉原理設計，制備方法簡單易行，提高了光纖傳感器的使用領域，精度高，適用范圍廣。

附圖說明

圖1是本發明的光纖氣體壓力傳感器開放微腔顯微放大圖；

圖2是本發明的光纖氣體壓力傳感器的結構圖；

圖3是本發明的光纖氣體壓力傳感器在不同氣壓下的測試結果曲線；

圖4是本發明的光纖氣體壓力傳感器壓力與峰值波長曲線。

1-寬帶光源；2-待測氣體；3-玻璃毛細管；4-包層；5-纖芯；6-不銹鋼毛細管；7-“t”型工程塑料管；8-光譜儀。

具體實施方式

以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。

一種光纖馬赫-曾德爾干涉型氣體壓力傳感器包括以下步驟：參照圖1，首先通過飛秒激光器輸出激光，波長為780nm，脈沖周期為120fs，重復率為1khz，單脈沖功率為6μj；然后輸出激光通過一個20倍放大倍率透鏡聚焦，透鏡數值孔徑為0.5，聚焦激光在平整的普通單模光纖端面纖芯5和包層4界面處燒蝕出24x14x57μm³的矩形坑洞，然后放入光纖熔接機，和另一根單模光纖平整端面熔接，設置熔接電流為6.2ma，熔接持續時間為2.0s。通過放電熔接方法，可以在兩根單模光纖的熔接界面處形成一個球形的空腔，空腔的位置在單模光纖纖芯5和包層4中間，直徑約為30μm。然后，通過飛秒激光器在單模光纖包層4側面上燒灼加工長為24μm的微通道，微通道直接與球形空腔相連，微通道在光纖側面開口處與玻璃毛細管3相連，方便與外界待測氣體2接觸。光纖微型開放空腔制作完成。

具體實施例參照圖2光纖氣體壓力傳感器的結構圖，為了保證系統工作穩定性和可靠性，將微型開放空腔制備完成的單模光纖(包括纖芯5和包層4)以及玻璃毛細管3套入316不銹鋼毛細管6中，增強傳感器的機械強度和抗腐蝕性；同時將單模光纖微型開放空腔放入“t”型工程塑料管7中，所有連接部分和填充部分均采用353nd膠封裝，增強傳感器敏感部位機械強度和防水性能。將單模光纖兩端分別接入寬帶光源1和光譜儀8，玻璃毛細管3接入待測氣體2，通過光譜儀8的光譜圖的峰值波長變化即可以推算氣體壓力值。

圖3是本發明的光纖氣體壓力傳感器在不同氣壓下的測試結果曲線。可見在待測氣體2處于0bar、3bar、5bar、7bar、9bar(1bar＝0.1mpa)不同氣壓下時，峰值波長強度發生了明顯變化，隨著壓力的增加，峰值波長強度呈現變大趨勢。

圖4是本發明的光纖氣體壓力傳感器壓力與峰值波長曲線，表明待測氣體2氣壓大小與光譜儀8峰值波長光譜強度之間呈現出良好的線性關系。通過計算，該氣體壓力傳感器的靈敏度約為193.46pm/bar。

上述詳細說明是針對本發明可行實施例的具體說明，該實施例并非用以限制本發明的專利范圍，凡未脫離本發明所為的等效實施或變更，均應包含于本案的專利范圍中。

技術特征：

技術總結
本發明公開一種光纖氣體壓力傳感器，該傳感器通過放電熔接方法，可以在兩根單模光纖的熔接界面處形成一個球形的空腔。然后，通過飛秒激光器在單模光纖包層側面上燒灼加工長為24μm的微通道，微通道直接與球形空腔相連，微通道在光纖側面開口處與玻璃毛細管相連，方便與外界待測氣體接觸。該氣體壓力傳感器的靈敏度約為193.46pm/bar。根據本發明的方法制備光纖氣體壓力傳感器，制造工藝簡單，制作成本低，結構穩定，具有一定的機械強度，而且不會對周圍電磁環境產生影響，不會產生電火花，能廣泛用于精密化學實驗室氣壓檢測、石油氣罐氣壓檢測、各種高壓氣瓶的壓力監測，航天航空器內氣壓檢測等特殊領域。

技術研發人員：孫友華;熊輝
受保護的技術使用者：深圳市中葛科技有限公司
技術研發日：2016.11.30
技術公布日：2017.08.18