專利名稱：：非本征型法布里-珀羅傳感器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及光纖傳感器領(lǐng)域，尤其是一種非本征型法布里-珀羅傳感器。
背景技術(shù)：
：法布里-珀羅(Fabry-Perot)傳感器是一種基于多光束干涉原理的光學法布里-珀羅干涉儀(Fabry-PerotInterferometer,FPI)，由于FPI的工作原理是通過兩個反射面之間的距離變化來測量被測點的變化，所以在傳感領(lǐng)域，它可以被做得很小。和其他類型的光纖傳感干涉儀，如馬赫-曾德爾(Mach-Zehnder)干涉儀、邁克爾孫(Michelson)干涉儀、薩格奈克(Sagnac)干涉儀等雙光束干涉儀不同，F(xiàn)PI不需要光纖耦合器。這使得FPI成為小型傳感結(jié)構(gòu)的理想選擇。FPI發(fā)展的迅速，還在于它可以通過空分、時分、頻分、相關(guān)復用等技術(shù)大大降低多點監(jiān)測成本。根據(jù)光纖法珀腔的結(jié)構(gòu)形式，光纖法布里_珀羅(Fabry-Perot)傳感器可分為本征型光纖法_珀傳感器(IntrinsicFabry-PerotInterferometer,IFPI)禾口非本征型光纖法一王白傳感器(ExtrinsicFabry—PerotInterferometer,EFPI)。非本征型光纖法布里_珀羅(Fabry-Perot)傳感器如圖1所示；將兩根光纖1的端面5加工為鏡面作為反射面，然后使兩光纖l封裝在毛細管石英玻璃12內(nèi)，使其端面嚴格平行、同軸，形成一個腔長為L的密封光纖法_珀腔，光纖1和毛細管石英玻璃12之間可用粘接或焊接方式固定，4為粘接或焊接層。毛細管石英玻璃的內(nèi)徑為d(d^2a，2a為光纖直徑)，長度為M。非本征型光纖法-珀(F-P)傳感器是基于多光束干涉原理，當一束光通過光纖入射到該法-珀(F-P)腔內(nèi)時，在光纖的兩個端面發(fā)生多次反射，形成多光束干涉，反射光沿原路返回，透射光從法-珀(F-P)腔另一端射出。對光纖法-珀腔進行封裝，便可形成非本征型法布里-珀羅光纖傳感器。外界溫度，壓力的變化量直接反映在光纖法_珀腔腔長的變化，而腔長的變化又導致反射光中心波長的變化。通過對反射光的分析，便可實現(xiàn)對外界溫度，壓力的變化的測量。與常規(guī)的馬赫_曾德爾(Mach-Zehnder)干涉儀傳感器技術(shù)相比，該項技術(shù)的特征和優(yōu)點如下馬赫-曾德爾(M-Z)干涉儀干涉光線傳感器由于使用參考光纖，對外部紊流非常敏感。法-珀(F-P)傳感器技術(shù)的特征和優(yōu)點在于光線在單獨的光纖中傳播，除了標距影響外，參考光纖中的外部影響均被消除了。此外，與本征型法布里-珀羅干涉儀相比，非本征型法布里_珀羅干涉儀易于制作且機械性能更加優(yōu)良。因此，非本征型光纖法布里_珀羅傳感器是目前應用最為廣泛的一種光纖法-珀傳感器。在常規(guī)的非本征型法布里_珀羅光纖傳感器中，形成法_珀(F-P)腔體的毛細管石英玻璃的制作難度很高，因為其與光纖配合的內(nèi)孔精度為亞微米級，需以特殊方法制作，成本高而成品率低。
發(fā)明內(nèi)容為了克服以上缺陷，本發(fā)明提出非本征型法布里-珀羅傳感器及其制作方法，金屬鎳光纖插芯和套管則是用電鑄法制作而成，它比常規(guī)的利用毛細管石英玻璃制作的光纖法布里_珀羅傳感器的腔體結(jié)構(gòu)具有工藝簡單、制作方便、成本低廉等優(yōu)點。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為一種非本征型法布里-珀羅傳感器，該傳感器包括兩段光纖、兩段金屬插芯以及金屬套管，所述每段金屬插芯的內(nèi)側(cè)固定有光纖，所述兩段金屬插芯的外側(cè)封裝有金屬套管，所述兩段光纖和/或金屬插芯端部形成有對立的端面組，該端面組與金屬套管形成中空的腔體，所述端面組上噴涂有反射膜。根據(jù)本發(fā)明的另外一個實施例，非本征型法布里_珀羅傳感器進一步包括所述金屬插芯和/或金屬套管由金屬鎳或銅或鉻制成。根據(jù)本發(fā)明的另外一個實施例，非本征型法布里_珀羅傳感器進一步包括所述反射膜為反射鋁膜。根據(jù)本發(fā)明的另外一個實施例，非本征型法布里_珀羅傳感器進一步包括所述金屬插芯的內(nèi)徑d^光纖外徑2a+0.08um。根據(jù)本發(fā)明的另外一個實施例，非本征型法布里_珀羅傳感器進一步包括所述金屬套管長度M^光纖的端面之間的長度L。根據(jù)本發(fā)明的另外一個實施例，非本征型法布里_珀羅傳感器進一步包括所述光纖與金屬插芯之間通過環(huán)氧樹脂加以粘接。根據(jù)本發(fā)明的另外一個實施例，非本征型法布里_珀羅傳感器進一步包括所述金屬插芯與金屬套管通過焊接方式連接。根據(jù)本發(fā)明的另外一個實施例，非本征型法布里_珀羅傳感器進一步包括所述兩段光纖和/或金屬插芯對立的端面組為同軸、平行。本發(fā)明還涉及一種非本征型法布里_珀羅傳感器的制作方法，該方法包括以下步驟A)用光纖切割刀將通信單模光纖切割成兩段單模光纖，保護好切割端面；B)在兩段光纖外側(cè)套裝金屬插芯，將金屬插芯的端面與光纖的切割端面平齊，通過環(huán)氧樹脂將金屬插芯與光纖粘接，對平齊后的金屬插芯的端面與光纖的切割端面進行研磨、拋光；C)采用蒸涂工藝在平齊的光纖切割端面與金屬插芯端面噴涂反射鋁膜；D)將兩段金屬插芯伸入金屬套管，通過微調(diào)機構(gòu)調(diào)整兩段金屬插芯端面之間的距離從而調(diào)整腔體的長度L;E)將金屬插芯與金屬套管焊接，從而形成一個完整的非本征型法布里_珀羅傳感器。本發(fā)明的有益效果是1、在法-珀(F-P)腔體的裝配過程中，可以利用特殊的微調(diào)機構(gòu)來調(diào)整法-珀(F-P)腔體的腔長L，因而制作工藝方便靈活，能夠精確控制腔長。2、由于金屬鎳套管的長度M大于腔長L，而M是傳感器的實際敏感長度，這就使得可通過改變M的長度來改變傳感器的敏感度。3、法_珀(F-P)腔體是由空氣間隙組成的，其折射率近似為l，故可近似認為是L的單參數(shù)函數(shù)。4、法_珀(F-P)腔體外側(cè)的金屬鎳套管為金屬材料，所以很容易與被測的金屬基4體(如橋梁構(gòu)件，鐵路道軌，油氣貯存容器等)直接焊接，從而能精確測量被測參數(shù)，避免了附加的粘合劑因與金屬鎳不同物理性能造成的測量誤差。5、法_珀(F-P)腔體的金屬鎳套管為金屬材料，其線膨脹系數(shù)大于毛細管玻璃，因而有較大的溫度敏感度。6、由于金屬鎳套管光纖和金屬鎳插芯為同種金屬材料，套管受熱伸長量與插芯受熱伸長量相同，故可基本抵消材料熱脹冷縮導致腔長L的變化，因而本發(fā)明的非本征型光纖法布里_珀羅傳感器具有良好的溫度特性，其受溫度的影響可以忽略不計。圖1是現(xiàn)有技術(shù)中光纖傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的優(yōu)選實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是用電鑄發(fā)制作金屬鎳插芯和套管毛坯原理圖；圖中，1、光纖，2、金屬插芯，3、金屬套管，4、環(huán)氧樹脂，5、端面組，6、腔體，7、金屬鎳，8、不銹鋼芯棒，9、鎳鍍層，10、電鑄槽，11、電鑄液，12、石英玻璃。具體實施例方式現(xiàn)在結(jié)合附圖和優(yōu)選實施例對本發(fā)明作進一步詳細的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)，因此其僅顯示與本發(fā)明有關(guān)的構(gòu)成。如圖2所示，一種非本征型法布里_珀羅傳感器，該傳感器包括兩段光纖1、兩段金屬插芯2以及金屬套管3，所述每段金屬插芯2的內(nèi)側(cè)固定有光纖l，所述兩段金屬插芯2的外側(cè)封裝有金屬套管3，所述光纖1與金屬插芯2之間優(yōu)選通過環(huán)氧樹脂4加以粘接。所述兩段光纖1和/或金屬插芯2端部形成有對立的端面組5，該端面組5與金屬套管3形成中空的腔體6，所述端面組5上噴涂有反射膜。所述金屬插芯2和/或金屬套管3由金屬鎳或銅或鉻制成，當然也可采用其它可鍍金屬，如金屬鋅等其它合金材料。所述金屬插芯2與金屬套管3通過焊接方式連接。為提高反射效率，所述反射膜為反射鋁膜，且所述兩段光纖1和/或金屬插芯2對立的端面組5為同軸、平行。由于光纖1為熔石英制成，金屬插芯2為金屬鎳制成，當溫度變化時，為保證光纖1不受金屬插芯2的壓縮應力的影響，所述金屬插芯2的內(nèi)徑d>光纖1外徑2a+0.08um。為便于調(diào)節(jié)傳感器的敏感度，所述金屬套管3長度M>光纖1的端面之間的長度L，通過微調(diào)結(jié)構(gòu)調(diào)整腔體6長度L。本發(fā)明的非本征型法布里_珀羅傳感器的制作方法，該方法包括以下步驟A)用光纖切割刀將通信單模光纖切割成兩段單模光纖l，保護好切割端面；B)在兩段光纖l外側(cè)套裝金屬插芯2，將金屬插芯2的端面與光纖的切割端面平齊，通過環(huán)氧樹脂4將金屬插芯2與光纖1粘接，對平齊后的金屬插芯2的端面與光纖1的切割端面進行研磨、拋光；C)采用蒸涂工藝在平齊的光纖1切割端面與金屬插芯2端面噴涂反射鋁膜；D)將兩段金屬插芯2伸入金屬套管3，通過微調(diào)機構(gòu)調(diào)整兩段金屬插芯2端面之間的距離從而調(diào)整腔體6的長度L;E)將金屬插芯2與金屬套管3焊接，從而形成一個完整的非本征型法布里_珀羅傳感器。5由熔石英制成的光纖1和金屬鎳制成的金屬插芯2，兩種材料有不同的物理性能，當溫度變化時會產(chǎn)生應力?，F(xiàn)分析如下熔石英和金屬鎳的材料參數(shù)比較如下表所示<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>設定光纖法布里-珀羅傳感器的使用溫度范圍為_30°C+70°C，以2(TC為中心溫度，則溫度變化為士5(TC，當最大溫度變化為5(TC時，可計算得光纖徑向應力為o=4.3X107Pa，此值與熔石英的斷裂模量(1.lX107Pa)為同一數(shù)量級，可視為相等的應力，此應力不可能對光纖造成破損。另外，插芯內(nèi)徑隨溫度的變化，對于5(TC的最大溫度變化，可算出有0.08iim的變化量。而實際上，金屬插芯2內(nèi)徑d與光纖1外徑2a之間的間隙必大于0.08iim，所以光纖1不會受到壓縮應力。下面說明光纖法布里_珀羅傳感器金屬鎳光纖金屬插芯2和金屬套管3的制作方法采用金屬鎳來制作光纖法布里_珀羅傳感器光纖插芯和套管的原因是因為鎳資源豐富，價格較低；鎳的耐腐蝕性好，在空氣中不受氧化；它是一種常用的電鍍金屬材料，電鍍鎳的工藝也相當成熟。本發(fā)明涉及一種金屬鎳光纖法布里_珀羅傳感器光纖金屬插芯2和金屬套管3及其用電鑄技術(shù)制作的方法。這種方法是在已經(jīng)過表面光滑度加工過后的、直徑等于插芯2或套管3內(nèi)徑d或D的不銹鋼芯棒上，進行電鍍金屬鎳(厚度可達O.7-3.0mm)，然后進行切斷，再去除中心部的不銹鋼芯棒，形成插芯2或套管3毛坯。按照所需的尺寸及形狀對金屬鎳插芯2或套管3毛坯進行后期成品加工的方法，則與氧化鋯陶瓷插芯2或套管3的精加工方法相同。應用金屬鎳套管的制作方法制作而成的插芯2或套管3的內(nèi)表面光滑如鏡，它是由已經(jīng)過表面光滑度加工過后的不銹鋼芯棒來保證的，無需再做內(nèi)表面光滑度加工。通過對電流、電壓，通電時間長短的調(diào)節(jié)可控制插芯2或套管3的厚度。金屬鎳光纖法布里_珀羅傳感器插芯或套管的制作工藝過程為1、首先是用電鑄法制成插芯2或套管3的毛坯；2、將毛坯材料切斷加工；3、對外徑進行粗研磨；4、將兩端面進行研磨；5、將不銹鋼芯線從內(nèi)孔中拔出；6、同軸度加工；7、外徑圓柱精加工；8、去屑；9、清洗；10、對插芯2或套管3的幾何參數(shù)及精度進行檢測。用電鑄法制作金屬鎳光纖法布里_珀羅傳感器插芯或套管毛坯的方法如圖3所示7為金屬鎳；8直徑為d或D的不銹鋼芯棒；9為鎳鍍層即是金屬鎳插芯或套管毛坯；10為電鑄槽；11為電鑄液；將金屬鎳8聯(lián)接到電源陽極，常規(guī)鍍鎳均采用可溶性陽極，用鈦籃作為陽極，內(nèi)裝鎳球。其優(yōu)點是其陽極面積可做得足夠大且不變化，陽極保養(yǎng)比較簡單。鈦籃應裝入聚丙烯材料織成的陽極袋內(nèi)防止陽極泥掉入鍍液中。不銹鋼芯棒8聯(lián)接到電源陰極，電鑄液11組分如下主鹽為氨基磺酸鎳，該鎳鹽主要是提供鍍鎳所需的鎳金屬離子并兼起著導電鹽的作用；陽極活化劑為氯化鈉；PH緩沖劑為硼酸；脫模劑為烯烴磺酸鹽。再可根據(jù)需要增加適量其它添加劑。當電鑄液ll加熱到適當溫度(405(TC)，通電后，電鑄槽10中的電極反應為在陽極發(fā)生氧化反應；Ni-2e=Ni"，在陰極發(fā)生還原反應；Ni2++2e=Ni，鎳就被電鍍到不銹鋼芯棒8上去，即形成金屬鎳光纖插芯或套管毛坯。電鑄過程中，陽極鎳球參加了反應，被逐漸腐蝕，電鑄液11主鹽濃度不變。鎳鍍層9的厚度則是由通電時間和電流大小決定。通電的電流密度可在420A/dm2之間。電鑄液11需進行過濾和循環(huán)，它可使電鑄液得到攪拌作用，從而有利于電鑄液的均勻性，并能提高其導電性。電鑄液的主要配方如下表所示<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>電鑄液11各組分的作用分析如下主鹽-氨基磺酸鎳為鎳液中的主鹽，鎳鹽主要是提供鍍鎳所需的鎳金屬離子并兼起著導電鹽的作用。氨基磺酸鎳的沉積速率高，分散性好，應力小，最適于用作電鑄鎳液的主鹽。鎳鹽含量高，可以使用較高的陰極電流密度，沉積速度快，常用作高速鍍厚鎳。但是濃度過高將降低陰極極化，分散能力差，而且鍍液的帶出損失大。鎳鹽含量低，沉積速度低，但是分散能力很好，能獲得結(jié)晶細致光亮鍍層。陽極活化劑-鎳陽極在通電過程中極易鈍化，為了保證陽極的正常溶解，需在鍍液中加入一定量的陽極活化劑。氯離子是最好的鎳陽極活化劑。因而采用氯化鎳作為陽極活化劑。緩沖劑-硼酸用來作為緩沖劑，使鍍鎳液的ra值維持在一定的范圍內(nèi)。當鍍鎳液的ra值過低，將使陰極電流效率下降；而ra值過高時，由于H2的不斷析出，使緊靠陰極表面附近液層的ra值迅速升高，導致Ni(OH)2膠體的生成，而Ni(OH)2在鍍層中的夾雜，使鍍層脆性增加，同時Ni(OH)J交體在電極表面的吸附，還會造成氫氣泡在電極表面的滯留，使鍍層孔隙率增加。硼酸不僅有K1緩沖作用，而且他可提高陰極極化，從而改善鍍液性能。硼酸的存在還有利于改善鍍層的機械性能。脫模劑-電鍍技術(shù)和電鑄技術(shù)有一個很大的不同點電鍍時，鍍層應緊緊地附在鍍件上，起到對鍍件的保護或裝飾作用。而在電鑄中，電鑄體電鍍在模具上成型，然后需將模具從電鑄體上除去。因而電鑄體與模具不能結(jié)合得太緊，以免阻礙電鑄體的脫模工序。在本專利中，在電鑄槽內(nèi)添加含有一定量的含鹽的有機硫化物，它能被吸附在電鑄體的芯線(即電鑄模具)的表面，形成一層專為便于電鑄體從模具上剝離的鈍化膜，使不銹鋼芯線和電鑄物之間的結(jié)合強度大為降低。這樣，通過電子化學產(chǎn)生的鈍化膜和不同金屬的壓縮內(nèi)應力之間產(chǎn)生相輔相成的效果，可以在從電鑄體中抽出或者推壓出芯線時達到簡單地去除芯線的效果。硬化劑-由于金屬鎳的硬度不夠大，達不到光纖插芯對硬度的要求，故在電鑄液中應加入硬化劑使金屬鎳插芯的硬度從洛氏硬度HRC1518提高到HRC5060，以滿足使用要求。硬化劑可采用銻或銻化合物。以上述依據(jù)本發(fā)明的理想實施例為啟示，通過上述的說明內(nèi)容，相關(guān)工作人員完全可以在不偏離本項發(fā)明技術(shù)思想的范圍內(nèi)，進行多樣的變更以及修改。本項發(fā)明的技術(shù)性范圍并不局限于說明書上的內(nèi)容，必須要根據(jù)權(quán)利要求范圍來確定其技術(shù)性范圍。權(quán)利要求一種非本征型法布里-珀羅傳感器，其特征在于該傳感器包括兩段光纖、兩段金屬插芯以及金屬套管，所述每段金屬插芯的內(nèi)側(cè)固定有光纖，所述兩段金屬插芯的外側(cè)封裝有金屬套管，所述兩段光纖和/或金屬插芯端部形成有對立的端面組，該端面組與金屬套管形成中空的腔體，所述端面組上噴涂有反射膜。2.如權(quán)利要求1所述的非本征型法布里_珀羅傳感器，其特征在于所述金屬插芯和/或金屬套管由金屬鎳或銅或鉻制成。3.如權(quán)利要求1或2所述的非本征型法布里_珀羅傳感器，其特征在于所述反射膜為反射鋁膜。4.如權(quán)利要求1所述的非本征型法布里_珀羅傳感器，其特征在于所述金屬插芯的內(nèi)徑d^光纖外徑2a+0.08um。5.如權(quán)利要求1所述的非本征型法布里_珀羅傳感器，其特征在于所述金屬套管長度M^光纖的端面之間的長度L。6.如權(quán)利要求1所述的非本征型法布里_珀羅傳感器，其特征在于所述光纖與金屬插芯之間通過環(huán)氧樹脂加以粘接。7.如權(quán)利要求1所述的非本征型法布里_珀羅傳感器，其特征在于所述金屬插芯與金屬套管通過焊接方式連接。8.如權(quán)利要求1所述的非本征型法布里_珀羅傳感器的制作方法，其特征在于所述兩段光纖和/或金屬插芯對立的端面組為同軸、平行。9.一種非本征型法布里-珀羅傳感器的制作方法，其特征在于該方法包括以下步驟A)用光纖切割刀將通信單模光纖切割成兩段單模光纖，保護好切割端面；B)在兩段光纖外側(cè)套裝金屬插芯，將金屬插芯的端面與光纖的切割端面平齊，通過環(huán)氧樹脂將金屬插芯與光纖粘接，對平齊后的金屬插芯的端面與光纖的切割端面進行研磨、拋光；C)采用蒸涂工藝在平齊的光纖切割端面與金屬插芯端面噴涂反射鋁膜；D)將兩段金屬插芯伸入金屬套管，通過微調(diào)機構(gòu)調(diào)整兩段金屬插芯端面之間的距離從而調(diào)整腔體的長度L;E)將金屬插芯與金屬套管焊接，從而形成一個完整的非本征型法布里-珀羅傳感器。全文摘要本發(fā)明涉及一種非本征型法布里-珀羅傳感器，該傳感器包括兩段光纖、兩段金屬插芯以及金屬套管，所述每段金屬插芯的內(nèi)側(cè)固定有光纖，所述兩段金屬插芯的外側(cè)封裝有金屬套管，所述兩段光纖和/或金屬插芯端部形成有對立的端面組，該端面組與金屬套管形成中空的腔體，所述端面組上噴涂有反射膜。本發(fā)明具有比常規(guī)的利用毛細管石英玻璃制作的光纖法布里-珀羅傳感器的腔體結(jié)構(gòu)具有工藝簡單、制作方便、成本低廉等優(yōu)點。文檔編號G02B6/38GK101788700SQ201010003979公開日2010年7月28日申請日期2010年1月9日優(yōu)先權(quán)日2010年1月9日發(fā)明者石明,陳炳炎申請人:常州南方通信科技有限公司