本發(fā)明涉及光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于電弧焊接的光纖法珀腔快速制作系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

法布里-珀羅干涉儀，簡稱法珀腔，其基本組成結(jié)構(gòu)是兩個(gè)互相平行的光學(xué)反射平面。參見圖1，石英毛細(xì)管11通過焊點(diǎn)12與去除涂覆層的兩段光纖13和14焊接，并構(gòu)成一個(gè)光纖法珀腔結(jié)構(gòu)。上述兩個(gè)端面之間的距離為該光纖法珀腔的腔長。實(shí)際應(yīng)用中，該光纖法珀腔的腔長在環(huán)境(如溫度、壓力、應(yīng)變等)變化時(shí)而發(fā)生改變，通過測量法珀腔的干涉光譜可以計(jì)算出法珀腔的腔長(目前的譜分析算法能到亞納米精度腔長解調(diào)精度)，進(jìn)而可以根據(jù)法珀腔腔長變化計(jì)算出環(huán)境變化。因此，上述光纖法珀腔可以作為不同的傳感器，實(shí)現(xiàn)對不同物理量的高精度測量，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

現(xiàn)有技術(shù)中，將光纖與毛細(xì)管焊接形成法珀腔的方法稱為光纖法珀腔的制作方法或加工工藝，目前常用的制作方法包括膠粘法和激光焊接法，以及基于上述兩種方法的發(fā)展和改進(jìn)。

例如，膠粘法最初使環(huán)氧樹脂，后面陸續(xù)采用性能優(yōu)異的膠水替代上述環(huán)氧樹脂。該膠粘法操作過程簡單，但是所制作的法珀腔容易蠕動(dòng)溫漂甚至失效，導(dǎo)致長期穩(wěn)定性不好。

又如，激光焊接法使用高頻CO₂激光脈沖照射毛細(xì)管外壁將光纖與毛細(xì)管接觸點(diǎn)熔接，由單側(cè)照射到目前的三光束焊接，可以使法珀腔具有全密封、焊點(diǎn)變形小以及應(yīng)力分布均勻等優(yōu)點(diǎn)。但是該方法需要使用光路精細(xì)高速平臺(tái)裝置，成本高且操作復(fù)雜，而且光纖法珀腔的制作成功率也有限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明提供一種基于電弧焊接的光纖法珀腔快速制作系統(tǒng)及方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中利用膠粘法制作的法珀腔長期穩(wěn)定性不好或者激光焊接法制作法珀腔成功率低且制作平臺(tái)裝置成本高和操作復(fù)雜的問題。

第一方面，本發(fā)明提供了一種基于電弧焊接的光纖法珀腔快速制作系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括光纖法珀腔解調(diào)儀和光纖熔接機(jī)；其中，

所述光纖熔接機(jī)用于根據(jù)預(yù)設(shè)算法多次放電焊接放置到預(yù)設(shè)位置的毛細(xì)管和光纖；

所述光纖法珀腔解調(diào)儀與所述光纖光連接，用于實(shí)時(shí)獲取所述光纖和所述毛細(xì)管所形成法珀腔的反射光譜以供用戶根據(jù)該反射光譜調(diào)整焊接過程從而使法珀腔腔長滿足預(yù)設(shè)要求。

可選地，所述光纖熔接機(jī)包括保護(hù)罩、顯微鏡、放電電極和可XYZ三方向平移的夾具平臺(tái)；其中，

所述保護(hù)罩用于保護(hù)設(shè)置其內(nèi)部的顯微鏡、放電電極和夾具平臺(tái)；

所述可XYZ三方向平移的夾具平臺(tái)用于固定所述光纖和所述毛細(xì)管；

所述顯微鏡用于放大放置在預(yù)設(shè)位置的光纖和毛細(xì)管以供用戶將所述光纖穿入所述毛細(xì)管并調(diào)整焊點(diǎn)位置至所述夾具平臺(tái)的預(yù)設(shè)位置；

所述放電電極用于根據(jù)所述預(yù)設(shè)算法多次輸出預(yù)設(shè)幅值和預(yù)設(shè)時(shí)長的電流生成電弧在使所述毛細(xì)管和所述光纖的焊點(diǎn)熔融進(jìn)行焊接。

第二方面，本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種基于電弧焊接的光纖法珀腔快速制作方法，所述方法包括：

S1、將一段光纖第一端和毛細(xì)管第一端的焊點(diǎn)調(diào)整到預(yù)設(shè)位置；

S2、根據(jù)預(yù)設(shè)算法調(diào)整放電電極多次輸出預(yù)設(shè)幅值和預(yù)設(shè)時(shí)長的電流生成電弧熔融所述光纖第一端和所述毛細(xì)管第一端的焊點(diǎn)進(jìn)行焊接；

S3、在所述光纖的第二端實(shí)時(shí)監(jiān)測所述光纖第一端端面的反射光譜，以供用戶根據(jù)所述反射光譜判斷焊點(diǎn)質(zhì)量；

S4、在所述毛細(xì)管的第二端穿入另一光纖形成法珀腔，獲取所述法珀腔的干涉光譜以使該法珀腔長度滿足預(yù)設(shè)要求，然后根據(jù)步驟S1～S2對另一光纖第二端和所述毛細(xì)管第二端的焊點(diǎn)進(jìn)行焊接。

可選地，所述預(yù)設(shè)算法包括：

第一次放電時(shí)間為1秒，電流為15～20mA；

第二次放電時(shí)間為3～4秒，電流為30～40mA；

第三次放電時(shí)間為2秒，電流為15～20mA。

可選地，所述步驟S4包括：

根據(jù)所述反射光譜解調(diào)所述光纖法珀腔的腔長；

調(diào)整兩段光纖的端面距離以使所述光纖法珀腔的腔長滿足要求。

可選地，所述步驟S1包括：

清潔所述毛細(xì)管內(nèi)外壁后固定在可XYZ三方向平移的夾具平臺(tái)的第一側(cè)；

將光纖去除涂覆層切平端面后固定在所述夾具平臺(tái)的第二側(cè)；

在顯微鏡下將所述光纖穿入所述毛細(xì)管中。

可選地，所述步驟S2包括：

根據(jù)所述石英管材料和厚度以及所述光纖材料確定放電電極輸出電流的預(yù)設(shè)幅值和預(yù)設(shè)時(shí)長。

可選地，所述根據(jù)所述石英管材料和厚度以及所述光纖材料確定放電電極輸出電流的預(yù)設(shè)幅值和預(yù)設(shè)時(shí)長的步驟之前包括：

從同一批次的石英管和光纖中選取多組樣品；

利用放電電極輸出不同幅值和不同時(shí)長的電流以產(chǎn)生電弧施加到每組石英管和光纖樣品；

將石英管和光纖焊接后的樣品組對應(yīng)電流的幅值和時(shí)長分別作為放電電極輸出電流的預(yù)設(shè)幅值和預(yù)設(shè)時(shí)長。

本發(fā)明在光纖熔接機(jī)上將光纖穿入到毛細(xì)管中，然后根據(jù)預(yù)設(shè)算法利用放電電極輸出預(yù)設(shè)幅值和預(yù)設(shè)時(shí)長的電流產(chǎn)生電弧以使毛細(xì)管與光纖進(jìn)行焊接；在焊接過程中，利用光纖法珀腔解調(diào)儀獲取光纖端面的反射光譜判斷焊點(diǎn)質(zhì)量即判斷光纖端面是否受到焊接過程影響而發(fā)生變形，以及解調(diào)出的法珀腔腔長判斷該腔長是否滿足預(yù)設(shè)要求。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明實(shí)施例利用光纖熔接機(jī)可以快速加工光纖法珀腔，操作簡單，制作時(shí)間短。并且焊接過程可在線監(jiān)測光譜，實(shí)時(shí)把握焊接質(zhì)量，所制作的光纖法珀腔結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，應(yīng)用溫度和應(yīng)變傳感器時(shí)具有優(yōu)異的性能，穩(wěn)定可靠。

附圖說明

通過參考附圖會(huì)更加清楚的理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)，附圖是示意性的而不應(yīng)理解為對本發(fā)明進(jìn)行任何限制，在附圖中：

圖1為非本征法-珀腔示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于電弧焊接的光纖法珀腔快速制作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于電弧焊接的光纖法珀腔快速制作方法流程示意圖；

圖4為圖3所示方法制作的光纖法珀腔的光譜圖；

圖5為圖3所示方法制作的光纖法珀腔作為溫度傳感器在溫度環(huán)境下的腔長響應(yīng)曲線示意圖。

具體實(shí)施方式

為了能夠更清楚地理解本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)描述。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。

在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是，本發(fā)明還可以采用其他不同于在此描述的其他方式來實(shí)施，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不受下面公開的具體實(shí)施例的限制。

第一方面，本發(fā)明提供了一種基于電弧焊接的光纖法珀腔快速制作系統(tǒng)，如圖2所示，所述系統(tǒng)包括光纖法珀腔解調(diào)儀21和光纖熔接機(jī)23。其中，

光纖熔接機(jī)21用于根據(jù)預(yù)設(shè)算法多次放電焊接放置到預(yù)設(shè)位置的毛細(xì)管27和光纖22；

光纖法珀腔解調(diào)儀21與光纖22光連接，用于實(shí)時(shí)獲取光纖22和毛細(xì)管27所形成法珀腔的反射光譜以供用戶根據(jù)該反射光譜調(diào)整焊接過程從而使法珀腔腔長滿足預(yù)設(shè)要求。

上述光纖熔接機(jī)21包括保護(hù)罩23、顯微鏡24、放電電極25和可XYZ三方向平移的夾具平臺(tái)26。其中，

保護(hù)罩23用于保護(hù)設(shè)置其內(nèi)部的顯微鏡24、放電電極25和夾具平臺(tái)26；

可XYZ三方向平移的夾具平臺(tái)26用于固定所述光纖22和所述毛細(xì)管27；

顯微鏡24用于放大放置在預(yù)設(shè)位置的光纖22和毛細(xì)管24以供用戶將所述光纖22穿入所述毛細(xì)管27并調(diào)整焊點(diǎn)位置至所述夾具平臺(tái)26的預(yù)設(shè)位置；

放電電極25用于根據(jù)所述預(yù)設(shè)算法多次輸出預(yù)設(shè)幅值和預(yù)設(shè)時(shí)長的電流生成電弧在使所述毛細(xì)管27和所述光纖22的焊點(diǎn)熔融進(jìn)行焊接。

實(shí)際應(yīng)用中，本發(fā)明實(shí)施例中上述光纖熔接機(jī)可以采用現(xiàn)有技術(shù)中的光纖熔接機(jī)實(shí)現(xiàn)，例如，可采用愛立信FSU975型號的光纖熔接機(jī)。當(dāng)然本領(lǐng)域技術(shù)人員也可以采用基于光纖熔接機(jī)設(shè)置的專用加工裝置實(shí)現(xiàn)，還可以采用具有上述功能的設(shè)備實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明不作限定。

需要說明的是，本發(fā)明實(shí)施例中上述放電電極25中包括已經(jīng)集成預(yù)設(shè)算法的控制模塊，例如將單片機(jī)、DSP、ARM芯片或者FPGA芯片中集成上述預(yù)設(shè)算法，然后由該芯片執(zhí)行上述預(yù)設(shè)算法后輸出預(yù)設(shè)幅值和預(yù)設(shè)時(shí)長的電流，分別位于石英管兩側(cè)的放電電極會(huì)產(chǎn)生電弧熔融該石英管。當(dāng)然，本領(lǐng)域技術(shù)人員在采用現(xiàn)有技術(shù)中的光纖熔接機(jī)時(shí)，可以將上述控制模塊設(shè)置在光纖熔接機(jī)的外部，或者設(shè)置在上位機(jī)中，由用戶通過上述控制模塊對放電電極中電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)具體場景進(jìn)行選擇，本發(fā)明不作限定。

需要說明的是，本發(fā)明實(shí)施例中光纖法珀腔解調(diào)儀21與上述光纖22光連接，可以向該光纖22發(fā)射激光束，然后再接收由光纖22端面反射的激光束形成反射光譜。用戶可以根據(jù)上述反射光譜判斷焊接質(zhì)量，然后根據(jù)焊接質(zhì)量調(diào)節(jié)上述光纖熔接機(jī)中放電電極中的電流，從而調(diào)節(jié)產(chǎn)生電弧的強(qiáng)度，進(jìn)而調(diào)整毛細(xì)管和光纖焊接質(zhì)量。該光纖法珀腔解調(diào)儀21可以采用現(xiàn)有技術(shù)中的常用設(shè)備實(shí)現(xiàn)，也可以采用專用設(shè)備實(shí)現(xiàn)，還可以采用例如激光器、環(huán)形器和光譜儀多種設(shè)備組合構(gòu)成，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)具體場景進(jìn)行選擇，本發(fā)明不作限定。

第二方面，本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種基于電弧焊接的光纖法珀腔快速制作方法，如圖3所示，所述方法包括：

S1、將光纖第一端和毛細(xì)管第一端的焊點(diǎn)調(diào)整到預(yù)設(shè)位置；

S2、根據(jù)預(yù)設(shè)算法調(diào)整放電電極多次輸出預(yù)設(shè)幅值和預(yù)設(shè)時(shí)長的電流生成電弧熔融所述光纖第一端和所述毛細(xì)管第一端的焊點(diǎn)進(jìn)行焊接；

S3、在所述光纖的第二端實(shí)時(shí)監(jiān)測所述光纖第一端端面的反射光譜，以供用戶根據(jù)所述反射光譜判斷焊點(diǎn)質(zhì)量；

S4、在所述毛細(xì)管的第二端穿入另一光纖形成法珀腔，獲取所述法珀腔的干涉光譜以使該法珀腔長度滿足預(yù)設(shè)要求，然后根據(jù)步驟S1～S2對另一光纖第二端和所述毛細(xì)管第二端的焊點(diǎn)進(jìn)行焊接。

本發(fā)明實(shí)施例中，首先將毛細(xì)管內(nèi)外壁清潔，利用夾具平臺(tái)固分為兩部分，其中一部分固定石英管的一端，另一部分固定光纖夾具平臺(tái)上，即將毛細(xì)管固定在夾具平臺(tái)的第一側(cè)，光纖固定在夾具平臺(tái)的第二側(cè)。在顯微鏡下將上述光纖穿入石英管中，并且將光纖第一端和毛細(xì)管的焊點(diǎn)調(diào)整到預(yù)設(shè)位置，例如，將光纖第一端和毛細(xì)管的焊點(diǎn)調(diào)整到夾具平臺(tái)兩部分的中間位置。由于夾具平臺(tái)可以在XYZ三方向平移，因此非常方便地將焊點(diǎn)調(diào)整到上述中間位置。

其次控制模塊調(diào)整放電電極多次輸出預(yù)設(shè)幅值和預(yù)設(shè)時(shí)長的電流生成電弧對光纖第一端和毛細(xì)管的焊點(diǎn)進(jìn)行焊接。可選地，本發(fā)明實(shí)施例中采用毛細(xì)管內(nèi)徑65μm、外徑150μm的高硼硅玻璃管，光纖采用G.652普通單模光纖時(shí)，上述預(yù)設(shè)算法包括：

第一次放電時(shí)間為1秒，電流為15～20mA；

第二次放電時(shí)間為3～4秒，電流為30～40mA；

第三次放電時(shí)間為2秒，電流為15～20mA。

在上述放電過程中，利用光纖法珀腔解調(diào)儀實(shí)時(shí)采集反射光譜。需要說明的是，本發(fā)明實(shí)施例中反射光譜包括光纖端面反射光譜和法珀腔干涉光譜，本發(fā)明實(shí)施例中統(tǒng)稱為反射光譜。可理解的是，步驟S3中，由于毛細(xì)管中僅有一段光纖，此時(shí)光纖法珀腔解調(diào)儀可以獲取到光纖端面反射光譜。該光纖端面反射光譜與圖4波形的外包絡(luò)相近，為一條平滑的曲線，通過對比該光纖端面在焊接前后的光纖端面反射光譜即可判斷該光纖端面是否因?yàn)楹附佣l(fā)生變形，從而可以判斷上述法珀腔第一端的焊點(diǎn)質(zhì)量。

在毛細(xì)管第一端與光纖完成焊接后，按照步驟S1將毛細(xì)管的第二端固定在夾具平臺(tái)，將另一光纖固定在夾具的另一側(cè)，然后在顯微鏡的幫助下，將另一光纖穿入該毛細(xì)管中。光纖法珀腔解調(diào)儀與另一光纖光連接，此時(shí)獲取法珀腔的干涉光譜，如圖4所示，從而解調(diào)出法珀腔的腔長，調(diào)整兩段光纖的端面距離以使光纖法珀腔的腔長滿足要求。再按照步驟S2焊接毛細(xì)管第二端和光纖的焊點(diǎn)。另外，通過對比另一光纖端面在焊接前后的干涉光譜即可判斷另一光纖端面是否因?yàn)楹附佣l(fā)生變形，從而可以判斷上述法珀腔第二端的焊點(diǎn)質(zhì)量。當(dāng)毛細(xì)管第二端與光纖完成焊接后，則光纖法珀腔制作完成。

步驟S2中根據(jù)石英管材料和厚度以及光纖材料確定放電電極輸出電流的預(yù)設(shè)幅值和預(yù)設(shè)時(shí)長。例如，從同一批次的石英管和光纖中選取多組樣品，然后放電電極分別對每組石英管和光纖輸出不同幅值和不同時(shí)長的電流，以使上述放電電極產(chǎn)生電弧熔融焊接。然后將石英管與光纖完成焊接的樣品組所對應(yīng)電流的幅值和時(shí)長分別作為放電電極輸出電流的預(yù)設(shè)幅值和預(yù)設(shè)時(shí)長，在制作光纖法珀腔時(shí)，由控制模塊直接輸出上述預(yù)設(shè)幅值和預(yù)設(shè)時(shí)長的電流即可。

實(shí)際應(yīng)用中，由于光纖熔接機(jī)使用單電極放電，單電弧焊接難以使毛細(xì)管和光纖全密封，本發(fā)明實(shí)施例制作的光纖法珀腔不適宜用于壓力傳感器，但是可以作為溫度和應(yīng)變傳感器。如圖5所示，將上述光纖法珀腔(高硼硅玻璃管)作為溫度傳感器，在溫度環(huán)境下法珀腔腔長的響應(yīng)曲線，可看到該光纖法珀腔耐溫高，且溫度響應(yīng)線性度好，即該光纖法珀腔作為溫度傳感器時(shí)具有優(yōu)異的性能，穩(wěn)定可靠。

本發(fā)明實(shí)施例提供的基于電弧焊接的光纖法珀腔快速制作系統(tǒng)及方法，在光纖熔接機(jī)上將光纖穿入到毛細(xì)管中，然后根據(jù)預(yù)設(shè)算法利用放電電極輸出預(yù)設(shè)幅值和預(yù)設(shè)時(shí)長的電流產(chǎn)生電弧以使毛細(xì)管與光纖進(jìn)行焊接；在焊接過程中，利用光纖法珀腔解調(diào)儀獲取光纖端面的反射光譜判斷焊點(diǎn)質(zhì)量，根據(jù)干涉光譜解調(diào)出的法珀腔腔長判斷該腔長是否滿足預(yù)設(shè)要求。本發(fā)明實(shí)施例利用光纖熔接機(jī)可以快速加工光纖法珀腔，操作簡單，制作時(shí)間短。并且焊接過程可在線監(jiān)測光譜，實(shí)時(shí)把握焊接質(zhì)量，所制作的光纖法珀腔結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，應(yīng)用溫度和應(yīng)變傳感器時(shí)具有優(yōu)異的性能，穩(wěn)定可靠。

在本發(fā)明中，術(shù)語“第一”、“第二”、“第三”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。術(shù)語“多個(gè)”指兩個(gè)或兩個(gè)以上，除非另有明確的限定。

雖然結(jié)合附圖描述了本發(fā)明的實(shí)施方式，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下做出各種修改和變型，這樣的修改和變型均落入由所附權(quán)利要求所限定的范圍之內(nèi)。