本發(fā)明涉及光纖超聲波傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種溫度自補(bǔ)償型光纖efpi(extrinsicfabry-perotinterferometer，外腔式法布里-帕羅干涉型傳感器)超聲波傳感器的制作方法。

背景技術(shù)：

目前國內(nèi)外工業(yè)設(shè)備用超聲波信號監(jiān)測有多種方法，壓電超聲法檢測法是最普及的方法，但傳感器是貼在設(shè)備外殼上的，其檢測設(shè)備內(nèi)部的超聲波信號，不易受到電磁噪聲的干擾，但靈敏度不高。也有將壓電傳感器放置在設(shè)備外殼的內(nèi)部，在液體中檢測超聲波信號的，但由于壓電超聲傳感器在液體中檢測靈敏度也不高，同時(shí)不能放在強(qiáng)電場中，或帶高電壓部位處進(jìn)行測量，使其檢測方法受到限制。

光纖efpi傳感器通常由光纖端面和膜片端面構(gòu)成f-p微諧振腔，當(dāng)壓力作用在膜片上將使膜片變形，使得法布里-帕羅腔(以下簡稱f-p腔)腔長發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)傳感。efpi傳感器具有體積小、損耗低、干擾小、絕緣性能好和防燃防腐蝕的優(yōu)點(diǎn)而具有廣泛的應(yīng)用前景。近年來提出了一些設(shè)計(jì)方案，如2001年donc.abeysinghe等在包層直徑分別為200微米和400微米，芯徑為190微米和360微米的多模光纖端面刻蝕出微腔，然后在該端面鍵合上硅片構(gòu)成傳感器；2005年junchengxu等利用氫氟酸蝕刻大芯徑的石英光纖獲得石英膜片，石英膜片熔接于毛細(xì)管端面處，切割的單模光纖瑞面伸入到該毛細(xì)管中就與石英膜片構(gòu)成了光纖法布里-帕羅超聲波傳器感；2006年xiaodongwang等在500微米厚的pyrex玻璃微加工出微腔體，然后硅片鍵合在pyrex玻璃上，并和伸入腔體的光纖端面構(gòu)成了光纖法布里-帕羅腔；2006年王鳴等利用單晶硅片，玻璃圓管，光纖法蘭盤和光纖插頭構(gòu)建了光纖法布里-帕羅腔。2012年江俊峰等提出了無膠封裝的制作efpi傳感器和制作方法。

已有的光纖efpi傳感器制作方法對于f-p腔腔長的定位精度不足，又由于焊接應(yīng)力和應(yīng)變的影響，導(dǎo)致所制作的光纖efpi傳感器不適合高頻快速的超聲 波信號的監(jiān)測，已有的光纖efpi傳感器制作方法多采用單一的方式對f-p腔進(jìn)行封裝，可靠性低，批量制作的一次成功率低，沒有實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償并且溫度特性的一致性差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種溫度自補(bǔ)償型光纖efpi超聲波傳感器的制作方法。該制作方法提高了傳感器批量制作的一次成功率和性能一致性，提高傳感器可靠性和使用壽命。也實(shí)現(xiàn)f-p腔腔長的精確定位和精確的定點(diǎn)焊接，保證對超聲波信號有很高的靈敏度和測量精度。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下：本發(fā)明涉及一種溫度自補(bǔ)償型光纖efpi超聲波傳感器的制作方法，該溫度自補(bǔ)償型光纖efpi超聲波傳感器包括傳感器體單元和設(shè)置在該傳感器體單元內(nèi)部的傳感器頭單元，所述傳感器頭單元包括毛細(xì)管、膜片以及設(shè)置在毛細(xì)管內(nèi)的光纖和套頭支架，該制作方法包括以下步驟：

傳感器頭單元的制作，先將膜片焊接在毛細(xì)管的端部，然后將光纖固定在套頭支架內(nèi)，再將光纖和套頭支架從毛細(xì)管的另一端置入毛細(xì)管內(nèi)并最后將套頭支架與毛細(xì)管焊接固定，使膜片的內(nèi)表面、光纖的前端面以及毛細(xì)管的內(nèi)表面共同界定形成一個(gè)法布里-帕羅腔；以及

將所述制作好的傳感器頭單元裝配至傳感器體單元的內(nèi)部并封裝固定。

進(jìn)一步，在所述套頭支架置入毛細(xì)管內(nèi)部之前，在該套頭支架的外側(cè)表面采用脈沖激光進(jìn)行毛化處理。

優(yōu)化的，所述光纖與套頭支架固定的方法是采用激光深熔方式焊接，焊接的位置與該套頭支架的前端面之間的距離為200～500μm。

進(jìn)一步，在所述套頭支架與毛細(xì)管進(jìn)行焊接工序之前，通過一監(jiān)測系統(tǒng)實(shí) 時(shí)監(jiān)測所述法布里-帕羅腔的腔長，并通過控制三維移動(dòng)平臺來調(diào)節(jié)光纖、套頭支架與毛細(xì)管使得該腔長保持在一預(yù)定值；該法布里-帕羅腔的腔長為膜片內(nèi)表面與光纖前端面之間的距離。

具體而言，所述監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測法布里-帕羅腔的腔長的具體步驟為：將光束從光纖導(dǎo)入法布里-帕羅腔內(nèi)，通過監(jiān)測系統(tǒng)中的光譜儀來接收光束在光纖前端面和膜片內(nèi)表面分別反射光線所產(chǎn)生的干涉光譜，最終根據(jù)該干涉光譜計(jì)算出法布里-帕羅腔的腔長。

進(jìn)一步，在所述套頭支架與毛細(xì)管焊接中，先在毛細(xì)管的圓周均勻熔接多個(gè)預(yù)焊點(diǎn)，然后再對套頭支架與毛細(xì)管進(jìn)行深熔焊接，深熔焊接的焊點(diǎn)靠近該預(yù)焊點(diǎn)并位于與所述套頭支架前端面相反的方向上。

進(jìn)一步，所述傳感器體單元包括一傳感器護(hù)套和光纖套管，將所述傳感器頭單元裝配至傳感器體單元的內(nèi)部時(shí)，先將傳感器頭單元裝入傳感器護(hù)套內(nèi)，再將光纖套管裝配在傳感器護(hù)套的一端，以對內(nèi)部的傳感器頭單元進(jìn)行定位，最后進(jìn)行灌封膠工藝。

優(yōu)化的，在灌封膠工藝中，在傳感器護(hù)套的中部開設(shè)有多個(gè)工藝孔，可在該工藝孔中灌封環(huán)氧樹脂或紫外膠并固化封裝。

本發(fā)明的有益效果主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1、本發(fā)明提出的采用激光焊接封裝傳感器頭單元，同時(shí)采用灌封膠的方式固定和密封套頭支架尾端，將膜片激光焊接在毛細(xì)管端部，實(shí)現(xiàn)了雙重密封f-p腔，防止外界物質(zhì)進(jìn)入或干擾f-p腔，提高了傳感器的準(zhǔn)確度和使用可靠性。

2、本發(fā)明提出應(yīng)用efpi傳感器f-p腔腔長的監(jiān)測、解調(diào)、定位、焊接系統(tǒng)，進(jìn)行f-p腔腔長調(diào)節(jié)、焊接固定的全程操作，實(shí)現(xiàn)f-p腔腔長的精確定位和精確的定點(diǎn)焊接，保證光纖efpi超聲波傳感器對超聲波信號有很高的靈敏度和測量精度；保證光纖efpi超聲波傳感器具有溫度自補(bǔ)償功能的同時(shí)，提高傳感器批量制作的一次成功率和性能一致性；提高傳感器可靠性和使用壽命。

附圖說明

圖1是實(shí)施例中涉及的光纖efpi超聲波傳感器中的傳感器頭單元的外部結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是實(shí)施例中涉及的傳感器頭單元的正面示意圖；

圖3是圖2中沿著a-a方向的剖視圖；

圖4是實(shí)施例中涉及的溫度自補(bǔ)償型光纖efpi超聲波傳感器的整體外觀圖；

圖5是實(shí)施例中涉及的溫度自補(bǔ)償型光纖efpi超聲波傳感器的正面示意圖；

圖6是實(shí)施例中涉及的f-p腔腔長的監(jiān)測、解調(diào)、定位、焊接系統(tǒng)原理示意圖。

具體實(shí)施方式

下面就以具體實(shí)施例對本發(fā)明所涉及的溫度自補(bǔ)償型光纖efpi超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)以及制作方法作進(jìn)一步闡述：

參見圖1至圖3所示，本實(shí)施例中提供了一種光纖efpi超聲波傳感器30，包括傳感器頭單元20和傳感器體單元，所述傳感器體單元包括傳感器護(hù)套9，該傳感器頭單元20設(shè)置在該傳感器護(hù)套9內(nèi)部，所述傳感器頭單元20包括毛細(xì)管3以及一部分設(shè)置在毛細(xì)管3內(nèi)的光纖1和用于固定光纖1的套頭支架2，在所述毛細(xì)管3的一端上還設(shè)置有用于感測超聲波振動(dòng)的膜片4，該膜片4的內(nèi)表面13、光纖1的前端面12以及毛細(xì)管3的內(nèi)表面共同界定形成一個(gè)法布里-帕羅腔11，該光纖1的前端面12構(gòu)成該法布里-帕羅腔11的第一個(gè)反射面，該膜片4的內(nèi)表面13構(gòu)成該法布里-帕羅腔11的第二個(gè)反射面。

光纖efpi超聲波傳感器的工作過程如下：當(dāng)超聲波作用時(shí)，傳感器頭單元20的膜片4感應(yīng)超聲波發(fā)生彈性共振效應(yīng)，振動(dòng)的頻率和幅值與感應(yīng)到的超聲波的頻率和幅值具有正相關(guān)性。從而使傳感器頭單元20中f-p腔(法布里-帕羅腔11)的腔長發(fā)生對應(yīng)的波動(dòng)性變化。當(dāng)有窄帶光源通過光纖1接入后，通 過對光纖efpi超聲波傳感器的反射光譜相干干涉光強(qiáng)度的幅值、頻率和其變化，進(jìn)行信號采集、特征提取和分析，從而獲取超聲波的傳感信息。

上述膜片4用作彈性膜片，感受所處環(huán)境中的超聲波振動(dòng)，發(fā)生彈性共振效應(yīng)，膜片4的材料是石英或單晶硅片，厚度為loμm～100μm。

毛細(xì)管3是傳感器頭單元20的一部分，同時(shí)也用作傳感器中的支撐結(jié)構(gòu)和傳輸光纖1的容納結(jié)構(gòu)，形狀為環(huán)形圓柱，制作材料是pyrex玻璃或其他玻璃材料，毛細(xì)管3的內(nèi)徑優(yōu)選為900-1200μm，壁厚300-400μm，該毛細(xì)管3的前端面與膜片4的內(nèi)表面13熔接在一起。采用膜片4的厚度和毛細(xì)管3的內(nèi)徑與所測超聲波的中心頻率相對應(yīng)，根據(jù)需要，計(jì)算選擇對應(yīng)的膜片和毛細(xì)管的具體規(guī)格。

套頭支架2用作光纖1的支撐結(jié)構(gòu)和固定結(jié)構(gòu)，制作材料是pyrex玻璃或其他玻璃材料，形狀為圓柱形，中間開有一個(gè)軸向通孔，用于支撐和固定光纖1，軸向通孔直徑優(yōu)選為126～136μm。套頭支架2的側(cè)表面毛化處理，在裝配定位過程中用作氣體滲透層。

光纖1用于傳輸入射光和出射光，該光纖1由套頭支架2中間的軸向通孔內(nèi)穿過，光纖1與套頭支架2熔接固定，用作傳輸?shù)墓饫w1種類是單模光纖或多模光纖。光纖1的前端面12伸出套頭支架2前端面14的距離為200～500μm，光纖1與套頭支架2熔接的位置5在套頭支架2的前端面14的靠后200～500μm的位置。即光纖1穿過該軸向通孔并且該光纖1的前端面12伸出該套頭支架2的前端面12一段距離，這樣可以保證，光纖1前端的長度受溫度變化干擾的影響最小。

所述的法布里-帕羅腔11的腔長的調(diào)節(jié)和固定通過專用的在線監(jiān)測、解調(diào)、定位、焊接系統(tǒng)進(jìn)行控制和操作，保證腔長固定在設(shè)定的長度內(nèi)，保證測量的準(zhǔn)確性。

所述套頭支架2與毛細(xì)管3之間通過激光熔接，熔接點(diǎn)的位置6與套頭支架前端面14之間的距離為l2，熔接點(diǎn)的位置6與毛細(xì)管3前端面之間的距離為l3，l2與l3的比值等于該毛細(xì)管3的熱膨脹系數(shù)α3與套頭支架2的熱膨脹系數(shù)α2之間的比值，且α2大于α3。

上述溫度自補(bǔ)償?shù)脑砗蛯?shí)現(xiàn)方式：首先選擇材料，要保證套頭支架2的 熱膨脹系數(shù)(α2)大于毛細(xì)管3的熱膨脹系數(shù)(α3)。如圖3所示，根據(jù)公式：δl2＝α2*l2*δt；δl3＝α3*l3*δt；為了使δl2＝δl3，則有：l2/l3＝α3/α2，(l3-l2為已知，即為法布里-帕羅腔11的腔長)，則可求解出l2和l3的具體數(shù)值，即可計(jì)算出能夠?qū)崿F(xiàn)溫度自補(bǔ)償?shù)娜劢狱c(diǎn)的位置6。當(dāng)工作環(huán)境溫度變化時(shí)，套頭支架2與毛細(xì)管3的伸長或收縮的長度相等，從而保證f-p腔腔長的恒定不變，也就實(shí)現(xiàn)了傳感器的溫度自補(bǔ)償功能。

如圖4和圖5所示，傳感器體單元包括傳感器護(hù)套9、光纖套管8等保護(hù)結(jié)構(gòu)件。傳感器護(hù)套9用作傳感器頭的支撐結(jié)構(gòu)和保護(hù)結(jié)構(gòu)。傳感器護(hù)套9安裝在傳感器頭的外部，前端伸出的長度超過膜片4，形狀為鼠籠狀圓柱形用于保護(hù)膜片4；后端的延長段內(nèi)孔15與光纖套管8配合，用于固定光纖套管8，保護(hù)光纖1，避免光纖1過度折彎。在傳感器頭單元20與外部的保護(hù)結(jié)構(gòu)件的裝配時(shí)，需要先將傳感器護(hù)套9和光纖套管8如圖4所示的位置進(jìn)行裝配。傳感器護(hù)套9的中部開有打膠工藝孔，用于傳感器頭單元20的固定和光纖1連接部位的保護(hù)。

光纖套管8是裝配在傳感器頭單元20的尾部，用于保護(hù)光纖1，制作材料為氟硅膠塑料管。它的內(nèi)孔與光纖1的保護(hù)皮層7配合，外徑略大于傳感器護(hù)套9尾部的內(nèi)孔直徑，使光纖套管8與傳感器護(hù)套9為緊配合，從而固定光纖套管8。傳感器護(hù)套9的中部有4個(gè)對稱的打膠工藝孔，光纖支架2和保護(hù)皮層7的連接部位正對在打膠工藝孔的下面，打膠工藝孔中灌封的是環(huán)氧樹脂或紫外膠。傳感器護(hù)套9的外表面尾部預(yù)留了1～3個(gè)內(nèi)凹的環(huán)形卡槽10，可安裝卡簧或橡膠圈，用于傳感器工程安裝的工藝結(jié)構(gòu)。

本實(shí)施例中還提供了上述溫度自補(bǔ)償型光纖efpi超聲波傳感器的制作方法，主要分為兩個(gè)步驟，第一步：傳感頭單元20制作，第二步：將傳感頭單元20裝配進(jìn)傳感器體單元內(nèi)。

第一步，傳感頭單元制作的具體步驟：

步驟1、膜片4與毛細(xì)管3的激光熱熔。膜片4優(yōu)選采用雙面拋光的單晶硅片，將厚度為loμm～100μm的雙面拋光的單晶硅片清洗后，通過激光熱熔的方式焊接在毛細(xì)管3的端部；超過毛細(xì)管3外邊緣的多余膜片，采用激光切割的方式切除。

步驟2、將光纖1與套頭支架2固定。光纖1與套頭支架2固定的方法是采用激光深熔方式，熔接的位置在套頭支架2前端面14靠后200～500μm的位置。作為優(yōu)選措施，套頭支架2的外側(cè)表面采用脈沖激光進(jìn)行毛化處理，形成的毛化層在裝配定位過程中用于氣體的滲透。

步驟3、法布里-帕羅腔11(f-p腔)的腔長的監(jiān)測以及解調(diào)。f-p腔腔長的監(jiān)測、解調(diào)、定位、焊接系統(tǒng)基本原理如圖6所示。整個(gè)系統(tǒng)主要由電腦和系統(tǒng)控制軟件30，二氧化碳激光器31，腔長檢測系統(tǒng)33，三維移動(dòng)平臺及驅(qū)動(dòng)器32組成。在加工過程中，為了使f-p腔的腔長保持預(yù)設(shè)值，使用腔長檢測系統(tǒng)對f-p腔腔長實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)f-p腔腔長與預(yù)設(shè)值有偏差時(shí)電腦和系統(tǒng)控制軟件30通過控制三維移動(dòng)平臺及驅(qū)動(dòng)器32來調(diào)節(jié)光纖1、套頭支架2與毛細(xì)管3之間的位置關(guān)系使得該腔長始終保持在預(yù)設(shè)值。

上述腔長檢測系統(tǒng)33監(jiān)測法布里-帕羅腔11的腔長的具體步驟為：將光束從光纖1導(dǎo)入法布里-帕羅腔11內(nèi)，通過腔長檢測系統(tǒng)33中的光譜儀來接收光束在光纖1前端面和膜片4內(nèi)表面分別反射光線所產(chǎn)生的干涉光譜，最終根據(jù)該干涉光譜計(jì)算出法布里-帕羅腔11的腔長。

步驟4、套頭支架2毛細(xì)管3間的固定和密封。通過步驟3中的系統(tǒng)在毛細(xì)管3另一端通過加裝支架使得其內(nèi)徑與套頭支架2的外徑相匹配，當(dāng)腔長調(diào)整至合適長度時(shí)，通過二氧化碳激光器30進(jìn)行激光深熔焊接操作，將激光聚焦在毛細(xì)管3內(nèi)壁和套頭支架2外壁接觸的位置，進(jìn)行脈沖激光深熔焊接。通過上面所述的溫度補(bǔ)償定位算法，計(jì)算出能夠?qū)崿F(xiàn)溫度自補(bǔ)償?shù)娜劢狱c(diǎn)的位置6。在焊接時(shí)，首先在溫度自補(bǔ)償熔接點(diǎn)的位置，沿毛細(xì)管3的圓周平均分布焊接三個(gè)熔接點(diǎn)，作為預(yù)焊點(diǎn)，用作下一步深熔焊接的預(yù)固定，防止焊接應(yīng)力變形而改變f-p腔腔長。再進(jìn)行深熔焊接，深熔焊接的位置選擇在與預(yù)焊點(diǎn)相鄰的與套頭支架2前端面相反的方向，這樣保證焊接應(yīng)力變形只發(fā)生在與傳感器頭單元20端頭相反的方向。在深熔焊接的之前和之后的時(shí)間，采用適當(dāng)?shù)拿}沖激光預(yù)熱和激光退火工藝，以減小器件的焊接應(yīng)力。

通過以上步驟，傳感器頭單元20制作完成。

第二步：整體傳感器裝配的具體步驟：

步驟1、傳感器頭單元20與傳感器體單元的裝配。先將傳感器護(hù)套9和光 纖套管8如圖4所示的位置進(jìn)行裝配，因光纖套管8為軟彈性材料，并與光纖保護(hù)皮層7和傳感器護(hù)套9都是緊配合，所以裝配到位后，所有器件包括內(nèi)部的傳感器頭單元20的位置即相對固定。

步驟2、將傳感器護(hù)套9與傳感器頭單元20封裝，即采用灌封膠方式進(jìn)行封裝。傳感器護(hù)套9的中部有四個(gè)對稱的工藝孔，套頭支架2和光纖保護(hù)皮層7的連接部位正對在工藝孔的下面。在工藝孔中灌封環(huán)氧樹脂或紫外膠，膠經(jīng)過固化后，一個(gè)完整溫度自補(bǔ)償型光纖efpi傳感器即制作完成。

以上實(shí)施例僅為本說明書為便于理解發(fā)明內(nèi)容所列舉的部分實(shí)施方式，并非對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行的任何限定，也非所有可實(shí)施方案的窮舉，故凡是對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)、流程或步驟所做出的任何微小改進(jìn)或等效替代，均應(yīng)包含在其保護(hù)范圍之內(nèi)。