本發(fā)明涉及一種基于空芯光纖的微納光纖振動傳感器，屬于光纖傳感領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來，對于高溫環(huán)境下的振動監(jiān)測有了越來越多的需求，例如航空發(fā)動機的監(jiān)測、大型設(shè)備的發(fā)電機、發(fā)動機、電動機監(jiān)測等，工作溫度可達1200℃。

傳統(tǒng)的高溫振動傳感器，依據(jù)將機械振動信號轉(zhuǎn)換成電信號的原理可分為電渦流型、電磁感應(yīng)型和壓電效應(yīng)型。由這些原理制成的商用高溫振動傳感器，如北航工藝所的SHQ-80、B.K公司的8310型、ENDVCO公司的6237M69A型和6237M70型，體積較大，且不能實現(xiàn)高于700℃的高溫振動監(jiān)測。

近年來，為了進一步縮小振動傳感器的體積，并提升振動傳感器的工作溫度，人們將目光轉(zhuǎn)向光纖領(lǐng)域。光纖光柵廣泛應(yīng)用于振動測量，通常的做法是將光柵固定在懸臂梁上，通過波長的漂移檢測出振動信號。但由于光纖光柵不能在300℃以上的高溫中存活，所以基于光纖光柵制作的振動傳感器不能實現(xiàn)300℃以上的高溫振動監(jiān)測。Perrone G等人提出一種非接觸式強度調(diào)制型光纖振動傳感器，但光源輸出的波動和光纖距離振源位置的變化都會給傳感器帶來較大誤差，且由于封裝等原因的限制，也不能實現(xiàn)300℃以上的高溫振動測量(Perrone G,Vallan A.A low-cost optical sensor for noncontact vibration measurements[J].Instrumentation and Measurement,IEEE Transactions on,2009,58(5):1650-1656.)。Gangopadhyay等人提出一種外腔式法布里-珀羅型振動傳感器，當外界發(fā)生振動時，彈性反射鏡的振動會改變法布里珀羅干涉儀的腔長，通過檢測其相位變化，實現(xiàn)振動探測，但由于反射鏡和透鏡制作材料的限制，該方案也不能在500℃以上的高溫環(huán)境下使用(Gangopadhyay T K,Chakravorti S,Bhattacharya K,et al.Wavelet analysis ofoptical signal extracted from a non-contact fibre-optic vibration sensor using an extrinsic Fabry–Perot interferometer[J].Measurement Science and Technology,2005,16(5):1075.)。Rines等人提出了基于單模光纖自身彈性的透射式外調(diào)制型光纖振動傳感器，但由于封裝等問題，該傳感器并不能在800℃以上的高溫環(huán)境中使用(Rines G A.Fiber-optic accelerometer with hydrophone applications[J].Applied optics,1981,20(19):3453-3459.)。Berthold等人對漸變型多模光纖和階躍型多模光纖的微彎曲特性進行了分析，并應(yīng)用于振動測量，但基于光纖的限制，并不能在800℃以上的高溫環(huán)境下進行振動探測(Berthold III J W.Historical review ofmicrobend fiber optic sensors[C]//10th Optical Fibre Sensors Conference.International Society for Optics and Photonics,1994:182-186.)。Ricardo等人利用聚焦離子束技術(shù)，制作了全光纖高溫振動傳感器(André R M,Pevec S,Becker M,et al.Focused ion beam post-processing of optical fiber Fabry-Perot cavities for sensing applications[J].Optics express,2014,22(11):13102-13108.)。該傳感器體積小、可耐1000℃高溫，但是加工所需設(shè)備昂貴，且光學(xué)反射面由離子束轟擊而成，很難做到十分平整，導(dǎo)致反射率較低，信號較弱。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于飛秒激光微加工的微納光纖振動傳感器，該傳感器體積小(φ125μm×7mm)，可在1200℃高溫環(huán)境下工作。

本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的。

一種基于空芯光纖的微納光纖振動傳感器，包括：單模光纖，空芯光纖，實芯光纖；

單模光纖、空芯光纖和實芯光纖順序熔接；所述空芯光纖為中空圓柱體，且在圓柱體側(cè)面中心處開設(shè)槽口；該槽口的軸向長度需小于中空圓柱體的長度；所述槽口是通過用飛秒激光從空芯光纖側(cè)面燒蝕形成的。

空芯光纖的長度為100μm-2000μm，外徑與單模光纖外徑相同或接近，內(nèi)徑為10μm-100μm；所述實芯光纖長度為100μm-5000μm。

燒蝕垂直深度為空芯光纖直徑的10％-90％。

加工方法：

步驟一、單模光纖和空芯光纖熔接。；

步驟二、切除多余的空芯光纖；

步驟三、空芯光纖和實芯光纖熔接；

步驟四、切除多余的實芯光纖；

步驟五、端面粗糙化處理；

步驟六、飛秒激光燒蝕空芯光纖。

工作過程：

探測光由單模光纖導(dǎo)入，在單模光纖與空芯光纖的熔接面形成第一次菲涅爾反射，在空芯光纖與實芯光纖熔接面形成第二次菲尼爾反射，兩次反射形成雙光束干涉，反射光通過單模光纖導(dǎo)出至解調(diào)儀。當所述傳感器受到垂直于懸臂梁方向的振動時，實芯光纖作為質(zhì)量塊帶動懸臂梁產(chǎn)生微彎，從而改變干涉儀的光程差，從而形成干涉型光纖振動傳感器。

有益效果

1、本發(fā)明的一種基于空芯光纖的微納光纖振動傳感器，所述振動傳感器體積小，直徑為125μm，長度不到7mm，且耐1200℃高溫；

2、本發(fā)明的一種基于空芯光纖的微納光纖振動傳感器，所述振動傳感器干涉信號質(zhì)量好，有利于解調(diào)出振動信號。

3、本發(fā)明采用飛秒激光燒蝕空芯光纖形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，大大減小了空芯光纖的抗彎剛度，并且采用較長的第三段光纖作為質(zhì)量塊，使得輸入的振動信號強度一定時，空芯光纖產(chǎn)生更大的彎曲，導(dǎo)致布里-珀羅干涉儀的腔長發(fā)生更大的變化，從而提高本振動傳感器的靈敏度。

4、由于本發(fā)明的振動傳感部分為飛秒激光燒蝕空芯光纖后形成的懸臂梁結(jié)構(gòu)?？招竟饫w由純石英制成，石英熔點高達1650℃，熱膨脹系數(shù)僅為0.55×10^-6/℃，對于溫度不明感，所以本發(fā)明可用于高溫環(huán)境下的振動探測，且對于溫度的交叉靈敏度小。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述基于空芯光纖的微納光纖振動傳感器的側(cè)視圖；

圖2為本發(fā)明所述基于空芯光纖的微納光纖振動傳感器的俯視圖；

圖3為本發(fā)明所述基于空芯光纖的微納光纖振動傳感器的立體圖。

其中，1——單模光纖，2——空芯光纖，3——實芯光纖，4——懸臂梁，5——單模光纖與空芯光纖的熔接面，6——空芯光纖與實芯光纖的熔接面，7——實芯光纖的端面。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方案對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步具體說明。

實施例1

一種基于飛秒激光微加工的微納光纖振動傳感器，包括：單模光纖1，空芯光纖2，實芯光纖3；其中，飛秒激光燒蝕實芯光纖3形成懸臂梁4，實芯光纖3作為質(zhì)量塊；

單模光纖1、空芯光纖2和實芯光纖3順序熔接；所述空芯光纖2經(jīng)飛秒激光燒蝕形成懸臂梁4，實芯光纖3作為質(zhì)量塊。

所述空芯光纖2的長度為1000μm，外徑與單模光纖1外徑相同，為125μm，內(nèi)徑為93μm，飛秒激光燒蝕深度為90μm；所述實芯光纖3長度為3000μm。

加工方法：

步驟一、單模光纖1和空芯光纖2熔接。其中，單模光纖1為普通商用單模光纖，包層直徑為125μm，纖芯直徑為8μm，空芯光纖2的內(nèi)徑為93μm，外徑為125μm。熔接前去除單模光纖1和空芯光纖2的涂覆層，熔接采用商用熔接機的手動模式，設(shè)置放電電流和放電時間，使得單模光纖1與空芯光纖2熔接牢固且空芯光纖2不出現(xiàn)塌陷。；

步驟二、切除多余的空芯光纖2。在顯微鏡的觀測下，留1000μm長的空芯光纖2，多余的部分用切割刀切除；

步驟三、空芯光纖2和實芯光纖3熔接。熔接前去除實芯光纖3的涂覆層，熔接采用商用熔接機的手動模式，設(shè)置放電電流和放電時間，使得空芯光纖2和實芯光纖3熔接牢固且空芯光纖2不出現(xiàn)塌陷。其中，實芯光纖3采用無芯光纖，即石英玻璃柱，實芯光纖3的直徑為125μm；

步驟四、切除多余的實芯光纖3。在顯微鏡的觀測下，留3000μm長的實芯光纖2，多余的部分用切割刀切除；

步驟五、端面粗糙化處理。所述實芯光纖的端面7用飛秒激光燒蝕，使其粗糙化，以減小端面反射；

步驟六、飛秒激光燒蝕空芯光纖2。將所述空芯光纖2從側(cè)面用飛秒激光燒蝕，在成像系統(tǒng)的觀測下，通過計算機編程控制激光燒蝕的軌跡，形成懸臂梁4，其中，燒蝕區(qū)域沿空芯光纖軸向方向長600μm，寬度為125μm，深度為90μm，且燒蝕不破壞空芯光纖2與單模光纖1的熔接面以及空芯光纖2與實芯光纖3的熔接面。

工作過程：

本發(fā)明的工作原理是：探測光由單模光纖1導(dǎo)入，在單模光纖與空芯光纖的熔接面5處形成第一次菲涅爾反射，一部分光反射回單模光纖1，另一部分光透射。透射光傳輸至空芯光纖與實芯光纖的熔接面6處形成第二次菲尼爾反射，又有一部分光反射回單模光纖1。兩處反射光形成雙光束干涉，通過單模光纖1導(dǎo)出，構(gòu)成外腔式光纖法布里-珀羅干涉儀。當傳感器受到振動時，實芯光纖3作為質(zhì)量塊帶動飛秒激光燒蝕空芯光纖后形成的懸臂梁4產(chǎn)生微彎，引起布里-珀羅干涉儀的腔長發(fā)生變化，導(dǎo)致干涉光的相位發(fā)生變化，從而實現(xiàn)振動傳感。

所述第二段空芯光纖從側(cè)面用飛秒激光燒蝕，去掉一部分，形成懸臂梁結(jié)構(gòu)。所述飛秒激光燒蝕區(qū)，沿空芯光纖軸向方向長度應(yīng)小于第二段空芯光纖的長度，從而保證加工時第一段光纖與第二段空芯光纖的熔接面以及第三段光纖與第二段空芯光纖的熔接面不被污染，故可以得到反射率很高的兩個光學(xué)反射面；燒蝕寬度為空芯光纖外徑，即125μm；燒蝕深度為90μm。所述第三段光纖末端端面應(yīng)進行粗糙化處理，以減小端面反射。

所述振動傳感器體積小且耐高溫。實施例1中所述的高溫振動傳感器體積僅為φ125μm×4000μm，可在1200℃的高溫環(huán)境下工作。

所述振動傳感器干涉信號質(zhì)量好。本發(fā)明所述基于空芯光纖的微納光纖振動傳感器，利用兩根實芯光纖與空芯光纖熔接面形成菲涅爾反射，兩個熔接點的反射光發(fā)生干涉，進而形成外腔式法布里-珀羅干涉儀。由于形成干涉的兩個光學(xué)反射面(單模光纖與空芯光纖的熔接面5和空芯光纖與實芯光纖的熔接面6)是熔接前光纖切割刀切割而成，且由于空芯光纖內(nèi)徑(93μm)大于單模實芯光纖纖芯芯徑(10μm)，故單模實芯光纖與空芯光纖熔接時，并不會影響單模實芯光纖纖芯端面的潔凈度，又因為飛秒激光燒蝕時并不對這兩個光學(xué)反射面產(chǎn)生影響，故可以保證這兩個光學(xué)反射面的平整度，從而使得形成的法布里-珀羅干涉儀有明顯的干涉條紋，易于解調(diào)出振動信號。

最后所應(yīng)說明的是，以上具體實施方式僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。