一種高溫溫度和壓力光纖法布里珀羅復(fù)合微納傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種微納傳感器，特別涉及一種高溫溫度和壓力光纖法布里珀羅（法 珀）復(fù)合微納傳感器，屬于光纖傳感器技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 溫度、壓力的檢測(cè)廣泛應(yīng)用到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，高溫環(huán)境中同時(shí)監(jiān)測(cè)溫度、壓 力等參數(shù)，可以對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行做出綜合性的評(píng)價(jià)。在很多高溫（大于SO(TC)、強(qiáng)電磁干擾、 微小尺寸的應(yīng)用環(huán)境中，目前的傳感器尚不能滿足這些極端需求，而光纖傳感器因?yàn)楸举|(zhì) 耐高溫、抗電磁干擾、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)可有效解決這些問(wèn)題。
[0003] 現(xiàn)有的高溫環(huán)境應(yīng)用光纖壓力傳感器主要是法布里珀羅干涉儀型傳感器， Yizheng等和Frederik等分別于2005年和2009年制造了薄層結(jié)構(gòu)的光纖法布里?自羅壓力 傳感器，實(shí)現(xiàn)了最高600°C的壓力測(cè)量，2011年，Chuang等使用無(wú)摻雜的純石英光子晶體光 纖替代普通光纖實(shí)現(xiàn)了超過(guò)700°C環(huán)境下的壓力測(cè)量，測(cè)量溫度極限主要由薄層材料及連 接結(jié)構(gòu)決定。該種壓力傳感器本身結(jié)構(gòu)尺寸過(guò)大、材料連接困難、不同材料高溫?zé)崾湓斐?的連接失效、傳感器耐溫極限低和溫度交叉敏感等問(wèn)題，嚴(yán)重限制了光纖FPI壓力傳感器 向更高溫度范圍拓展。
[0004] 2011年，馬俊等利用熔融放電的方法將單模光纖與空芯玻璃管熔接到一起，熔球 后形成微FP腔作為壓力傳感器，最高測(cè)試溫度可達(dá)600°C，2013年，本課題組與密蘇里科 技大學(xué)合作采用飛秒激光微納加工技術(shù)和熔融連接技術(shù)，在普通單模光纖上加工了封閉 內(nèi)腔式光纖FP壓力傳感器，降低了溫度的交叉敏感，實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了 700°C高溫環(huán)境下0~ 0. 65MPa的壓力測(cè)量。這種一體式法布里珀羅光纖壓力傳感器主要有兩種不足，首先是普 通單模光纖的纖芯摻入鍺后會(huì)降低光纖的高溫承受能力，只能在800°C以下正常傳輸光信 號(hào)；其次是普通的干涉儀型光纖傳感器對(duì)壓力和溫度兩種物理參數(shù)都敏感，測(cè)量壓力或溫 度時(shí)會(huì)出現(xiàn)交叉敏感的問(wèn)題，且不能實(shí)現(xiàn)高溫環(huán)境下溫度和壓力的同時(shí)測(cè)量。2013年，北京 長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所的張慧君等利用半導(dǎo)體硅測(cè)溫層和光纖構(gòu)成法布里珀羅光纖傳 感器，是一種具有溫度測(cè)量功能的光纖壓力傳感器，該傳感器缺點(diǎn)為結(jié)構(gòu)尺寸大，耐高溫極 限低等。光子晶體光纖和藍(lán)寶石光纖可以耐受1200°C以上的高溫，但是藍(lán)寶石光纖沒(méi)有纖 芯，無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸光信號(hào)，且與普通單模光纖的連接也較為困難，而光子晶體光纖沒(méi) 有這方面的問(wèn)題；對(duì)于單只法布里珀羅干涉儀壓力傳感器，反射膜厚度與溫度靈敏度成正 比，與壓力靈敏度成反比，利用這一規(guī)律可以降低壓力和溫度交叉敏感的問(wèn)題，但是無(wú)法解 決壓力和溫度同時(shí)測(cè)量的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為解決光纖傳感器在高溫環(huán)境下溫度和壓力復(fù)合測(cè)量中耐溫極 限低、雙參數(shù)交叉敏感的問(wèn)題，提供了一種高溫溫度和壓力光纖法布里珀羅復(fù)合微納傳感 器。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0007] -種高溫溫度和壓力光纖法布里珀羅復(fù)合微納傳感器，由依次連接的光纖接入 段、壓力傳感器段和溫度傳感器段組成；光纖接入段1用于將寬帶光信號(hào)持續(xù)引入高溫環(huán) 境中的多功能傳感器并將調(diào)制后的信號(hào)反饋；壓力傳感器段2用于在高溫和壓力作用下調(diào) 制光信號(hào)，溫度傳感器段3用于在高溫作用下調(diào)制光信號(hào)。
[0008] 所述光纖接入段為實(shí)芯光纖，所述壓力傳感器段為空芯的薄壁光纖，所述溫度傳 感器段為另一段實(shí)芯光纖；空芯的薄壁光纖中的微腔結(jié)構(gòu)與光纖同軸。
[0009] 所述壓力傳感器空芯光纖內(nèi)徑為IOym~120 μm，外徑為125 μm，長(zhǎng)度為 10 μ m~2000 μ m ;溫度傳感器實(shí)芯光纖外徑為125 μ m，長(zhǎng)度為10 μ m~2000 μ m ;壓力傳感 器的長(zhǎng)度與溫度傳感器的長(zhǎng)度應(yīng)有顯著差別。
[0010] 所述光纖接入段采用單模光纖，包括普通單模光纖或全石英的光子晶體光纖；壓 力傳感器段和溫度傳感器段采用單模光纖或其它耐高溫的光纖。
[0011] -種高溫溫度和壓力光纖法布里珀羅復(fù)合微納傳感器的加工方法如下：
[0012] 當(dāng)所述傳感器各段光纖采用同一材質(zhì)的情況下，用激光在兩段光纖端面沿軸線加 工圓柱形微腔，圓柱形微腔與光纖同軸；
[0013] 將帶圓柱形微腔的兩個(gè)光纖進(jìn)行連接，形成的圓柱形封閉腔構(gòu)成法珀干涉型壓力 傳感器段；確定其中一段光纖為光纖接入段，切去另一段光纖的多余部分，將剩余的光纖長(zhǎng) 度加工至所需長(zhǎng)度，即構(gòu)成法珀干涉型溫度傳感器段；
[0014] 當(dāng)所述傳感器各段光纖采用不同材質(zhì)的情況下，首先按上述方式加工圓柱形微 腔，并切去多余光纖得到法珀干涉型壓力傳感器段，然后將壓力傳感器段分別與光纖接入 段和溫度傳感器段進(jìn)行連接，并切去溫度傳感器段光纖的多余部分，將剩余的光纖長(zhǎng)度加 工至所需長(zhǎng)度。
[0015] 所述連接可以采用熔接進(jìn)行。
[0016] 本發(fā)明的一種高溫溫度和壓力光纖法布里珀羅復(fù)合微納傳感器，其溫度傳感器與 壓力傳感器的腔長(zhǎng)有顯著的差別，通過(guò)采集后向反射光的光譜，并分析光譜的峰或谷的波 長(zhǎng)，或使用光纖傅立葉變換白光干涉測(cè)量法（專利號(hào)：CN200710177837)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力 的同時(shí)測(cè)量。
[0017] 有益效果
[0018] 本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種高溫溫度和壓力光纖法布里珀羅復(fù)合微納傳感器，全石英光子 晶體光纖的結(jié)構(gòu)可以有效地提高傳感器的耐高溫極限，在1200°C以上的高溫環(huán)境內(nèi)仍然正 常工作，也可以使用普通的單模光纖在800°C以下的環(huán)境中使用；傳感器的溫度傳感器僅 受環(huán)境溫度的影響，通過(guò)同時(shí)測(cè)量壓力傳感器段和溫度傳感器段的腔長(zhǎng)變化可同時(shí)測(cè)量高 溫環(huán)境下溫度和壓力的變化，解決了雙參數(shù)測(cè)量時(shí)交叉敏感的問(wèn)題，該傳感器具有結(jié)構(gòu)尺 寸小、耐高溫和無(wú)雙參數(shù)交叉敏感的優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例一種高溫溫度和壓力光纖法布里珀羅復(fù)合微納傳感器的結(jié) 構(gòu)示意圖；
[0020] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例一種高溫溫度和壓力光纖法布里珀羅復(fù)合微納傳感器的等 強(qiáng)度三光束干涉光譜圖；
[0021] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例一種高溫溫度和壓力光纖法布里珀羅復(fù)合微納傳感器的空 間頻域干涉光譜圖；
[0022] 附圖標(biāo)記：
[0023] 1-光纖接入段，2-壓力傳感器段，3-溫度傳感器段，4-光反射面a，5-光反射面b， 6-光反射面C0
【具體實(shí)施方式】
[0024] 下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明加以詳細(xì)說(shuō)明，同時(shí)也敘述了本發(fā)明技術(shù)方案 解決的技術(shù)問(wèn)題及有益效果，需要指出的是，所描述的實(shí)施例僅旨在便于對(duì)本發(fā)明的理解， 而對(duì)其不起任何限定作用。
[0025] 實(shí)施例
[0026] 本發(fā)明的一種高溫溫度和壓力光纖法布里珀羅復(fù)合微納傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖1所 示，包括依次連接的光纖接入段1、壓力傳感器段2和溫度傳感器段3,由無(wú)截止的單模光子 晶體光纖制成；光纖接入段1用于將寬帶光信號(hào)持續(xù)引入高溫環(huán)境中的多功能傳感器并將 調(diào)制后的信號(hào)反饋；壓力傳感器段2用于在高溫和壓力作用下調(diào)制光信號(hào)，溫度