一种光纤尖端增镀UV胶薄膜的光纤F-P腔传感器的制备方法

摘要

一种新型光纤尖端增镀UV胶薄膜的光纤F‑P腔传感器的制备方法，取两段光纤，分别在光纤端剥掉涂覆层后用酒精擦拭清洗，再将裸光纤端面切平，将剥掉涂覆层后光纤分别夹在光纤熔接机的支架上，端面对齐固定；另外找一根光纤，剥掉约涂覆层用酒精清洗，用光纤切刀将裸光纤端面切平，再将去掉涂覆层的光纤一端在盛有UV胶的容器里蘸一点胶水；将蘸有UV胶的光纤的一端贴近两段裸光纤端面缝隙，在两段裸光纤的端面缝隙进行填充，打开紫外光源照射填充UV胶的缝隙，取下固化好的整根光纤，置于光纤切刀上，将整根光纤的光纤Ⅱ在固化UV胶的附近切断，传感器制作完成；本发明传感器尖端结构强大、体积小、制造简单、成本较低，对温度、压力测量精度高。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感器件技术领域，特别涉及一种光纤尖端增镀UV胶薄膜的光纤F-P腔传感器的制备方法。

背景技术

传感器是获取各种信息的主要手段，在现代测量、自动控制、安全监控、环境监测和医疗卫生等民用和军用领域都发挥着重要作用。传感技术已成为一个国家科学技术水平的重要标志，近年来传感器产量的年增长率在11％左右，全球从事传感器研制和生产的单位有5000余家。光纤传感器在20世纪70年代末兴起，与传统的电传感器相比，它具有抗电磁干扰、电绝缘性好、使用安全、高灵敏度、质轻、结构紧凑、结构多变、测量对象多、化学性质稳定、对被测介质影响小以及成本低等优点。光纤传感器件扩展了传统传感器的适用环境、提高了传统传感器的性能，突破完成了在很多情况下传统传感器很难甚至不能完成的任务，因此受到了各个领域专家的广泛的关注。

光纤并不是对任何化学或物理的参量和物质属性敏感，相反的，它本身只对某些特定的物质属性敏感，所以无法直接利用光纤对非敏感这类物质或参量进行检测。但是若在光纤上微加工适当的结构，则可实现对温度、应变、加速度、位移、压力、流量、液位等物理参量的直接测量；若在光纤面上镀制敏感薄膜或者在端面添加敏感材料则可在特定的环境中敏感，达到直接对环境进行测量。因此，有必要研究增镀敏感材料的光纤传感器制备，提高对待测的环境测量灵敏性。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种光纤尖端增镀UV胶薄膜的光纤F-P腔传感器的制备方法，通过单模光纤尖端增镀UV胶薄膜的高灵敏度温度、压力光纤F-P腔传感器制备方法，此方法制作出的传感器尖端结构强大、体积小、制造简单、成本较低，对温度、压力测量精度高。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种光纤尖端增镀UV胶薄膜的光纤F-P腔传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：取两段光纤，分别在光纤端A端和B端剥掉5cm的涂覆层后得到两段裸光纤，用酒精擦拭清洗，并用光纤切刀将剥去涂覆层A端和B端的部分再切掉2-3cm以保证端面平整，保留2-3cm裸光纤；

步骤二：将剥掉涂覆层后得到的两段光纤，为光纤Ⅰ和光纤Ⅱ的A端和B端，分别夹在光纤熔接机的两个支架上，所述的熔接机的两个支架可手动调节，可作为两个微位移支架；光纤固定在两个微位移支架上后，手动调节微位移支架马达，让两根光纤的两个端面对齐，并使两端面距离保持在60μm左右，固定光纤；

步骤三；另外找一根光纤，为光纤Ⅲ，C端剥掉约5cm的涂覆层并用光纤切刀将其切下以保证端面平整，用酒精清洗，用光纤切刀将裸光纤C端端面切平，再将去掉涂覆层的光纤C端在盛有UV胶的容器里轻蘸一点胶水；

步骤四：将蘸有UV胶的光纤Ⅲ的C端贴近光纤ⅠA端和光纤ⅡB端的端面缝隙，在光纤ⅠA端和光纤ⅡB端的端面缝隙进行填充，多次填充；

步骤五：打开紫外光源，照射光纤Ⅰ和光纤Ⅱ填充UV胶的缝隙，照射时间约20分钟；

步骤六：取下固化好的由光纤Ⅰ和光纤Ⅱ组合成的整根光纤，置于光纤切刀上，将整根光纤的光纤Ⅱ在固化UV胶的附近切断D端，传感器制作完成；

步骤七：连接解调仪或者光谱仪检测传感器制作是否合格。

所述的光纤为普通单模光纤；熔接机的作用是微位移调整光纤端面对齐并固定，不做熔接光纤使用。

所述的UV胶采用当下高强度高透明的9310强力无影胶，所述的紫外光源为UV固化灯。

所述的步骤六切断后所留长度为1mm。

本发明的有益效果：

第一，该传感器光谱非常规整，在测量使用比较稳定。第二，本发明基于裸光纤尖端增镀UV胶薄膜的光纤F-P腔传感器，相比裸光纤提高了温度、压力测量灵敏度，增加光纤F-P腔传感器测量精度。制备过程简单，成本较低，传感器的可重复性高；第三，该传感器增镀UV胶薄膜的方法能较好的应用于敏感材料与测量特定环境结合，可应用于多参量的区分测量中。第四，UV胶薄膜对拉力极为敏感，有待于将该传感器应用于微小力的变化测量中。

附图说明

图1取两段光纤端将面切平示意图。

图2将两段光纤固定在微位移支架上示意图。

图3光纤Ⅲ取UV胶示意图。

图4UV胶填充光纤Ⅰ与光纤Ⅱ的缝隙示意图。

图5端面UV胶固化，粘合光纤Ⅰ与光纤Ⅱ示意图。

图6切断光纤Ⅱ尾端示意图。

图7传感器示意图。

图8光纤传感器测量装置图。

图9传感器在常温常压环境中的光谱。

图10传感器对温度的响应谱线漂移。

图11传感器对温度的线性响应灵敏度。

图12传感器在压力测试下的光谱。

图13传感器对压力的响应谱线漂移。

图14传感器对压力的线性响应灵敏度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

制备仪器的技术方案包括以下步骤：

步骤一：取两段光纤，分别在光纤端剥掉约5cm的涂覆层后得到两段裸光纤，用酒精擦拭清洗，再用光纤切刀将裸光纤端面切平，尖端留约2-3cm；如图1所示。

步骤二：将剥掉涂覆层后得到的两段光纤，为光纤Ⅰ和光纤Ⅱ，分别夹在光纤熔接机(古河FitelS177)的两个支架上，前提是熔接机的两个支架可手动调节，可作为两个微位移支架；光纤固定在两个微位移支架上后，手动调节微位移支架马达，让两根光纤的两个端面对齐，并使两端面距离保持在60μm左右，固定光纤，如图2所示。

步骤三；另外找一根光纤，为光纤Ⅲ，剥掉约5cm的涂覆层，用酒精清洗，用光纤切刀将裸光纤端面切平。再将去掉涂覆层的光纤一端在盛有UV胶(无影胶)的容器里轻蘸一点胶水，如图3所示。

步骤四：将蘸有UV胶的光纤Ⅲ的一端贴近光纤Ⅰ和光纤Ⅱ的端面缝隙，在光纤Ⅰ和光纤Ⅱ的端面缝隙进行填充，多次填充，如图4所示。

步骤五：打开紫外光源(UV固化灯)，照射光纤Ⅰ和光纤Ⅱ填充UV胶的缝隙，照射时间约20分钟，如图5所示。

步骤六：取下固化好的整根光纤(光纤Ⅰ和光纤Ⅱ)，置于光纤切刀上，将整根光纤的光纤Ⅱ在固化UV胶的附近切断，如图6所示，所留长度约1mm左右(900μm)。传感器制作完成，传感器示意图，如图7所示。

步骤七：连接解调仪或者光谱仪检测传感器制作是否合格，连接装置如图8所示。

所述的光纤为普通单模光纤；熔接机的作用是微位移调整光纤端面对齐并固定，不做熔接光纤使用；UV胶采用当下高强度高透明的9310强力无影胶，固化灯为普通紫外光源。本实验中SM125解调仪是微米光学国际公司生产。

基于裸光纤F-P腔光纤传感器对温度响应灵敏度比较低，灵敏值基本固定，对测量高精度要求存在不足；因此，本发明将光纤F-P腔与VU胶薄膜结合，制作尖端增镀UV胶薄膜的光纤传感器，用来提高光纤F-P腔传感器对环境测量的灵敏度。本发明制备的光纤传感器低成本低廉，但制作出的传感光谱质量高，与标准FP腔光谱相当；发明给出了尖端增镀UV胶薄膜制备光纤传感器技术，并初步实现对温度、压力的高灵敏度测试，这对高灵敏度的光纤传感器研制提供一定的技术支持。

传感原理与测量：

传感器工作基本原理是由于外界环境参数变化，比如，温度、拉力和压力等物理参数改变，促使900μm的光纤FP腔或者65μm的UV胶FP腔的光程差发生改变，进而影响光谱漂移达到传感作用。

本发明制备出的光纤传感器，在传感器尖端有约900μm的光纤段，这一小段光纤是裁剪光纤Ⅱ留下的，它与光纤Ⅰ之间有约65μm的缝隙，用UV胶填充后形成了65μm的UV胶FP腔，900μm的光纤段则可作为传感器的光纤FP腔。900μm的光纤FP腔和65μm的UV胶FP腔，二者均对温度和拉力敏感，但灵敏度不一样，差距很大；900μm的光纤FP腔对压力不灵敏，但65μm的UV胶FP腔对压力敏感。鉴于这些性质，本发明的传感器可用于多参量区分测量。

在实验中可调节微位移支架，有效控制UV胶FP腔的腔长，从而实现实验所需要的自由谱个数。以下实验室数据全部建立在如图7示意图所示的传感器之上，该光纤传感器有三个反射面，分别为M1、M2、M3，第一腔由M1和M2组成，第二腔由M2和M3形成，第三腔由M1和M3组成。在这三个腔形成的干涉中，反射光强度为：

其中A₁、A₂、A₃分别表示入射光经过M1、M2、M3三个面反射后干涉时的振幅；(M1和M2组成)和(M2和M3组成)表示经过第一个腔和第二个腔的传播相位差。

其中λ为入射光的入射波长；l₀为65μm第一腔的腔长，l₁为900μm第二腔的腔长；n₀为UV胶腔的折射率，n₁为光纤的纤芯折射率。

图8是光纤传感器测量装置图，由计算机、SM125解调仪和传感器组成，检测仪器SM125精度是1pm。图9是传感器在室温28℃常压环境中的反射光谱，该光纤传感器UV胶腔产生3个自由谱，光谱整体看起来非常规整，说明制作的FP腔光纤传感器比较标准。图10是传感器在温度28℃至60℃下对图9谱线漂移进行傅里叶带通滤波后提取UV胶腔的频率谱线漂移图，分别记录28℃、32℃、36℃、40℃、44℃、48℃、50℃、54℃、58℃和60℃的谱线；可以看出传感器对温度有很好的响应灵敏性。接下来如图11所示，是对10个温度下的光谱漂移量进行线性拟合，得到该传感器对温度响应灵敏度为0.359nm/℃，相比于裸光纤温度响应灵敏度0.008nm/℃，整整提高40多倍；如图12所示，传感器应用于压力中测试，传感器在0.1MPa与0.7MPa条件下的光谱；可以看出随着压力的增大光谱向长波方向漂移，此时传感器光谱稳定，证明我们的传感器在高压环境下也可以正常工作。图13是传感器在压力0.1MPa至0.7MPa下对图12谱线漂移进行傅里叶带通滤波后提取UV胶腔的频率谱线漂移图，分别记录0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa、0.6MPa和0.7MPa的谱线。由于压力变化对环境温度有影响，所以提取的谱线漂移规律不是非常稳定。图14对7个压力下的光谱漂移量进行线性拟合，得到该传感器对压力响应灵敏度为15.942nm/MPa，这在压力传感器领域是非常敏感的。