本發(fā)明涉及一種基于微橢球空氣腔的光纖壓力傳感器和一種基于微橢球空氣腔的光纖壓力傳感器的制造方法，屬于光纖壓力傳感器技術領域。

背景技術：

常用的光纖壓力傳感器主要有光纖光柵壓力傳感器和光纖法布里-珀羅壓力傳感器兩種。與光纖光柵壓力傳感器相比，光纖法布里-珀羅壓力傳感器對外界產生的壓力信號的反應更敏銳，采用不同的結構參數(shù)能夠滿足不同測量量程和靈敏度的要求,具有耐惡劣環(huán)境、抗電磁干化、溫度交叉敏感度小等優(yōu)點。應用于生物醫(yī)療、高溫高壓油井、航空航天、橋梁檢測等領域的壓力檢測。

光纖法布里-珀羅壓力傳感器有毛細管結構和膜片結構。毛細管結構采用毛細管軸向形變來實現(xiàn)對壓力的感知，可用于大壓強范圍的測量，但由于對壓力感知敏感度低，不適用于對精度要求高的測量。膜片結構采用對壓力敏感的膜片構成法布里-珀羅干涉儀的一個反射面，外界壓力作用在膜片上時膜片發(fā)生彈性形變，從而使法布里－珀羅干涉儀的腔長改變，實現(xiàn)對壓力的感知，具有靈敏度高，抗干擾能力強，線性度好,動態(tài)范圍大等優(yōu)點。

膜片結構的光纖法布里-珀羅壓力傳感器可由光纖端面的凹腔和受力會變形的壓力敏感膜構成。凹腔的形成有化學腐蝕法[1,2]和飛秒激光制備法[3]。化學腐蝕制備法腔內刻蝕控制是難點，腔型難以控制且腔內損耗大；飛秒激光制備法可以精密控制干涉腔腔型，但加工系統(tǒng)昂貴。文獻[1]中的壓力敏感膜為特殊處理的單晶硅，與端面腐蝕了凹腔的硼硅酸鹽光纖進行陽極鍵合構成傳感頭。這種光纖壓力傳感器制作工藝復雜且不同的材料對溫度的熱膨脹系數(shù)不同，因此當溫度變化時，傳感頭由于熱膨脹不同會產生應力，易損壞。文獻[2][3]中壓力敏感膜均為石英材料，與制作了凹腔的光纖熔接構成傳感頭。這種光纖壓力傳感器熱膨脹系數(shù)一致，結構穩(wěn)定；光纖端面凹腔的形成以及與敏感膜的熔接需要兩步工藝；且由于凹腔中光傳輸損耗較大，反射譜條紋對比度較小，波長跟蹤解調時壓力測量精度不夠高。

[1]葛益嫻、王婷婷、張闖、冒曉莉.一種微型光纖法布里-珀羅壓力傳感器及其制作方法，發(fā)明專利：201310524956.7，授權日：2015.11；

[2]楊春弟，王鳴，葛益嫻，戴麗華.微型非本征光纖法布里-珀羅壓力傳感器[j],光學學報,2010,30(5):1458-1461；

[3]姜瀾，江毅，王鵬，王素梅，劉達.一種光纖微納法珀干涉型壓力傳感器及其制作方法，專利申請?zhí)枺?01510282041.9。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是克服現(xiàn)有技術的缺陷，提供一種制作工藝簡單、測量精度高的基于微橢球空氣法布里-珀羅腔的光纖壓力傳感器和一種基于微橢球空氣腔的光纖壓力傳感器的制造方法，該傳感器的制作僅需熔接、切割和研磨工藝，且反射譜具有很高的條紋對比度，波谷尖銳，壓力測量精度高。

為達到上述目的，本發(fā)明提供一種基于微橢球空氣腔的光纖壓力傳感器，包括單模光纖、壓力敏感膜；所述單模光纖上端固定連接所述壓力敏感膜下端，所述單模光纖、所述壓力敏感膜連接處開設空氣法布里-珀羅腔。

優(yōu)先地，所述空氣法布里-珀羅腔為微橢球形，所述空氣法布里-珀羅腔為共焦腔。

優(yōu)先地，所述空氣法布里-珀羅腔的腔長40μm-50μm。

優(yōu)先地，所述壓力敏感膜中央的厚度為6-12μm。

優(yōu)先地，所述單模光纖材質為二氧化硅。

優(yōu)先地，所述壓力敏感膜材質為二氧化硅。

一種基于微橢球空氣腔的光纖壓力傳感器的制造方法，包括以下步驟：

剝除單模光纖和光子晶體光纖的涂覆層后，清潔單模光纖和光子晶體光纖；

切割單模光纖右端面、光子晶體光纖左端面；

將單模光纖右端面、光子晶體光纖左端面放置在熔接機的電極兩側；

熔接機的電極放電若干次直至單模光纖、光子晶體光纖連接處熔接形成腔長為40μm-50μm的空氣法布里-珀羅腔，熔接機的電極放電使得光子晶體光纖的空氣孔坍塌形成二氧化硅塌陷區(qū)，控制處理顯示器通過光纖傳感分析儀實時監(jiān)測空氣法布里-珀羅腔的腔長變化；

垂直光軸方向切割光子晶體光纖的右端面，僅留下光子晶體光纖的二氧化硅塌陷區(qū)形成壓力敏感膜；

將單模光纖、壓力敏感膜的結合體插入光纖接續(xù)子中，壓力敏感膜的上端朝下放置，用砂紙研磨壓力敏感膜的上端面反射面三直到壓力敏感膜的厚度達到20-30μm；

再繼續(xù)用砂紙研磨壓力敏感膜上端面反射面三，使空氣法布里-珀羅腔上方即壓力敏感膜的中央的厚度達到6-12μm，控制處理顯示器通過光纖傳感分析儀實時監(jiān)測壓力敏感膜的中央的厚度；

用氫氟酸腐蝕壓力敏感膜的反射面三，對壓力敏感膜的反射面三進行粗糙化處理。

優(yōu)先地，單模光纖右端面、光子晶體光纖左端面相距50μm，熔接機的電極距單模光纖端面20μm；熔接機的電極放電6~7次；垂直光軸方向切割光子晶體光纖的右端，形成中央厚度為40μm的二氧化硅敏感膜。

優(yōu)先地，熔接機的熔接參數(shù)為熔接電流7ma，熔接時間650ms，z軸推進量5μm。

優(yōu)先地，先用3μm砂紙研磨壓力敏感膜上端的反射面三直到壓力敏感膜中央的厚度達到20-30μm；再用0.5μm砂紙研磨壓力敏感膜上端的反射面三使壓力敏感膜中央的厚度至6-12μm。

本發(fā)明所達到的有益效果：

本發(fā)明中材質均為二氧化硅，使得本發(fā)明熱膨脹系數(shù)相同，避免了不同材料高溫失配造成的結構失效，溫度串擾小，成本低廉；傳感頭制作工藝只需要熔接、切割和研磨，制作工藝簡單、可實現(xiàn)性強；

該傳感器的傳感頭在光纖內部，被測壓力能夠直接調制光纖中光波的特征參量，可有效縮小傳感器的尺寸，減少外界干擾和環(huán)境因素的影響；

本裝置中的共焦法布里-珀羅腔，與現(xiàn)有技術中腐蝕工藝或飛秒激光器制作的法布里-珀羅腔相比，具有干涉腔損耗小，干涉條紋對比度高，解調精度高的優(yōu)勢。

附圖說明

圖1是本裝置的結構圖；

圖2是本裝置的制作工藝流程圖；

圖3是本裝置的解調系統(tǒng)；

圖4是本裝置的實驗結果圖；

圖5是現(xiàn)有技術中采用腐蝕工藝制作的光纖法布里-珀羅壓力傳感器的反射譜；

圖6是本裝置反射譜。

附圖中標記含義，1-單模光纖；2-壓力敏感膜；3-微橢球空氣法布里-珀羅腔；4-反射面一；5-反射面二；6-反射面三；7-電極；8-光纖接續(xù)子；9-光纖研磨砂紙；10-光軸。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步描述，以下實施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護范圍。

一種基于微橢球空氣腔的光纖壓力傳感器，包括單模光纖、壓力敏感膜；所述單模光纖上端固定連接所述壓力敏感膜下端，所述單模光纖、所述壓力敏感膜連接處開設空氣法布里-珀羅腔。

進一步地，所述空氣法布里-珀羅腔為微橢球形，所述空氣法布里-珀羅腔為共焦腔。

進一步地，所述空氣法布里-珀羅腔的腔長40μm-50μm。

進一步地，所述壓力敏感膜厚度為6-12μm。

進一步地，所述單模光纖材質為二氧化硅。

進一步地，所述壓力敏感膜材質為二氧化硅。

一種基于微橢球空氣腔的光纖壓力傳感器的制造方法，包括以下步驟：

剝除單模光纖和光子晶體光纖的涂覆層后，清潔單模光纖和光子晶體光纖；

切割單模光纖右端面、光子晶體光纖左端面；

將單模光纖右端面、光子晶體光纖左端面放置在熔接機的電極兩側；

熔接機的電極放電若干次直至單模光纖、光子晶體光纖連接處熔接形成腔長為40μm-50μm的空氣法布里-珀羅腔，熔接機的電極放電使得光子晶體光纖的空氣孔坍塌形成二氧化硅塌陷區(qū)，控制處理顯示器通過光纖傳感分析儀實時監(jiān)測空氣法布里-珀羅腔的腔長變化；

垂直光軸方向切割光子晶體光纖的右端面，僅留下光子晶體光纖的二氧化硅塌陷區(qū)形成壓力敏感膜；

將單模光纖、壓力敏感膜的結合體插入光纖接續(xù)子中，壓力敏感膜的上端朝下放置，用砂紙研磨壓力敏感膜的上端面反射面三直到壓力敏感膜的厚度達到20-30μm；

再繼續(xù)用砂紙研磨壓力敏感膜上端面反射面三，使空氣法布里-珀羅腔上方即壓力敏感膜的中央的厚度達到6-12μm，控制處理顯示器通過光纖傳感分析儀實時監(jiān)測壓力敏感膜的中央的厚度；

用氫氟酸腐蝕壓力敏感膜的反射面三，對壓力敏感膜的反射面三進行粗糙化處理。

進一步地，單模光纖右端面、光子晶體光纖左端面相距50μm，熔接機的電極距單模光纖端面20μm；熔接機的電極放電6~7次；垂直光軸方向切割光子晶體光纖的右端，形成中央厚度為40μm的二氧化硅敏感膜。

進一步地，熔接機的熔接參數(shù)為熔接電流7ma，熔接時間650ms，z軸推進量5μm。

進一步地，先用3μm砂紙研磨壓力敏感膜上端的反射面三直到壓力敏感膜中央的厚度達到20-30μm；再用0.5μm砂紙研磨壓力敏感膜上端的反射面三使壓力敏感膜中央的厚度至6-12μm。

光波e0經(jīng)單模光纖1垂直入射傳感探頭，分別被反射面一4、反射面二5、反射面三6三個反射面反射，三束反射光e1、e2和e3發(fā)生干涉，將反射面三6進行粗糙化處理后，可以忽略e3，反射譜近似為e1、e2雙光束干涉。當壓力敏感膜2受壓變形時，反射譜變化，通過反射譜波谷波長追蹤可以解調出外加的壓力。

所述微橢球空氣法布里-珀羅腔3為共焦腔，即兩凹腔的曲率半徑與法布里-珀羅腔腔長相等，這時干涉腔損耗小，反射譜干涉條紋更尖銳，大大提高測量精度。

基于上述方法制作而成的光纖法布里-珀羅壓力傳感器，利用圖3所示的解調系統(tǒng)進行解調，結果如圖4所示，本專利提供的壓力傳感器有著較好的線性和重復度。在同樣的實驗條件下，對比采用現(xiàn)有技術中腐蝕工藝的平面膜壓力傳感器和本專利提供的壓力傳感器，各自的反射譜如圖5和圖6所示。反應本裝置的圖6反射譜對比度30db，遠大于現(xiàn)有技術中腐蝕工藝的平面膜壓力傳感器的圖5的10db，尖銳的波谷使得本專利提出的基于微橢球空氣腔的光纖壓力傳感器具有更高的測量精度。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本發(fā)明的保護范圍。