[发明专利]光纤珐珀应变传感器、传感系统及传感器制作方法

说明书

技术领域

本发明属于光学传感元件技术领域，具体涉及一种光纤传感器，特别涉及一种能够同时测量应变和温度的吸收式温度补偿的光纤珐珀应变传感器、以该传感器为核心的传感系统以及上述传感器的制作方法。

背景技术

在半导体(如砷化镓)传感器应用领域，应用本征半导体的禁带宽度随温度升高而减小的现象，在1999年，曹康敏等人用砷化镓晶片作敏感元、光纤作导光系统、半导体发光二极管作光源、半导体光电二极管做光电转换元，构成了半导体吸收式光纤温度传感器。

上述半导体(如砷化镓)吸收式光纤温度传感器基本原理是当一定波长的光照射到半导体上时，半导体中的电子吸收了足够的能量，从价带跃迁到导带，从而发生本征吸收(发生本征吸收的条件是电子从价带跃迁到导带的光子能量hV必须大于半导体禁带宽度E_g，即hV≥hV_g＝E_g。其中h—普朗克常量，V—入射光频率,V_g—发生本征吸收的入射光最低频)。

而波长λ和光频率V之间的关系为λ＝C/V(C为光速)，也就是说，当温度升高时，禁带宽度近似线性减小，则发生本征吸收的最长波长只与温度有关(不受外界应力等因素影响)，从而实现温度测量。

光纤传感是现代光纤技术的重要应用之一，具有体积小、精度高以及抗电磁干扰等优点。光纤珐珀应变传感器是光纤传感器的一种，通过获取并分析受外界应变影响下光纤传感器中传输光的强度、相位、波长以及偏振态等信息，可实现对桥梁、天平结构以及石油管道等大型工程结构的实时健康检测。但是，在应变测量过程中，由于温度因素对应变测量传感器有一定的影响，应变因素和温度因素的分离以及热应变的误差是应变传感器在实际应用中的重要问题之一。

目前，在光纤传感领域，应变和温度的测量主要是依靠光纤布拉格光栅和珐珀干涉腔。如2003年吴文江等人设计了一种法布里‐珀罗应变测试系统，并在预应力混凝土连续桥梁上与电阻式应变传感器进行了应变对比测试试验。试验结果表明，法布里‐珀罗光纤传感器易与钢筋、混凝土复合，适用于桥梁结构的应变测试，但是并不能应用于高温环境下结构应变的测量。基于悬臂梁结构的珐珀应变传感器，大多数采用并联双路珐珀干涉腔分析技术来消除悬臂梁基底热应变对应变测量的影响，但由于基底对两只珐珀传感器的热应变不会完全一样，因此也不能精确消除热应变导致的误差。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的光纤传感器无法同时测量温度和应变，提出了一种方案，将对应力不敏感的温度传感器和对温度不敏感的应变传感器组合，实现温度和应变的同时测量。

本发明的技术方案是：光纤珐珀应变传感器，其特征在于，包括相互熔接的两段光纤(1)和(2)，光纤(1)上与光纤(2)熔接的一端具有圆孔，圆孔与光纤(1)和(2)形成非本征型珐珀腔；所述光纤(2)的另一端平整，并具有测温镀膜层。

进一步的，上述测温镀膜层具体为砷化镓镀膜、磷化镓镀膜或硅镀膜之一。

进一步的，上述光纤为单模光纤。

进一步的，上述光纤(2)的长度为1mm。

进一步的，上述测温镀膜层的厚度为100-300nm。

进一步的，上述光纤(1)和(2)截取自同一光纤。

光纤珐珀应变传感系统，其特征在于，包括由2×1耦合器连接的光纤珐珀应变传感器、光源和解调器，其连接关系满足光源发出的光经耦合器后传输至传感器，并经传感器反射回耦合器，反射光经耦合器传输至用于处理反射光的解调器。

光纤珐珀应变传感器制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、加工光纤(1)，将其一端切割平整，在平整的端面加工圆孔；

S2、截取与光纤(1)相同的光纤(2)，将其一端切割平整后与光纤A熔接形成非本征型珐珀腔；

S3、将距离珐珀腔10㎝处光纤(1)或(2)的另一端切割平整，并使用研磨机研磨处理；

S4、对经研磨处理后的光纤端镀上测温镀膜层。

进一步的，上述测温镀膜层具体为砷化镓镀膜、磷化镓镀膜或硅镀膜之一。

进一步的，上述步骤S4中砷化镓薄膜的厚度为100nm。

进一步的，上述步骤S4的具体方法为：使用溅射离子镀膜设备在真空环境下用高能离子轰击砷化镓靶材，使靶材表面的离子获得能量并逸出表面，并沉积于所述研磨处理后的光纤端，形成砷化镓薄膜。