[发明专利]一种高温温度和压力光纤法布里珀罗复合微纳传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种微纳传感器，特别涉及一种高温温度和压力光纤法布里珀罗(法珀)复合微纳传感器，属于光纤传感器技术领域。

背景技术

温度、压力的检测广泛应用到国民经济的各个领域，高温环境中同时监测温度、压力等参数，可以对系统的运行做出综合性的评价。在很多高温(大于800℃)、强电磁干扰、微小尺寸的应用环境中，目前的传感器尚不能满足这些极端需求，而光纤传感器因为本质耐高温、抗电磁干扰、尺寸小等优点可有效解决这些问题。

现有的高温环境应用光纤压力传感器主要是法布里珀罗干涉仪型传感器，Yizheng等和Frederik等分别于2005年和2009年制造了薄层结构的光纤法布里珀罗压力传感器，实现了最高600℃的压力测量，2011年，Chuang等使用无掺杂的纯石英光子晶体光纤替代普通光纤实现了超过700℃环境下的压力测量，测量温度极限主要由薄层材料及连接结构决定。该种压力传感器本身结构尺寸过大、材料连接困难、不同材料高温热失配造成的连接失效、传感器耐温极限低和温度交叉敏感等问题，严重限制了光纤FPI压力传感器向更高温度范围拓展。

2011年，马俊等利用熔融放电的方法将单模光纤与空芯玻璃管熔接到一起，熔球后形成微FP腔作为压力传感器，最高测试温度可达600℃，2013年，本课题组与密苏里科技大学合作采用飞秒激光微纳加工技术和熔融连接技术,在普通单模光纤上加工了封闭内腔式光纤FP压力传感器，降低了温度的交叉敏感，实验中实现了700℃高温环境下0～0.65MPa的压力测量。这种一体式法布里珀罗光纤压力传感器主要有两种不足，首先是普通单模光纤的纤芯掺入锗后会降低光纤的高温承受能力，只能在800℃以下正常传输光信号；其次是普通的干涉仪型光纤传感器对压力和温度两种物理参数都敏感，测量压力或温度时会出现交叉敏感的问题，且不能实现高温环境下温度和压力的同时测量。2013年，北京长城计量测试技术研究所的张慧君等利用半导体硅测温层和光纤构成法布里珀罗光纤传感器，是一种具有温度测量功能的光纤压力传感器，该传感器缺点为结构尺寸大，耐高温极限低等。光子晶体光纤和蓝宝石光纤可以耐受1200℃以上的高温，但是蓝宝石光纤没有纤芯，无法实现远距离传输光信号，且与普通单模光纤的连接也较为困难，而光子晶体光纤没有这方面的问题；对于单只法布里珀罗干涉仪压力传感器，反射膜厚度与温度灵敏度成正比，与压力灵敏度成反比，利用这一规律可以降低压力和温度交叉敏感的问题，但是无法解决压力和温度同时测量的问题。

发明内容

本发明的目的是为解决光纤传感器在高温环境下温度和压力复合测量中耐温极限低、双参数交叉敏感的问题，提供了一种高温温度和压力光纤法布里珀罗复合微纳传感器。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种高温温度和压力光纤法布里珀罗复合微纳传感器，由依次连接的光纤接入段、压力传感器段和温度传感器段组成；光纤接入段1用于将宽带光信号持续引入高温环境中的多功能传感器并将调制后的信号反馈；压力传感器段2用于在高温和压力作用下调制光信号，温度传感器段3用于在高温作用下调制光信号。

所述光纤接入段为实芯光纤，所述压力传感器段为空芯的薄壁光纤，所述温度传感器段为另一段实芯光纤；空芯的薄壁光纤中的微腔结构与光纤同轴。

所述压力传感器空芯光纤内径为10μm～120μm，外径为125μm，长度为10μm～2000μm；温度传感器实芯光纤外径为125μm，长度为10μm～2000μm；压力传感器的长度与温度传感器的长度应有显著差别。

所述光纤接入段采用单模光纤，包括普通单模光纤或全石英的光子晶体光纤；压力传感器段和温度传感器段采用单模光纤或其它耐高温的光纤。

一种高温温度和压力光纤法布里珀罗复合微纳传感器的加工方法如下：

当所述传感器各段光纤采用同一材质的情况下，用激光在两段光纤端面沿轴线加工圆柱形微腔，圆柱形微腔与光纤同轴；

将带圆柱形微腔的两个光纤进行连接，形成的圆柱形封闭腔构成法珀干涉型压力传感器段；确定其中一段光纤为光纤接入段，切去另一段光纤的多余部分，将剩余的光纤长度加工至所需长度，即构成法珀干涉型温度传感器段；

当所述传感器各段光纤采用不同材质的情况下，首先按上述方式加工圆柱形微腔，并切去多余光纤得到法珀干涉型压力传感器段，然后将压力传感器段分别与光纤接入段和温度传感器段进行连接，并切去温度传感器段光纤的多余部分，将剩余的光纤长度加工至所需长度。

所述连接可以采用熔接进行。