[发明专利]高阶模F‑P干涉高温探针传感器的制作方法与装置

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种基于高阶模法布里-珀罗干涉的高温光纤探针型传感器的制作方法与装置。

背景技术

探针型光纤传感器，由于其光纤材料本身成分为耐高温的为氧化硅，且其具有体积小、损耗低、并拥有特殊的结构特性和传感性能，因此被广泛的应用于温度传感，尤其是在狭小空间和高温恶劣环境中进行传感的特性更是其它大部分传感器所不具备的。在实际的各类高温环境应用中，对探针型光纤传感器性能和制作方法有以下三点要求：首先，其必须具备良好的温度灵敏度和热稳定性，以便在高温恶劣环境中稳定工作并精确测量出环境温度；其次，探头长度和直径尺寸可以在制作时能较为方便的做出调整，以便应用于不同的探测空间；最后，制作成本低，可实现规模化生产，并能产生良好的经济效益。因此如何设计一种高效、低成本、可重复操作且性能稳定的高温探针型传感器成为研究的热点

当前制作探针型光纤温度传感器有以下四种方法：

1）聚合物法：此传感器是利用光至聚合效应在光纤端面形成一个聚合物微尖端，利用光纤-聚合物和聚合物-空气间的折射率差形成两个反射面从而获得端头式在线本征法-珀干涉仪，其作为谐振腔介质的尖端聚合物的直径和长度分别是~7μm和36μm，由于其小的聚合物尖端直径，它有很强的倏逝场，从而被用来进行折射率传感，但聚合物的热稳定性又比较差，很难在高温的环境中应用。

2）石英毛细管熔接法：此传感器是把一段外径为125μm内径为20μm的空心石英毛细管与单模光纤熔接形成了端头式在线本征法-珀干涉仪探头，它解决聚合物微尖端FP腔的热稳定性的同时又增强了谐振腔与外界的接触成分，扩展了其用于传感的空间，其折射率和高温测量的灵敏度可以达到1053nm/RIU和8.1pm/℃，但是此探头的温敏性能差，且其直径尺寸受限于石英毛细管，不能制作任意直径尺寸的探头，用于不同应用场景。

3）飞秒激光加工法：此传感器是利用飞秒激光器的高能量将单模光纤的末端进行激光雕蚀，形成法-珀干涉仪探头。并用于高温测量, 其温度灵敏度可达到14.7pm/℃。 但是用于加工的飞秒激光器价格昂贵，制作陈本高，难以达到好的经济效益。

4）光纤腐蚀镀膜法：此传感器是在单模光纤尾端熔接一小段易被氢氟酸腐蚀的特殊光纤，然后将其固定在特制的光纤夹具中，将尾端浸入氢氟酸进行腐蚀。待光纤腐蚀至所需结构后取出，对光纤端头表面镀金属膜，从而制得法-珀干涉仪探头。此传感器，由于制作时需用氢氟酸腐蚀光纤并要在光纤表面镀金属膜，因此操作复杂、制作过程危险且制作成本高昂。

以上所述四类法布里-珀罗腔内探针型传感器，其腔内的干涉都是通过单模光纤内基模间的干涉形成。由于受光纤材料的热光系数和热膨胀系数限制，基模间干涉的法布里-珀罗腔其对外界环境的温度敏感度最高测试结果为16pm/℃，大多为12pm/℃左右。然而，光纤内的高阶模，特别是微光纤内的高阶模，由于其在光纤表面具有很大的倏逝场，且能量主要分布在微光纤表面，当法布里-珀罗腔内高阶模与基模产生干涉时，其温度灵敏度可成倍提高，且能在1000℃高温下稳定工作。因此，如何制作一种基于高阶模法布里-珀罗腔高温光纤探针型传感器，实现在高温环境下对温度进行精准探测具有重要的实际应用。

发明内容

本发明的目的是克服现有制作方法和技术的缺点与不足，提出种基于光纤高阶模法布里-珀罗干涉的高温探针型传感器，该传感器是将一段高V值的多模微光纤与单模光纤错位熔接形成微光纤法布里-珀罗干涉腔，利用微光纤内的高阶模与单模光纤的基模形成干涉，制得传感器。由于微光纤内的高阶模具有很大的倏逝场，因此其对外界环境温度更敏感，可实现高温环境条件下的温度精准探测。该传感器结构紧凑， 制作过程简单、灵活、安全、制作成本低、可重复性高且性能稳定。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。