[发明专利]制造光纤传感器探针的设备及其制造方法

说明书

本发明公开了一种使用激光辅助技术作为加热源来制造U形弯曲光纤传感器、换能器和波导的设备(100)。所述设备包括加热源(110)和机器人铰接臂(130)，所述机器人铰接臂可以改变具有二氧化硅或聚合物包层的光纤(150)的几何形状，并且除了以自动化的方式扭转和弯曲所述光纤之外，还通过使所述聚合物包层去包层来制造传感器探针。所述光纤传感器探针的几何形状由所述加热源(110)、光束(112)的厚度、纤维的曝光时间和电动平台的定位来控制。所述设备的优点包括制造时间的减少，对于任何尺寸的光纤探针，可重复和可控的弯曲直径。

相关申请的交叉引用

本申请要求2019年11月15日提交的、题为“制造光纤传感器探针的方法和设备(AMethod And An Apparatus To Fabricate Fiber Optic Sensor Probes)”的印度临时专利申请第201941046643号的优先权。

技术领域

本公开总体上涉及光纤传感器，并且尤其涉及以自动化方式制造U形弯曲光纤光学传感器探针的设备。

背景技术

最近，U形弯曲光纤传感器探针已经获得了极大的关注，主要是由于其与周围介质的有效光相互作用而具有高吸光度和折射率灵敏度，样品体积低至几十微升，具有浸入式传感的可能性，并且易于探针操作。具有二氧化硅和聚合物纤维芯的多模光纤以及单模光纤已经被用来制造用于化学和生物传感应用的U形弯曲光纤探针。光纤光学探针由于其在宽波长范围内的适用性、高化学和热稳定性以及成熟的表面改性技术而得到广泛应用。

在过去三十年中，大量研究报告了通过手工方式制造U形弯曲光纤光学传感器探针(UFOS)。制造工艺通常包括将二氧化硅芯暴露于丁烷火焰中，以将二氧化硅芯的温度升高到800℃至1200℃，以便能够在使纤维经历弯曲之前，在纤维的受控长度上熔化熔融的二氧化硅。值得注意的是，除了几个光学参数之外，UFO的分析响应还受到其物理几何形状的高度影响。除了熟练工人的要求之外，手动弯曲方式中的一些主要限制包括制造的探针之间的U形几何形状的巨大不一致性。U形与所需的弯曲直径的显著偏差和弯曲平面中的倾斜非常常见，导致大的探针到探针的变化，已知这些变化直接影响探针的倏逝波吸收率和折射率灵敏度。因此，通过手动方式制造的U形弯曲探针需要对其几何形状和灵敏度进行全面表征，并且需要剔除一个批次中所制造的探针总数的高达50％-70％。

为了克服上述限制，Chiang及其同事已经报告了一种采用半手动机构来提高弯曲的几何形状的再现性的创新技术。在本文中，纤维远端被保持在一起，并穿过其直径等于所需的弯曲直径的直径的孔口(orifice)。将纤维末端紧紧地固定在固定的支架上，并将所述孔口附接至的金属板从支架上移开，同时将弯曲区域暴露于丁烷火焰。尽管这种技术允许通过简单的手段制造UFOS，但它仅限于较小直径的纤维(例如，总直径小于125Om的单模和多模纤维)。弯曲纤维所需的光纤的最小长度随着其直径的增加而增加，因为需要将它们的远端保持在一起，导致纤维的浪费。此外，纤维臂中的扭转可能是另一种可能性，除非纤维被保持在垂直于重力的平面中。此外，当新形成的U形弯曲区域过度暴露于火焰时，基于火焰的加热遭受探头的U形变形，这需要对火焰暴露进行精确控制。