温度自补偿型光纤EFPI超声波传感器的制作方法与流程

本发明涉及光纤超声波传感器技术领域，特别涉及一种温度自补偿型光纤efpi(extrinsicfabry-perotinterferometer，外腔式法布里-帕罗干涉型传感器)超声波传感器的制作方法。

背景技术：

目前国内外工业设备用超声波信号监测有多种方法，压电超声法检测法是最普及的方法，但传感器是贴在设备外壳上的，其检测设备内部的超声波信号，不易受到电磁噪声的干扰，但灵敏度不高。也有将压电传感器放置在设备外壳的内部，在液体中检测超声波信号的，但由于压电超声传感器在液体中检测灵敏度也不高，同时不能放在强电场中，或带高电压部位处进行测量，使其检测方法受到限制。

光纤efpi传感器通常由光纤端面和膜片端面构成f-p微谐振腔，当压力作用在膜片上将使膜片变形，使得法布里-帕罗腔(以下简称f-p腔)腔长发生变化，从而实现传感。efpi传感器具有体积小、损耗低、干扰小、绝缘性能好和防燃防腐蚀的优点而具有广泛的应用前景。近年来提出了一些设计方案，如2001年donc.abeysinghe等在包层直径分别为200微米和400微米，芯径为190微米和360微米的多模光纤端面刻蚀出微腔，然后在该端面键合上硅片构成传感器；2005年junchengxu等利用氢氟酸蚀刻大芯径的石英光纤获得石英膜片，石英膜片熔接于毛细管端面处，切割的单模光纤瑞面伸入到该毛细管中就与石英膜片构成了光纤法布里-帕罗超声波传器感；2006年xiaodongwang等在500微米厚的pyrex玻璃微加工出微腔体，然后硅片键合在pyrex玻璃上，并和伸入腔体的光纤端面构成了光纤法布里-帕罗腔；2006年王鸣等利用单晶硅片，玻璃圆管，光纤法兰盘和光纤插头构建了光纤法布里-帕罗腔。2012年江俊峰等提出了无胶封装的制作efpi传感器和制作方法。

已有的光纤efpi传感器制作方法对于f-p腔腔长的定位精度不足，又由于焊接应力和应变的影响，导致所制作的光纤efpi传感器不适合高频快速的超声 波信号的监测，已有的光纤efpi传感器制作方法多采用单一的方式对f-p腔进行封装，可靠性低，批量制作的一次成功率低，没有实现温度补偿并且温度特性的一致性差。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种温度自补偿型光纤efpi超声波传感器的制作方法。该制作方法提高了传感器批量制作的一次成功率和性能一致性，提高传感器可靠性和使用寿命。也实现f-p腔腔长的精确定位和精确的定点焊接，保证对超声波信号有很高的灵敏度和测量精度。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：本发明涉及一种温度自补偿型光纤efpi超声波传感器的制作方法，该温度自补偿型光纤efpi超声波传感器包括传感器体单元和设置在该传感器体单元内部的传感器头单元，所述传感器头单元包括毛细管、膜片以及设置在毛细管内的光纤和套头支架，该制作方法包括以下步骤：

传感器头单元的制作，先将膜片焊接在毛细管的端部，然后将光纤固定在套头支架内，再将光纤和套头支架从毛细管的另一端置入毛细管内并最后将套头支架与毛细管焊接固定，使膜片的内表面、光纤的前端面以及毛细管的内表面共同界定形成一个法布里-帕罗腔；以及

将所述制作好的传感器头单元装配至传感器体单元的内部并封装固定。

进一步，在所述套头支架置入毛细管内部之前，在该套头支架的外侧表面采用脉冲激光进行毛化处理。

优化的，所述光纤与套头支架固定的方法是采用激光深熔方式焊接，焊接的位置与该套头支架的前端面之间的距离为200～500μm。

进一步，在所述套头支架与毛细管进行焊接工序之前，通过一监测系统实 时监测所述法布里-帕罗腔的腔长，并通过控制三维移动平台来调节光纤、套头支架与毛细管使得该腔长保持在一预定值；该法布里-帕罗腔的腔长为膜片内表面与光纤前端面之间的距离。

具体而言，所述监测系统监测法布里-帕罗腔的腔长的具体步骤为：将光束从光纤导入法布里-帕罗腔内，通过监测系统中的光谱仪来接收光束在光纤前端面和膜片内表面分别反射光线所产生的干涉光谱，最终根据该干涉光谱计算出法布里-帕罗腔的腔长。

进一步，在所述套头支架与毛细管焊接中，先在毛细管的圆周均匀熔接多个预焊点，然后再对套头支架与毛细管进行深熔焊接，深熔焊接的焊点靠近该预焊点并位于与所述套头支架前端面相反的方向上。

进一步，所述传感器体单元包括一传感器护套和光纤套管，将所述传感器头单元装配至传感器体单元的内部时，先将传感器头单元装入传感器护套内，再将光纤套管装配在传感器护套的一端，以对内部的传感器头单元进行定位，最后进行灌封胶工艺。

优化的，在灌封胶工艺中，在传感器护套的中部开设有多个工艺孔，可在该工艺孔中灌封环氧树脂或紫外胶并固化封装。

本发明的有益效果主要体现在以下几个方面：

1、本发明提出的采用激光焊接封装传感器头单元，同时采用灌封胶的方式固定和密封套头支架尾端，将膜片激光焊接在毛细管端部，实现了双重密封f-p腔，防止外界物质进入或干扰f-p腔，提高了传感器的准确度和使用可靠性。

2、本发明提出应用efpi传感器f-p腔腔长的监测、解调、定位、焊接系统，进行f-p腔腔长调节、焊接固定的全程操作，实现f-p腔腔长的精确定位和精确的定点焊接，保证光纤efpi超声波传感器对超声波信号有很高的灵敏度和测量精度；保证光纤efpi超声波传感器具有温度自补偿功能的同时，提高传感器批量制作的一次成功率和性能一致性；提高传感器可靠性和使用寿命。

附图说明

图1是实施例中涉及的光纤efpi超声波传感器中的传感器头单元的外部结构示意图；

图2是实施例中涉及的传感器头单元的正面示意图；

图3是图2中沿着a-a方向的剖视图；

图4是实施例中涉及的温度自补偿型光纤efpi超声波传感器的整体外观图；

图5是实施例中涉及的温度自补偿型光纤efpi超声波传感器的正面示意图；

图6是实施例中涉及的f-p腔腔长的监测、解调、定位、焊接系统原理示意图。

具体实施方式

下面就以具体实施例对本发明所涉及的温度自补偿型光纤efpi超声波传感器的结构以及制作方法作进一步阐述：

参见图1至图3所示，本实施例中提供了一种光纤efpi超声波传感器30，包括传感器头单元20和传感器体单元，所述传感器体单元包括传感器护套9，该传感器头单元20设置在该传感器护套9内部，所述传感器头单元20包括毛细管3以及一部分设置在毛细管3内的光纤1和用于固定光纤1的套头支架2，在所述毛细管3的一端上还设置有用于感测超声波振动的膜片4，该膜片4的内表面13、光纤1的前端面12以及毛细管3的内表面共同界定形成一个法布里-帕罗腔11，该光纤1的前端面12构成该法布里-帕罗腔11的第一个反射面，该膜片4的内表面13构成该法布里-帕罗腔11的第二个反射面。

光纤efpi超声波传感器的工作过程如下：当超声波作用时，传感器头单元20的膜片4感应超声波发生弹性共振效应，振动的频率和幅值与感应到的超声波的频率和幅值具有正相关性。从而使传感器头单元20中f-p腔(法布里-帕罗腔11)的腔长发生对应的波动性变化。当有窄带光源通过光纤1接入后，通 过对光纤efpi超声波传感器的反射光谱相干干涉光强度的幅值、频率和其变化，进行信号采集、特征提取和分析，从而获取超声波的传感信息。

上述膜片4用作弹性膜片，感受所处环境中的超声波振动，发生弹性共振效应，膜片4的材料是石英或单晶硅片，厚度为loμm～100μm。

毛细管3是传感器头单元20的一部分，同时也用作传感器中的支撑结构和传输光纤1的容纳结构，形状为环形圆柱，制作材料是pyrex玻璃或其他玻璃材料，毛细管3的内径优选为900-1200μm，壁厚300-400μm，该毛细管3的前端面与膜片4的内表面13熔接在一起。采用膜片4的厚度和毛细管3的内径与所测超声波的中心频率相对应，根据需要，计算选择对应的膜片和毛细管的具体规格。

套头支架2用作光纤1的支撑结构和固定结构，制作材料是pyrex玻璃或其他玻璃材料，形状为圆柱形，中间开有一个轴向通孔，用于支撑和固定光纤1，轴向通孔直径优选为126～136μm。套头支架2的侧表面毛化处理，在装配定位过程中用作气体渗透层。

光纤1用于传输入射光和出射光，该光纤1由套头支架2中间的轴向通孔内穿过，光纤1与套头支架2熔接固定，用作传输的光纤1种类是单模光纤或多模光纤。光纤1的前端面12伸出套头支架2前端面14的距离为200～500μm，光纤1与套头支架2熔接的位置5在套头支架2的前端面14的靠后200～500μm的位置。即光纤1穿过该轴向通孔并且该光纤1的前端面12伸出该套头支架2的前端面12一段距离，这样可以保证，光纤1前端的长度受温度变化干扰的影响最小。

所述的法布里-帕罗腔11的腔长的调节和固定通过专用的在线监测、解调、定位、焊接系统进行控制和操作，保证腔长固定在设定的长度内，保证测量的准确性。

所述套头支架2与毛细管3之间通过激光熔接，熔接点的位置6与套头支架前端面14之间的距离为l2，熔接点的位置6与毛细管3前端面之间的距离为l3，l2与l3的比值等于该毛细管3的热膨胀系数α3与套头支架2的热膨胀系数α2之间的比值，且α2大于α3。

上述温度自补偿的原理和实现方式：首先选择材料，要保证套头支架2的 热膨胀系数(α2)大于毛细管3的热膨胀系数(α3)。如图3所示，根据公式：δl2＝α2*l2*δt；δl3＝α3*l3*δt；为了使δl2＝δl3，则有：l2/l3＝α3/α2，(l3-l2为已知，即为法布里-帕罗腔11的腔长)，则可求解出l2和l3的具体数值，即可计算出能够实现温度自补偿的熔接点的位置6。当工作环境温度变化时，套头支架2与毛细管3的伸长或收缩的长度相等，从而保证f-p腔腔长的恒定不变，也就实现了传感器的温度自补偿功能。

如图4和图5所示，传感器体单元包括传感器护套9、光纤套管8等保护结构件。传感器护套9用作传感器头的支撑结构和保护结构。传感器护套9安装在传感器头的外部，前端伸出的长度超过膜片4，形状为鼠笼状圆柱形用于保护膜片4；后端的延长段内孔15与光纤套管8配合，用于固定光纤套管8，保护光纤1，避免光纤1过度折弯。在传感器头单元20与外部的保护结构件的装配时，需要先将传感器护套9和光纤套管8如图4所示的位置进行装配。传感器护套9的中部开有打胶工艺孔，用于传感器头单元20的固定和光纤1连接部位的保护。

光纤套管8是装配在传感器头单元20的尾部，用于保护光纤1，制作材料为氟硅胶塑料管。它的内孔与光纤1的保护皮层7配合，外径略大于传感器护套9尾部的内孔直径，使光纤套管8与传感器护套9为紧配合，从而固定光纤套管8。传感器护套9的中部有4个对称的打胶工艺孔，光纤支架2和保护皮层7的连接部位正对在打胶工艺孔的下面，打胶工艺孔中灌封的是环氧树脂或紫外胶。传感器护套9的外表面尾部预留了1～3个内凹的环形卡槽10，可安装卡簧或橡胶圈，用于传感器工程安装的工艺结构。

本实施例中还提供了上述温度自补偿型光纤efpi超声波传感器的制作方法，主要分为两个步骤，第一步：传感头单元20制作，第二步：将传感头单元20装配进传感器体单元内。

第一步，传感头单元制作的具体步骤：

步骤1、膜片4与毛细管3的激光热熔。膜片4优选采用双面抛光的单晶硅片，将厚度为loμm～100μm的双面抛光的单晶硅片清洗后，通过激光热熔的方式焊接在毛细管3的端部；超过毛细管3外边缘的多余膜片，采用激光切割的方式切除。

步骤2、将光纤1与套头支架2固定。光纤1与套头支架2固定的方法是采用激光深熔方式，熔接的位置在套头支架2前端面14靠后200～500μm的位置。作为优选措施，套头支架2的外侧表面采用脉冲激光进行毛化处理，形成的毛化层在装配定位过程中用于气体的渗透。

步骤3、法布里-帕罗腔11(f-p腔)的腔长的监测以及解调。f-p腔腔长的监测、解调、定位、焊接系统基本原理如图6所示。整个系统主要由电脑和系统控制软件30，二氧化碳激光器31，腔长检测系统33，三维移动平台及驱动器32组成。在加工过程中，为了使f-p腔的腔长保持预设值，使用腔长检测系统对f-p腔腔长实时监测，当f-p腔腔长与预设值有偏差时电脑和系统控制软件30通过控制三维移动平台及驱动器32来调节光纤1、套头支架2与毛细管3之间的位置关系使得该腔长始终保持在预设值。

上述腔长检测系统33监测法布里-帕罗腔11的腔长的具体步骤为：将光束从光纤1导入法布里-帕罗腔11内，通过腔长检测系统33中的光谱仪来接收光束在光纤1前端面和膜片4内表面分别反射光线所产生的干涉光谱，最终根据该干涉光谱计算出法布里-帕罗腔11的腔长。

步骤4、套头支架2毛细管3间的固定和密封。通过步骤3中的系统在毛细管3另一端通过加装支架使得其内径与套头支架2的外径相匹配，当腔长调整至合适长度时，通过二氧化碳激光器30进行激光深熔焊接操作，将激光聚焦在毛细管3内壁和套头支架2外壁接触的位置，进行脉冲激光深熔焊接。通过上面所述的温度补偿定位算法，计算出能够实现温度自补偿的熔接点的位置6。在焊接时，首先在温度自补偿熔接点的位置，沿毛细管3的圆周平均分布焊接三个熔接点，作为预焊点，用作下一步深熔焊接的预固定，防止焊接应力变形而改变f-p腔腔长。再进行深熔焊接，深熔焊接的位置选择在与预焊点相邻的与套头支架2前端面相反的方向，这样保证焊接应力变形只发生在与传感器头单元20端头相反的方向。在深熔焊接的之前和之后的时间，采用适当的脉冲激光预热和激光退火工艺，以减小器件的焊接应力。

通过以上步骤，传感器头单元20制作完成。

第二步：整体传感器装配的具体步骤：

步骤1、传感器头单元20与传感器体单元的装配。先将传感器护套9和光 纤套管8如图4所示的位置进行装配，因光纤套管8为软弹性材料，并与光纤保护皮层7和传感器护套9都是紧配合，所以装配到位后，所有器件包括内部的传感器头单元20的位置即相对固定。

步骤2、将传感器护套9与传感器头单元20封装，即采用灌封胶方式进行封装。传感器护套9的中部有四个对称的工艺孔，套头支架2和光纤保护皮层7的连接部位正对在工艺孔的下面。在工艺孔中灌封环氧树脂或紫外胶，胶经过固化后，一个完整温度自补偿型光纤efpi传感器即制作完成。

以上实施例仅为本说明书为便于理解发明内容所列举的部分实施方式，并非对本发明的技术方案进行的任何限定，也非所有可实施方案的穷举，故凡是对本发明的结构、流程或步骤所做出的任何微小改进或等效替代，均应包含在其保护范围之内。