温‑压传感器的制备方法、结构和温‑压测量系统、方法与流程

本发明属于光纤传感器领域，尤其涉及一种温-压传感器的制备方法、结构和温-压测量系统、方法。

背景技术：

光学中，法布里－珀罗干涉(Fabry–Pérot interferometer，FPI)结构应用到各类光纤传感器中，可以极大的提高传感精度。

在实际应用中，可以采用化学腐蚀和在光纤端面镀高反射薄膜等方法来制作FPI光纤传感器。

然而，现有的FPI光纤传感器一般只能检测一种物理参数，如温度或压力，如果要实现同时测量温度和压力，需要在传感器中同时安装温度和压力的传感元件，这样会增加传感器加工的工艺复杂度及安装复杂度。另一方面，现有的制作FPI光纤传感器的方法存在一定的弊端，比如，采用端面镀高反射薄膜的方法对镀膜设备和工艺具有较高要求，导致反射薄膜的反射率低，使得检测的压力精度低；化学腐蚀的方法在制作过程中需要利用腐蚀气体对光纤内部进行腐蚀以形成FDC腔，由于没法对腐蚀气体进行精确控制会使形成的FPI干涉腔的尺寸不够精准，从而导致检测到的压力的精度低，从而降低温度和压力测量系统的可靠性。

技术实现要素：

本发明提供一种温-压传感器的制备方法、结构和温-压测量系统、方法，旨在解决传感器加工的工艺复杂度高、安装复杂以及检测到的压力精度低，温度和压力测量系统的可靠性低的问题。

本发明提供的一种温-压传感器的制备方法，包括：将单模光纤的平整端面与石英玻璃管的平整端面进行熔接，并在距离熔接端口为预置长度的石英玻璃管上进行切割，将光纤气泡的球面覆盖该预置长度的石英玻璃管的切割端口，并对该光纤气泡与该切割端口的连接处进行熔接，得到该石英玻璃管的管腔与该光纤气泡的球面形成的该预置长度的法布里－珀罗干涉腔，沿与该切割端口平行的方向，将该光纤气泡的球面进行切割，得到与该预置长度的石英玻璃的切割端口连接的纳米薄膜，以该石英玻璃管与该单模光纤的连接处为起始位置，利用飞秒激光沿该单模光纤，写制用于检测温度的光纤布拉格光栅。

本发明提供的一种温-压传感器的结构，包括：单模光纤和预置长度的石英玻璃管，该单模光纤的一端与该石英玻璃管的一端连接，该石英玻璃管的另一端焊接有纳米石英薄膜，使得该石英玻璃管的管腔与该石英薄膜形成该预置长度的法布里－珀罗干涉腔，该单模光纤的纤芯内写制有用于检测温度的光纤布拉格光栅。

本发明提供一种温度和压力测量系统，包括：信号解调装置和温-压传感器；

温-压传感器用于测量待测环境中的温度和压力，并将经过法布里－珀罗干涉腔干涉和光纤布拉格光栅后反射的光信号发送至信号解调装置，信号解调装置用于对该光信号进行波长解调，得到该待测环境的温度变化引起的光信号漂移量和该待测环境的压力变化引起的光信号漂移量，信号解调装置用于将待测环境的温度变化引起的光信号漂移量和该待测环境压力变化引起的光信号漂移量转换为该待测环境的温度值和压力值，并将该温度值和压力值进行显示。

本发明提供一种温度和压力测量方法，包括：

温-压传感器测量待测环境中的温度和压力，并将经过法布里－珀罗干涉腔干涉和光纤布拉格光栅后反射的光信号发送至信号解调装置，信号解调装置对该光信号进行波长解调，得到该待测环境的温度变化引起的光信号漂移量和该待测环境的压力变化引起的光信号漂移量，信号解调装置将待测环境的温度变化引起的光信号漂移量和该待测环境压力变化引起的光信号漂移量转换为该待测环境的温度值和压力值，并将该温度值和压力值进行显示。

本发明提供的一种温-压传感器的制备方法、结构和温-压测量系统、方法，将单模光纤的平整端面与石英玻璃管的平整端面进行熔接，并在距离熔接端口为预置长度的石英玻璃管上进行切割，将光纤气泡的球面覆盖该预置长度的石英玻璃管的切割端口，并对该光纤气泡与该切割端口的连接处进行熔接，得到该石英玻璃管的管腔与该光纤气泡的球面形成的该预置长度的法布里－珀罗干涉腔，沿与该切割端口平行的方向，将该光纤气泡的球面进行切割，得到与该预置长度的石英玻璃的切割端口连接的纳米薄膜，以该石英玻璃管与该单模光纤的连接处为起始位置，利用飞秒激光沿该单模光纤，写制用于检测温度的光纤布拉格光栅。本发明与现有技术相比，有益效果在于：一方面将用于检测压力的法布里－珀罗干涉腔与用于检测温度的光纤布拉格光栅集成到一个传感器，可以实现温度和压力的同时检测，简化了温-压传感器加工的工艺复杂度和安装复杂度；另一方面，由于单模光纤为高反射表面，反射率高，不需要镀膜工艺即可实现高反射，另外，温-压传感器中法布里－珀罗干涉腔是通过切割预置长度的石英玻璃管以及熔接光纤气泡的表面得到的，该法布里－珀罗干涉腔的尺寸精准，提高了检测到的压力的精度，提高了温度和测量系统的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。

图1是本发明第一实施例提供的温-压传感器的制备方法的实现流程示意图；

图2-图9是本发明第一实施例提供的温-压传感器制备工艺的示意图；

图10是本发明第二实施例提供的温-压传感器的结构示意图；

图11是本发明第三实施例提供的温度和压力的测量系统的结构示意图；

图12是本发明第四实施例提供的温度和压力的测量方法的实现流程示意图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，图1为本发明第一实施例提供的一种温-压传感器的制备方法的实现流程示意图，图1所示的温-压传感器的制备方法主要包括以下步骤：

S101、将单模光纤的平整端面与石英玻璃管的平整端面进行熔接，并以熔接处为起始位置，切割预置长度的石英玻璃管。

该熔接端口为该单模光纤的平整端面与该石英玻璃管的平整端面熔接的接口。该预置长度为预先设置的该石英玻璃管的长度。在实际应用中该预置长度一般为10-30um，优选为20um。优选地，该单模光纤的直径与该石英玻璃管的直径相同。该单模光纤中纤芯的半径小于该石英玻璃管的内径。在实际应用中，将该单模光纤的一端和该石英玻璃管的一端切割成平整的端面，如图2所示，将该单模光纤的平整端面与该石英玻璃管的平整端面相对，利用光纤压脚固定于熔接机内部。将单模光纤的平整端面与石英玻璃管的平整端面进行熔接时，该驱动马达驱动两个光纤压脚进行相对运动，当该单模光纤的平整端面与该石英玻璃管的平整端面接触时，利用光纤熔接机的电极进行放电，并将单模光纤的平整端面与石英玻璃管的平整端面进行熔接。

如图3所示，以熔接端口为起始位置，切割预置长度的石英玻璃管，得到如图4所示的预置长度为L的玻璃管腔。

S102、将光纤气泡的球面覆盖该预置长度的石英玻璃管的切割端口，并对该光纤气泡与该切割端口的连接处进行熔接，得到该石英玻璃管的管腔与该光纤气泡的球面形成的该预置长度的FPI腔。

进一步地，将光纤气泡的球面覆盖该预置长度的石英玻璃管的切割端口，并对该光纤气泡与该切割端口的连接处进行熔接，具体包括：

通过对该光纤气泡施加预应力，将该光纤气泡的球面的凸面包膜置于该预置长度的石英玻璃管的切割端口内，且与该石英玻璃管的切割端口紧密贴合。

该光纤气泡为预先制备的光纤上的气泡，如图5中所示的气泡。该光纤气泡形成的薄膜为纳米薄膜。在实际应用中，如图5所示，利用光纤压脚将预先制备的光纤固定于该熔接机的内部，利用驱动马达驱动光纤压脚进行运动，如图6所示，使该光纤气泡的球面的凸面包膜置于该石英玻璃管的切割端口内。

将光源通过该单模光纤射向与该预置长度的石英玻璃管接触的光纤气泡的表面，并通过法布里－珀罗干涉光谱的包络的范围来判定该光纤气泡的凸面包膜的中心是否位于该石英玻璃管的中心。

当该法布里－珀罗干涉光谱的包络的范围最大时，确定该光纤气泡的凸面包膜的中心在该石英玻璃管的中心，并将该光纤气泡与该石英玻璃管的连接处进行熔接。

需要说明的是，当法布里－珀罗干涉光谱的包络的范围最大时，该光纤气泡的凸面包膜中的最薄处位于该石英玻璃管的中心。如图6所示，A点为该光纤气泡的中最薄的点，当A点所在的位置为该预置长度的玻璃管的管腔的圆心时，利用熔接机的电极放电，将该光纤气泡与该石英玻璃管的连接处进行熔接，得到了由该石英玻璃管的管腔与该光纤气泡的球面形成的，如图6所示的该预置长度的FPI腔。

S103、沿与该切割端口平行的方向，将该光纤气泡的球面进行切割，得到与该预置长度的石英玻璃的切割端口连接的纳米薄膜。

该纳米薄膜为该光纤气泡的表面的薄膜。如图7所示的，将该光纤气泡的球面进行切割时，切割的方向与该切割端口平行，在实际应用中，该切割线与该切割端口的距离不受限制，只要能保证该光纤气泡的球面切割后能形成薄膜即可。这样，当待测环境中的压力变化时，该光纤气泡形成的薄膜由于受到压力的影响会发生形变，使干涉光产生光谱漂移，进而通过该光谱漂移得到压力值。

S104、以该石英玻璃管与该单模光纤的连接处为起始位置，利用飞秒激光沿该单模光纤，写制用于检测温度的光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)。

进一步地，以该石英玻璃管与该单模光纤的连接处为起始位置，利用飞秒激光沿该单模光纤，写制用于检测温度的FBG，具体包括：

将与该FPI腔连接的所述单模光纤，置于显微镜下。

通过该显微镜将飞秒激光的光斑聚焦于该单模光纤与该石英玻璃管的熔接接口，并控制该飞秒激光在该单模光纤的纤芯内写制FBG。

控制该飞秒激光在该单模光纤的纤芯内写制FBG时，可以利用重复划线写制FBG，如图8，还可以利用点对点写制FBG，如图9所示。其中，FBG的长度小于1mm。这样当待测环境的温度变化时，FBG间隔发生变化，入射光经FBG反射后输出的温度光信号的波长发生变化，该温-压传感器将温度光信号发送到信号调解装置，并由该信号解调装置检测温度光信号的漂移量，进而得出该待测环境的温度。

本发明实施例中，将单模光纤的平整端面与石英玻璃管的平整端面进行熔接，并在距离熔接端口为预置长度的石英玻璃管上进行切割，将光纤气泡的球面覆盖该预置长度的石英玻璃管的切割端口，并对该光纤气泡与该切割端口的连接处进行熔接，得到该石英玻璃管的管腔与该光纤气泡的球面形成的该预置长度的法布里－珀罗干涉腔，沿与该切割端口平行的方向，将该光纤气泡的球面进行切割，得到与该预置长度的石英玻璃的切割端口连接的纳米薄膜，以该石英玻璃管与该单模光纤的连接处为起始位置，利用飞秒激光沿该单模光纤，写制用于检测温度的FBG。如此，一方面将用于检测压力的FPI腔与用于检测温度的FBG集成到一个传感器，可以实现温度和压力的同时检测，简化了温-压传感器加工的工艺复杂度和安装复杂度；另一方面，由于单模光纤为高反射表面，反射率高，不需要镀膜工艺即可实现高反射，另外，温-压传感器中FPI腔是通过切割预置长度的石英玻璃管以及熔接光纤气泡的表面得到的，该FPI腔的尺寸精准，提高了检测到的压力的精度，提高了温度和测量系统的可靠性。

作为本发明的第二个实施例，如图10所示，本发明实施例提供了一种温-压传感器的结构示意图，该温-压传感器的结构包括：单模光纤101和预置长度的石英玻璃管102；

其中，单模光纤101的一端与石英玻璃管102的一端连接。

石英玻璃管102的另一端焊接有纳米石英薄膜103，使得石英玻璃管102的管腔与石英薄膜103形成该预置长度的FPI腔104。

该预置长度为预先制备的FPI腔的长度，在实际应用中该预置长度一般为10-30um，优选为20um。FPI腔104为封闭的内腔，FPI腔104中，石英薄膜103和与石英薄膜103相对的单模光纤的截面构成了FPI的两个反射面，当待测环境中的压力发生变化时，该石英薄膜103发生形变，这样会使得入射光在两个反射面干涉后的波长发生变化，该温-压传感器将干涉后的压力光信号发送到信号解调装置，由该信号解调装置检测该压力光信号的漂移量，进而得出该待测环境的压力值。

进一步地，该石英薄膜103通过与石英玻璃管102的另一端熔接来进行覆盖。该石英薄膜为中间厚两边薄的纳米薄膜，这样，对压力更加敏感，增加压力检测的精度。

进一步地，石英薄膜103的中心与石英玻璃管102的截面的中心重合。

单模光纤101的纤芯内写制有用于检测温度的FBG105。

其中，FBG105的长度小于1mm。单模光纤101与石英玻璃管102的连接处均为平整端口。由于受到待测环境的温度影响，会使得FBG间隔尺寸发生变化，该入射光经过该FBG反射后，输出的温度的光信号的波长发生变化，该温-压传感器将该温度光信号发送至该信号解调装置，由该信号解调装置检测该温度光信号的漂移量，进而得出该待测环境的压力值。需要说明的是，该压力光信号与该温度光信号为不同的波长范围，这样便于信号解调装置对该压力光信号和该温度光信号进行解调。

进一步地，该FBG的形状为线形、圆形或椭圆形。

本发明实施例中，温-压传感器的结构包括：单模光纤101和预置长度的石英玻璃管102，其中，单模光纤101的一端与石英玻璃管102的一端连接，石英玻璃管102的另一端焊接有石英薄膜103，使得石英玻璃管101的管腔与石英薄膜103形成该预置长度的FPI腔104，单模光纤101的纤芯内写制有用于检测温度的FBG105。如此，将用于检测压力的FPI腔与用于检测温度的FBG集成到一个传感器，可以实现温度和压力的同时检测，简化了温-压传感器加工的工艺复杂度和安装复杂度。由于光纤薄膜为高反射表面，反射率高，不需要镀膜工艺即可实现高反射，另外，温-压传感器中FPI腔的腔长是预置长度的，该FPI腔的尺寸精准，提高了检测到的压力的精度，提高了温度和测量系统的可靠性。

请参阅图11，图11是本发明第三实施例提供的温度和压力的测量系统的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。图11示例的温度和压力的测量系统，主要包括：信号解调装置111和温-压传感器112。以上各功能模块详细说明如下：温-压传感器112，用于测量待测环境中的温度和压力，并将经过FPI腔干涉和FBG反射的光信号发送至该信号解调装置111。

在实际应用，温-压传感器112通过单模光纤与信号解调装置111相连，还用于接收信号解调装置111发射的光。信号解调装置111发射的光经过FPI腔干涉以及FBG反射后，输出光信号的波长会发生改变，温-压传感器112将光信号通过单模光纤发送至信号解调装置111。

信号解调装置111，用于对该光信号进行波长解调，得到该待测环境的温度变化引起的光信号漂移量和该待测环境的压力变化引起的光信号漂移量。

信号解调装置111，用于将该待测环境的温度变化引起的光信号漂移量和该待测环境压力变化引起的光信号漂移量转换为该待测环境的温度值和压力值，并将该温度值和压力值进行显示。

实际应用中，如图3所示，该信号解调装置111包括：白光光源1111、3dB耦合器1112和解调仪1113。信号解调装置111中的白光光源通过单模光纤将该光发射到3dB耦合器1112，3dB耦合器1112将该预置波长的光通过单模光纤发射到该温-压传感器112。该预置波长为预先设置的信号解调装置111发送到温-压传感器112中的入射光的波长。该预置波长包括预置温度信号的波长和预置压力信号的波长。

进一步地，信号解调装置111，用于将该待测环境的温度变化引起的光信号漂移量和该待测环境的压力变化引起的光信号漂移量转换为温度电信号和压力电信号。

举例说明，信号解调装置111将该温度光信号的漂移量1nm转换为温度电信号Xmv，信号解调装置111将该压力光信号的漂移量-1nm转换为温度电信号-Xmv。

信号解调装置111，用于利用预置补偿值对该温度电信号和该压力电信号进行补偿和校准，并利用预设温度修正值和预设压力修正值分别对补偿后的温度电信号和补偿后的压力电信号进行修正。

该预置补偿值为预先设置的对该温度电信号和该压力电信号进行补偿的数值。该预置补偿值可以通过补偿公式计算得出，也可以为某一固定的数值。该预设温度修正值为通过实验标定的数值，用来修正该压力电信号对该温度电信号的干扰。该预设压力修正值为通过实验标定的数值，用来修正该温度电信号对该压力电信号的干扰。

信号解调装置111，用于分别将修正后的温度电信号和修正后的压力电信号转换为该温度值和该压力值。

本发明实施例，温-压传感器112用于测量待测环境中的温度和压力，并将经过法布里－珀罗干涉腔干涉和光纤布拉格光栅后反射的光信号发送至信号解调装置111，信号解调装置111用于对该光信号进行波长解调，得到待测环境的温度变化引起的光信号漂移量和所述待测环境的压力变化引起的光信号漂移量，信号解调装置111用于将该待测环境的温度变化引起的光信号漂移量和该待测环境压力变化引起的光信号漂移量转换为该待测环境的温度值和压力值，并将该温度值和压力值进行显示。如此，一方面，由于温-压传感器可以实现温度和压力的同时检测，简化了温-压传感器加工的工艺复杂度和安装复杂度；另一方面，由于该温-压传感器中单模光纤为高反射表面，反射率高，不需要镀膜工艺即可实现高反射，另外，温-压传感器中法布里－珀罗干涉腔的尺寸精准，提高了检测到的压力的精度，提高了温度和测量系统的可靠性。

请参阅图12，图12是本发明第四实施例提供的温度和压力的测量方法的实现流程示意图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。图4所示的温度和压力的测量方法主要包括：

S1201、温-压传感器测量待测环境的温度和压力，并将经过FPI腔干涉和FBG反射的光信号发送至信号解调装置。

S1202、该信号解调装置对该光信号进行波长解调，得到该待测环境的温度变化引起的光信号漂移量和该待测环境的压力变化引起的光信号漂移量。

S1203、该信号解调装置将该待测环境的温度变化引起的光信号漂移量和该待测环境的压力变化引起的光信号漂移量转换为温度值和压力值，并将温度值和压力值进行显示。

进一步地，该信号解调装置将该待测环境的温度变化引起的光信号漂移量和该待测环境的压力变化引起的光信号漂移量转换为温度值和压力值，并将温度值和压力值进行显示，具体包括：

该信号解调装置将该待测环境的温度变化引起的光信号漂移量和该待测环境的压力变化引起的光信号漂移量转换为温度电信号和压力电信号。

该信号解调装置利用预置补偿值对该温度电信号和该压力电信号进行补偿和校准，并利用预设温度修正值和预设压力修正值分别对补偿后的温度电信号和补偿后的压力电信号进行修正。

该信号解调装置分别将修正后的温度电信号和修正后的压力电信号转换为该温度值和所述压力值。

该预置补偿值为预先设置的对该温度电信号和该压力电信号进行补偿的数值。该预置补偿值可以通过补偿公式计算得出，也可以为某一固定的数值。该预设温度修正值为通过实验标定的数值，用来修正该压力电信号对该温度电信号的干扰。该预设压力修正值为通过实验标定的数值，用来修正该温度电信号对该压力电信号的干扰。

本实施例中的未尽细节，请参照第三实施例，在此不再赘述。

本发明实施例中，温-压传感器测量待测环境的温度和压力，并将经过FPI腔干涉和FBG反射的光信号发送至信号解调装置，该信号解调装置对该光信号进行波长解调，得到该待测环境的温度变化引起的光信号漂移量和该待测环境的压力变化引起的光信号漂移量，该信号解调装置将该待测环境的温度变化引起的光信号漂移量和该待测环境的压力变化引起的光信号漂移量转换为温度值和压力值，并将温度值和压力值进行显示。如此，一方面，由于温-压传感器可以实现温度和压力的同时检测，简化了温-压传感器加工的工艺复杂度和安装复杂度；另一方面，由于该温-压传感器中单模光纤为高反射表面，反射率高，不需要镀膜工艺即可实现高反射，另外，温-压传感器中法布里－珀罗干涉腔的尺寸精准，提高了检测到的压力的精度，提高了温度和测量系统的可靠性。

在本申请所提供的多个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信链接可以是通过一些接口，装置或模块的间接耦合或通信链接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。

所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简便描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定都是本发明所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上为对本发明所提供的温度和压力测量系统和方法的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。