一种高温温度和压力光纤法布里珀罗复合微纳传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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SO(TC)、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。
[0003] 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?自罗压力 传感器，实现了最高600°C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°C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。
[0004] 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°C，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°C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°C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°C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】
[0005] 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。
[0006] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0007] -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。
[0008] 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。
[0009] 所述压力传感器空芯光纤内径为IOym~120 μm，外径为125 μm，长度为 10 μ m~2000 μ m ;温度传感器实芯光纤外径为125 μ m，长度为10 μ m~2000 μ m ;压力传感 器的长度与温度传感器的长度应有显著差别。
[0010] 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。
[0011] -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：
[0012] 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；
[0013] 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；
[0014] 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。
[0015] 所述连接可以采用熔接进行。
[0016] 本发明的一种高温温度和压力光纤法布里珀罗复合微纳传感器，其温度传感器与 压力传感器的腔长有显著的差别，通过采集后向反射光的光谱，并分析光谱的峰或谷的波 长，或使用光纤傅立叶变换白光干涉测量法（专利号：CN200710177837)实现对温度、压力 的同时测量。
[0017] 有益效果
[0018] 本发明设计了一种高温温度和压力光纤法布里珀罗复合微纳传感器，全石英光子 晶体光纤的结构可以有效地提高传感器的耐高温极限，在1200°C以上的高温环境内仍然正 常工作，也可以使用普通的单模光纤在800°C以下的环境中使用；传感器的温度传感器仅 受环境温度的影响，通过同时测量压力传感器段和温度传感器段的腔长变化可同时测量高 温环境下温度和压力的变化，解决了双参数测量时交叉敏感的问题，该传感器具有结构尺 寸小、耐高温和无双参数交叉敏感的优点。
【附图说明】
[0019] 图1为本发明实施例一种高温温度和压力光纤法布里珀罗复合微纳传感器的结 构示意图；
[0020] 图2为本发明实施例一种高温温度和压力光纤法布里珀罗复合微纳传感器的等 强度三光束干涉光谱图；
[0021] 图3为本发明实施例一种高温温度和压力光纤法布里珀罗复合微纳传感器的空 间频域干涉光谱图；
[0022] 附图标记：
[0023] 1-光纤接入段，2-压力传感器段，3-温度传感器段，4-光反射面a，5-光反射面b， 6-光反射面C0
【具体实施方式】
[0024] 下面将结合附图和实施例对本发明加以详细说明，同时也叙述了本发明技术方案 解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解， 而对其不起任何限定作用。
[0025] 实施例
[0026] 本发明的一种高温温度和压力光纤法布里珀罗复合微纳传感器，其结构如图1所 示，包括依次连接的光纤接入段1、压力传感器段2和温度传感器段3,由无截止的单模光子 晶体光纤制成；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