专利名称：微型全光纤f-p加速度传感器及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤传感技术，尤其涉及一种微型全光纤F-P加速度传感器及其制作方法。
背景技术：
加速度是物理学和工程领域非常重要的参数之一。加速度的测量在许多领域都有广泛的 应用，如在航空航天领域可用于导弹的制导、飞机的导航、人造卫星的姿态控制和国际空间 站低频加速度的测量等；在汽车工业，为了确定汽车本身的缓冲性能，主要用于悬浮系统， 预刹车/牵引系统，驾驶系统和安全系统；在电厂，可实现对大型电器设备的遥测，如发动机、 变压器等内部机组的测量等。因此加速度的测量具有重要的实际应用价值，研究开发新型实 用的加速度传感器尤为重要。
传统的基于简谐振动的机械式加速度计存在灵敏度低、体积庞大等缺点，在应用中受到 一定的限制。光纤传感器是一类优秀的传感器件，它的问世为解决传感器在恶劣环境下的使 用提供了出路，光纤传感器以其防爆、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、结构小巧等优点而越 来越受到人们的重视。由于目前许多领域都要求实时、实地、多参量测量,并且大都要求加速 度计具有体积小、质量轻、精度高、稳定性好等特性，这些都是光纤器件较易实现的。
基于干涉技术的光纤加速度计由于其精度高，应用范围广， 一直是人们致力研究的项目， 但在传感器微型化、高精度方面一直未得到较好的解决。光纤法布里-珀罗(F-P)干涉传感 器是目前历史最长、技术最为成熟、应用最为广泛的一种光纤传感器之一，已经被成功用于 测量温度、应变、压力、位移、超声波、折射率等参数，商用化程度很高。特别是，由于光 纤F-P传感器具有精度高、测量范围大、复用能力强、响应速度快等独特优势，用它进行加 速度测量已经引起了人们的广泛关注。
发明内容
本发明就是基于F-P干涉原理设计制作了一种微型化干涉式加速度传感器，使加速度计 实现了微型化、 一体化，并且该加速度计制作简单、灵敏度高、响应速度快、耐恶劣环境能 力强，受温度影响较小，特别是这种传感器可用于人、动物活体内或其它方面的加速度、振 动等相关参量的测量。
本发明公开了一种微型全光纤F-P加速度传感器，包括普通单模光纤、空芯光纤、实 芯光子晶体光纤，所述的普通单模光纤、空芯光纤、实芯光子晶体光纤顺次熔接，其中，实 芯光子晶体光纤轴向上，加工有与实芯光子晶体光纤横切面同圆心的若干个扇形通孔，各个 扇形通孔的分隔部分形成振动臂，所有扇形通孔和振动臂一起组成圆环形状，圆环所围的部 分形成振动块。
所述扇形通孔，即是在实芯光子晶体光纤上沿轴向的扇形孔，也即扇形通孔深度与实芯 光子晶体光纤长度相同。
所述振动臂端面处于实芯光子晶体光纤裸露端端面和实芯光子晶体光纤熔接端端面之 间，振动臂端面与振动块端面的高度差为0 80微米；振动臂厚度为3 20微米；振动臂的弧 所对应的圆心角为5° 15 °;振动块厚度为0~100微米。
所述扇形通孔的内径为8 20微米，外径为20 40微米。
所述振动臂的数量为2、 3或4个，且在不同数量的振动臂情况下，各个振动臂之间都按 圆心角对称。
实芯光子晶体光纤的长度为500微米~2毫米。
所述的空芯光纤，可以采用空芯光子晶体光纤，也可以采用空芯玻璃光纤。 采用空芯光子晶体光纤，则空芯光纤长度为10微米 10厘米；采用空芯玻璃光纤，则空 芯光纤长度为10微米 800微米。
本发明还公开了一种微型全光纤F-P加速度传感器的制作方法，该方法歩骤如下 1 )采用手动熔接的方法将普通单模光纤一端与空芯光纤的一端熔接；
2) 根据需要的F-P干涉腔长度，切割空芯光纤；
3) 采用手动熔接的方法将切割好的空芯光纤的切割端与实芯光子晶体光纤一端熔接；
4) 根据需要的长度，切割实芯光子晶体光纤；
5) 采用研磨盘将实芯光子晶体光纤精确研磨到设计长度；
6) 采用飞秒激光或157nm激光微加工法，在实芯光子晶体光纤的研磨端，加工出与实 芯光子晶体光纤横切面同圆心的若干个扇形通孔；在各个扇形通孔的分隔部分，加工出按圆 心角对称的振动臂。
上述加工步骤中，各个器件的参数如下 所述的空芯光纤长度为10微米~10厘米或10微米~800微米； 所述的实芯光子晶体光纤的长度为500微米~2毫米；
所述的扇形通孔轴向贯穿实芯光子晶体光纤；振动臂的数量为2、 3或4个，且在不同数 量的振动臂情况下，各个振动臂之间都按圆心角对称；振动臂端面处于实芯光子晶体光纤裸 露端端面和实芯光子晶体光纤熔接端端面之间，振动臂端面与振动块端面的高度差为0~80 微米，振动臂厚度为3 20微米，振动臂的弧所对应的圆心角为5° 15 °，振动块厚度为0~100 微米；扇形通孔的内径为8 20微米，外径为20 40微米；
本发明的有益技术效果是使传感器全光纤微型化、耐高温、制作简单、灵敏度高、响 应速度快、耐恶劣环境能力强。
图1 、微型全光纤F-P加速度传感器结构图2、振动臂数量为2时的微型全光纤F-P加速度传感器的端面结构图； 图3、振动臂数量为3时的微型全光纤F-P加速度传感器的端面结构图4、振动臂数量为4时的微型全光纤F-P加速度传感器的端面结构图； 图5、微型全光纤F-P加速度传感器实物照片；
附图中普通单模光纤l、空芯光纤2、实芯光子晶体光纤3、振动臂3-l、振动块3-2、 扇形通孔3-3、反射面4，熔接点2-l。
具体实施例方式
本发明公开的微型全光纤F-P加速度传感器包括普通单模光纤l、空芯光纤2、实芯光 子晶体光纤3，空芯光纤2的两端分别与普通单模光纤1和实芯光子晶体光纤3熔接，空芯 光纤2的空腔部分构成F-P干涉腔，其中实芯光子晶体光纤3轴向上，加工有与实芯光子 晶体光纤3横切面同圆心的若干个扇形通孔3-3，各个扇形通孔3-3的分隔部分形成振动臂 3-1，所有扇形通孔3-3和振动臂3-l—起组成圆环形状，圆环所围的部分形成振动块3-2。
F-P干涉腔在与普通单模光纤1和实芯光子晶体光纤3的两个熔接端上会形成两个反射 面4，理论分析不同材料形成的反射面4的反射率对微型全光纤F-P干涉式传感器千涉输出 信号的影响，从而决定如何在两个反射面进行何种镀膜处理从而得到不同的反射率。
构成F-P干涉腔的空芯光纤2的材料，可以选择空芯光子晶体光纤，如图l所示；也可 以选择空芯玻璃光纤。
在F-P干涉腔所选材料的问题上主要有以下考虑
1) 当测量环境对传感器的温度影响较小时，采用空芯玻璃光纤作为F-P干涉腔，此时 F-P千涉腔长度范围在10微米~800微米之间；
2) 当测量环境对传感器的温度影响较大时，采用空芯光子晶体光纤作为F-P干涉腔，此 时F-P干涉腔长度范围在10微米 10厘米之间，并且可为无限单模光子晶体光纤，即EPCF。
根据测量对象的加速度范围和所要求的灵敏度大小，设计实芯光子晶体光纤3、振动臂 3-l和振动块3-2的参数。根据设计的尺寸，利用飞秒激光或157nm激光等微加工方法将实 芯光子晶体光纤3的端面进行微加工，使得端面的各部分尺寸满足设计的要求
实芯光子晶体光纤3的长度范围为500微米 2毫米；
振动臂3-l端面与振动块3-2的高度差为0 80微米；g卩，振动臂3-l端面可以与振动块
3-2的端面在同一平面，也可以处于实芯光子晶体光纤3外端面和扇形通孔3-3底部之间。振
动臂厚度为3 20微米。
振动臂3-l的弧所对应的圆心角范围为5° 15° (圆心角度数范围)；
扇形通孔3-3的内径为8 20微米，外径为20 40微米；扇形通孔3-3的深度(长度)
与实芯光子晶体光纤3长度相同，振动块3-2的厚度范围为0~100微米；
根据不同的使用环境、灵敏度要求、测量范围，振动臂3-l的数量可为2、 3、 4个或更 多，如圓2、 3、 4所示，且在不同数量的振动臂3-1情况下，各个振动臂3-1之间都按圆心 角对称。
本发明的微型全光纤F-P加速度传感器的应用与最传统的F-P干涉仪的信号处理方法一
样
将微型全光纤F-P加速度传感器安置在需要测量加速度的部件上，伴随部件的运动，传 感器的振动块3-2会发生运动，从而使得F-P干涉腔的长度发生变化，最后将使得F-P干涉 腔输出的干涉信号的相位发生变化，从而实现高灵敏度的加速度检测。利用lx2耦合器、光 谱仪、数据采集器和计算机等常规的器件和信号处理方法可实现加速度的测量(很显然，本 发明的传感器也能完成振动量的测量)。其中本发明的传感器通过2xl的耦合器分别与光谱 仪的光源输出端和输入端相连接，光谱仪数据输出端与计算机相连接。
本发明的传感器的外观如图5所示。
本发明的微型全光纤F-P加速度传感器的制作方法如下
1) 采用手动熔接的方法将普通单模光纤1 一端与空芯光纤的一端熔接(熔接点2-l);
2) 根据需要的F-P干涉腔长度，切割空芯光纤2;
3) 采用手动熔接的方法将切割好的空芯光纤2的切割端与实芯光子晶体光纤3 —端熔接 (熔接点2-l);
4) 根据需要的长度，切割实芯光子晶体光纤3;
5) 采用研磨盘将实芯光子晶体光纤3精确研磨到设计长度；
6) 采用飞秒激光或157nm激光微加工法，在实芯光子晶体光纤3的研磨端，加工出与 实芯光子晶体光纤3横切面同圆心的若干个扇形通孔3-3;在各个扇形通孔3-3的分隔部分， 加工出按圆心角对称的振动臂3-1。
上述步骤中，各个器件的加工参数要求如下
所述的空芯光纤2长度为10微米 10厘米(空芯光子晶体光纤)或10微米~800微米(空 芯玻璃光纤)；
所述的实芯光子晶体光纤3的长度为500微米~2毫米；
所述的扇形通孔3-3轴向贯穿实芯光子晶体光纤3;振动臂3-1的数量为2、 3或4个， 且在不同数量的振动臂3-l情况下，各个振动臂3-1之间都按圆心角对称；振动臂3-l端面处 于实芯光子晶体光纤3裸露端端面和实芯光子晶体光纤3熔接端端面之间，振动臂3-1端面 与振动块3-2端面的高度差为0 80微米，振动臂厚度为3 20微米，振动臂3-l的弧所对应 的圆心角为5。 15。，振动块3-2厚度为0~100微米；扇形通孔3-3的内径为8 20微米，外 径为20 40微米
权利要求
1.一种微型全光纤F-P加速度传感器，包括普通单模光纤(1)、空芯光纤(2)、实芯光子晶体光纤(3)，所述的普通单模光纤(1)、空芯光纤(2)、实芯光子晶体光纤(3)顺次熔接，其特征在于实芯光子晶体光纤(3)轴向上，加工有与实芯光子晶体光纤(3)横截面同圆心的若干个扇形通孔(3-3)，各个扇形通孔(3-3)的分隔部分形成振动臂(3-1)，所有扇形通孔(3-3)和振动臂(3-1)一起组成圆环形状，圆环所围的部分形成振动块(3-2)。
2、 根据权利要求1所述的一种微型全光纤F-P加速度传感器，其特征在于振动臂(3-1) 端面与振动块(3-2)端面的高度差为0 80微米，振动臂厚度为3 20微米，振动臂(3-1) 的弧所对应的圆心角为5° 15°;振动块(3-2)厚度为0-100微米。
3、 根据权利要求1所述的一种微型全光纤F-P加速度传感器，其特征在于:扇形通孔(3-3) 的内径为8 20微米，外径为20 40微米。
4、 根据权利要求1所述的一种微型全光纤F-P加速度传感器，其特征在于振动臂(3-1) 的数量为2、 3、 4个或更多，且在不同数量的振动臂(3-1)情况下，各个振动臂(3-1)之 间都按圆心角对称。
5、 根据权利要求1所述的一种微型全光纤F-P加速度传感器，其特征在于实芯光子晶 体光纤(3)的长度为500微米 2毫米。
6、 根据权利要求1所述的一种微型全光纤F-P加速度传感器，其特征在于所述的空芯 光纤(2)，可以采用空芯光子晶体光纤，也可以采用空芯玻璃光纤。
7、 根据权利要求G所述的一种微型全光纤F-P加速度传感器，其特征在于采用空芯光 子晶体光纤时，空芯光纤(2)长度为10微米 10厘米；采用空芯玻璃光纤时，空芯光纤(2) 长度为10微米 800微米。
8、 一种微型全光纤F-P加速度传感器的制作方法，其特征在于该方法步骤如下1) 采用手动熔接的方法将普通单模光纤(1) 一端与空芯光纤(2)的一端熔接；2) 根据需要的F-P干涉腔长度，切割空芯光纤(2);3) 采用手动熔接的方法将切割好的空芯光纤(2)的切割端与实芯光子晶体光纤(3) — 端熔接；4) 根据需要的长度，切割实芯光子晶体光纤(3);5) 采用研磨盘将实芯光子晶体光纤(3)精确研磨到设计长度；6) 采用飞秒激光或157nm激光微加工法，在实芯光子晶体光纤(3)的研磨端，加工出 与实芯光子晶体光纤(3)横切面同圆心的若干个扇形通孔(3-3);在各个扇形通孔(3-3) 的分隔部分，加工出按圆心角对称的振动臂(3-1)。
9、根据权利要求8所述的一种微型全光纤F-P加速度传感器的制作方法，其特征在于所述的空芯光纤(2)长度为10微米 10厘米或10微米 800微米； 所述的实芯光子晶体光纤(3)的长度为500微米 2毫米；所述的扇形通孔(3-3)轴向贯穿实芯光子晶体光纤(3);振动臂(3-1)的数量为2、 3 或4个，且在不同数量的振动臂(3-1)情况下，各个振动臂(3-1)之间都按圆心角对称； 振动臂(3-1)端面处于实芯光子晶体光纤(3)裸露端端面和实芯光子晶体光纤(3)熔接端 端面之间，振动臂(3-1)端面与振动块(3-2)端面的高度差为0~80微米，振动臂厚度为3 20微米，振动臂(3-1)的弧所对应的圆心角为5。 15。，振动块(3-2)厚度为0 100微米； 扇形通孔(3-3)的内径为8 20微米，外径为20 40微米
全文摘要
本发明公开了一种微型全光纤F-P加速度传感器，包括普通单模光纤、空芯光纤、实芯光子晶体光纤，所述的普通单模光纤、空芯光纤、实芯光子晶体光纤顺次熔接，其特征在于实芯光子晶体光纤轴向上，加工有与实芯光子晶体光纤横截面同圆心的若干个扇形通孔，各个扇形通孔的分隔部分形成振动臂，所有扇形通孔和振动臂一起组成圆环形状，圆环所围的部分形成振动块；本发明还公开了微型全光纤F-P加速度传感器的制作方法。本发明的有益技术效果是使传感器全光纤微型化、耐高温、制作简单、灵敏度高、响应速度快、耐恶劣环境能力强。
文档编号G01P15/02GK101368979SQ20081023285
公开日2009年2月18日 申请日期2008年10月13日 优先权日2008年10月13日
发明者敏 刘, 涛 朱, 明 邓, 饶云江 申请人:重庆大学