本发明专利技术涉及一种基于飞秒激光微加工的微纳光纤振动传感器，属于光纤传感领域。单模光纤、空芯光纤和实芯光纤顺序熔接；用飞秒激光从实芯光纤端面烧蚀形成质量块和悬臂梁；所述质量块为圆柱体，该圆柱体的直径小于空芯光纤的内径；空芯光纤和实芯光纤通过悬臂梁固定连接。本发明专利技术避免了飞秒激光加工光纤所形成反射面的反射率低甚至没有反射的问题，且所探测的振动方向与光纤轴向平行，易于传感器的安装。所述振动传感器具有体积小、共振频率高、耐高温、抗电磁干扰等特点，可用于高温环境下的振动测量。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于飞秒激光微加工的微纳光纤振动传感器，属于光纤传感领域。
技术介绍
近年来，对于高温环境下的振动监测有了越来越多的需求，例如航空发动机的监测、大型设备的发电机、发动机、电动机监测等，工作温度可达1200℃。传统的高温振动传感器，依据将机械振动信号转换成电信号的原理可分为电涡流型、电磁感应型和压电效应型。由这些原理制成的商用高温振动传感器，如北航工艺所的SHQ-80、B.K公司的8310型、ENDVCO公司的6237M69A型和6237M70型，体积较大，且不能实现高于700℃的高温振动监测。近年来，为了进一步缩小振动传感器的体积，并提升振动传感器的工作温度，人们将目光转向光纤领域。光纤光栅广泛应用于振动测量，通常的做法是将光栅固定在悬臂梁上，通过波长的漂移检测出振动信号。但由于光纤光栅不能在300℃以上的高温中存活，所以基于光纤光栅制作的振动传感器不能实现300℃以上的高温振动监测。Perrone G等人提出一种非接触式强度调制型光纤振动传感器，但光源输出的波动和光纤距离振源位置的变化都会给传感器带来较大误差，且由于封装等原因的限制，也不能实现300℃以上的高温振动测量(Perrone G,Vallan A.A low-cost optical sensor for noncontact vibration measurements[J].Instrumentation and Measurement,IEEE Transactions on,2009,58(5):1650-1656.)。Gangopadhyay等人提出一种外腔式法布里-珀罗型振动传感器，当外界发生振动时，弹性反射镜的振动会改变法布里珀罗干涉仪的腔长，通过检测其相位变化，实现振动探测，但由于反射镜和透镜制作材料的限制，该方案也不能在500℃以上的高温环境下使用(Gangopadhyay T K,Chakravorti S,Bhattacharya K,et al.Wavelet analysis of optical signal extracted from a non-contact fibre-optic vibration sensor using an extrinsic Fabry–Perot interferometer[J].Measurement Science and Technology,2005,16(5):1075.)。Rines等人提出了基于单模光纤自身弹性的透射式外调制型光纤振动传感器，但由于封装等问题，该传感器并不能在800℃以上的高温环境中使用(Rines G A.Fiber-optic accelerometer with hydrophone applications[J].Applied optics,1981,20(19):3453-3459.)。Berthold等人对渐变型多模光纤和阶跃型多模光纤的微弯曲特性进行了分析，并应用于振动测量，但基于光纤的限制，并不能在800℃以上的高温环境下进行振动探测(Berthold III J W.Historical review of microbend fiber optic sensors[C]//10th Optical Fibre Sensors Conference.International Society for Optics and Photonics,1994:182-186.)。Ricardo等人利用聚焦离子束技术，制作了全光纤高温振动传感器(AndréR M,Pevec S,Becker M,et al.Focused ion beam post-processing of optical fiber Fabry-Perot cavities for sensing applications[J].Optics express,2014,22(11):13102-13108.)。该传感器体积小、可耐1000℃高温，但是加工所需设备昂贵，且光学反射面由离子束轰击而成，很难做到十分平整，导致反射率较低，信号较弱。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于飞秒激光微加工的微纳光纤振动传感器，该传感器体积小(φ125μm×1200μm)，可在1200℃高温环境下工作。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。一种基于飞秒激光微加工的微纳光纤振动传感器，包括：单模光纤，空芯光纤，实芯光纤；其中，实芯光纤由质量块和悬臂梁组成；单模光纤、空芯光纤和实芯光纤顺序熔接；所述实芯光纤的质量块为圆柱体，该圆柱体的直径小于空芯光纤的内径；空芯光纤和实芯光纤通过悬臂梁固定连接；所述质量块和悬臂梁是通过用飞秒激光从实芯光纤端面烧蚀形成的。所述空芯光纤的长度为30μm-1000μm，外径与单模光纤外径相同或接近，内径为10μm-100μm；所述实芯光纤长度为20μm-200μm。加工方法：步骤一、单模光纤和空芯光纤熔接；步骤二、切除多余的空芯光纤；步骤三、空芯光纤和实芯光纤熔接；步骤四、切除多余的实芯光纤；步骤五、飞秒激光烧蚀实芯光纤；步骤六、端面粗糙化处理。工作过程：探测光由单模光纤导入，在单模光纤与空芯光纤的熔接面形成第一次菲涅尔反射，在空芯光纤与实芯光纤的熔接面形成第二次菲尼尔反射，两次反射形成双光束干涉，反射光通过单模光纤导出至解调仪。当所述传感器受到平行于光纤轴向方向的振动时，质量块带动悬臂梁产生微弯，从而改变干涉仪的光程差，从而形成干涉型光纤振动传感器。有益效果：1、本专利技术的一种基于飞秒激光微加工的微纳光纤振动传感器，体积小，直径为125μm，长度不到1200μm，且耐1200℃高温；2、本专利技术的一种基于飞秒激光微加工的微纳光纤振动传感器，干涉信号质量好，有利于解调出振动信号。3、本专利技术采用飞秒激光烧蚀实芯光纤形成悬臂梁和质量块，大大减小了实芯光纤的抗弯刚度，使得输入的振动信号强度一定时，悬臂梁产生更大的弯曲，导致布里-珀罗干涉仪的腔长发生更大的变化，从而提高本振动传感器的灵敏度。4、本专利技术的振动传感部分为飞秒激光烧蚀实芯光纤后形成的悬臂梁结构，干涉仪的腔体为空芯光纤。实芯光纤和空芯光纤由纯石英制成，石英熔点高达1650℃，热膨胀系数仅为0.55×10-6/℃，对于温度不敏感，故本专利技术可用于高温环境下的振动探测，且对于温度的交叉灵敏度小。5、本专利技术中的悬臂梁与光纤轴向方向垂直，故可探测光纤轴向的振动，而不存在光纤径向方向的对准问题，易于实际应用中的封装与安装。附图说明图1为本专利技术所述基于空芯光纤的微纳光纤振动传感器的侧视图；图2为本专利技术所述基于空芯光纤的微纳光纤振动传感器的端面俯视图；图3为本专利技术所述基于空芯光纤的微纳光纤振动传感器的立体图。其中，1——单模光纤，2——空芯光纤，3——实芯光纤，4——质量块，5——悬臂梁，6——单模光纤与空芯光纤的熔接面，7——空芯光纤与实芯光纤的熔接面，8——质量块的末端端面。具体实施方式下面结合附图和具体实施方案对本专利技术的技术方案作进一步具体说明。实施例1一种基于飞秒激光微加工的微纳光纤振动传感器，包括：单模光纤1，空芯光纤2，实芯光纤3；其中，实芯光纤3由质量块4和悬臂梁5组成；本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于飞秒激光微加工的微纳光纤振动传感器，其特征在于：包括：单模光纤(1)，空芯光纤(2)，实芯光纤(3)；其中，实芯光纤(3)由质量块(4)和悬臂梁(5)组成；单模光纤(1)、空芯光纤(2)和实芯光纤(3)顺序熔接；所述实芯光纤(3)的质量块(4)为圆柱体，该圆柱体的直径小于空芯光纤(2)的内径；空芯光纤(2)和实芯光纤(3)通过悬臂梁(5)固定连接；所述质量块(4)和悬臂梁(5)是通过用飞秒激光从实芯光纤端面烧蚀形成的。
【技术特征摘要】
1.一种基于飞秒激光微加工的微纳光纤振动传感器，其特征在于：包括：单模光纤(1)，空芯光纤(2)，实芯光纤(3)；其中，实芯光纤(3)由质量块(4)和悬臂梁(5)组成；单模光纤(1)、空芯光纤(2)和实芯光纤(3)顺序熔接；所述实芯光纤(3)的质量块(4)为圆柱体，该圆柱体的直径小于空芯光纤(2)的内径；空芯光纤(2)和实芯光纤(3)通过悬臂梁(5)固定连接；所述质量块(4)和悬臂梁(5)是通过用飞秒激光从实芯光纤端面烧蚀形成的。2.如权利要求1所述的一种基于飞秒激光微加工的微纳光纤振动传感器，其特征在于：所述空芯光纤(2)的长度为30μm-1000μm，外径与单模光纤(1)外径相同，内径为10μm-100μm；所述实芯光纤(3)长度为20μm-200μm。3.加工如权利要求1所述的一种基于飞秒激光...
【专利技术属性】
技术研发人员：江毅，张柳超，姜澜，王素梅，李晓炜，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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