[发明专利]一种光纤珐珀应变传感器结构

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，涉及光纤珐珀应变传感器结构。

背景技术

近年来，随着生物、医学、能源、环境、航天航空、军事等领域的快速发展，对传感器的微型化、轻量化、低能耗、耐恶劣环境能力等提出非常迫切的要求，微纳传感器已成为国际上的重大科技前沿热点之一。激光微加工技术的迅猛发展为研究新一代微纳光纤传感器件提供了新的技术手段，因此如何应用激光等现代微纳加工技术在光纤上实现各种微纳功能性传感器器件是未来光纤传感器发展的重要趋势，其中如何提高传感器灵敏度也是传感器领域中的一个十分前沿和重大的科学课题。

在光纤传感器中，作为温度、应变和压力测量的传感器主要是布拉格光纤光栅(FBG)和FP腔干涉仪，FBG由于其温度与其它被测量的交叉敏感性和在大应变下光谱畸变使其应用受到了较大的限制。珐珀传感器由于温度与其它被测量的交叉敏感性小的特点很适合温度、应变和压力测量。发明人之前申请的一个中国专利(CN200810305224.8)，提出了一种用激光加工可测量应变的珐珀传感器，提高了一种光学性能好、量程可调的光纤珐珀传感器。该珐珀应变传感器的结构如图1所示，在两段对接的光纤端面中间位置加工一个微型槽，两段光纤对接后中间形成一个珐珀腔2。

上述珐珀应变传感器的基本原理是由于外界力或热的作用改变传感器的腔长d，通过测量腔长的变化量得出传感器所受的力或热应变。腔长变化量为Δd可以表达为：

Δd＝Lε+AΔT    (1)

其中ε为应变，L为计量长度(gage length)，ΔT为环境温度变化量，A是腔长受温度变化所产生的变化长度。如果保持环境温度不变或者忽略温度影响则上述公式可表达为：

Δd＝Lε         (2)

即可得应变计算公式：

ε＝Δd/L        (3)

上述珐珀应变传感器结构的腔长也就是其计量长度，即：d＝L，应变计算公式为：

ε＝Δd/d    (4)

由于限于现有加工条件的限制，难以保证两段对接光纤之间加工的珐珀腔的两个反射端面保持严格的平行，另外由于光纤非常纤细、容易弯曲引起珐珀腔变形，因此通常珐珀腔的腔长只能做到20mm以内。同时，受限于现有的测试条件，对于珐珀腔的腔长变化量为Δd所能达到的极限测量精度为10^-3μm，如果考虑到实际的噪声干扰等因素，实际腔长变化量Δd的极限测量精度远远达不到10^-3μm。由于以上两方面的原因，使得图1所示常规结构的光纤珐珀应变传感器可测应变范围无法满足某些测量高灵敏度微应变的场合需要，灵敏度有待进一步提高。

发明内容

本发明针对现有光纤珐珀应变传感器范围无法满足某些测量高灵敏度微应变的场合需要，灵敏度有待进一步提高的技术问题，提供一种新型光纤珐珀应变传感器结构。该新型光纤珐珀应变传感器结构能够有效拓宽微应变的测量范围，具有更高的灵敏度。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

一种光纤珐珀应变传感器结构，如图2、3所示，包括两段对接的光纤3；每段对接光纤的对接端芯层处加工有一个圆形凹槽，所述圆形凹槽的直径大于等于芯层直径；每段对接光纤的对接端包层中加工有一个圆环形凹槽，所述圆环形凹槽具有以下特点：1、其内径等于所述圆形凹槽的直径；2、其外径小于包层的外径；3、其槽深大于所述圆形凹槽的槽深。两段对接的光纤对接后对接端内部形成改进的珐珀腔，所述改进的珐珀腔由一个长度较长的圆环形空腔5内接一个长度较短的圆柱形空腔4形成。

所述圆形凹槽的槽深在5μm～10mm之间；所述圆环形凹槽的槽深在20μm～20mm之间。

本发明的实质是对光纤珐珀应变传感器的珐珀腔进行改进，将常规圆柱形珐珀腔改成一个由一个长度较长的圆环形空腔5内接一个长度较短的圆柱形空腔4形成的腔体结构。由于圆柱形空腔4外接了一个长度更长的圆环形空腔5，相当于增加了珐珀腔的计量长度L，如果成倍珐珀腔的计量长度L，则在应变测量时，相同应变引起的腔长变化量Δd的测量结果也会成倍增加，因此在现有珐珀腔的腔长变化量Δd所能达到的极限测量精度条件下，本发明提供的光纤珐珀应变传感器结构能够测量更加微小的形变量，即能够提高光纤珐珀应变传感器结构的灵敏度，从而满足某些测量高灵敏度微应变的场合需要。另外，本发明提供的光纤珐珀应变传感器结构完全可采用现有的激光加工工艺制作，可实现大规模制造。

附图说明

图1是普通光纤珐珀应变传感器结构示意图(轴向剖面)。