[发明专利]微型全光纤F－P加速度传感器及其制作方法

说明书

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，该方法步骤如下：

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；