專利名稱：一種加強(qiáng)鍍膜光纖光柵的軸向伸縮效應(yīng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及適用于能監(jiān)測(cè)多種參量的可伸縮膜型光纖光柵傳感器。具體包括對(duì)光 纖光柵的側(cè)表面進(jìn)行預(yù)處理，在處理后的表面制備可伸縮材料傳感膜，如磁致伸縮材料敏 感膜，濕度敏感材料傳感膜和氣體敏感材料傳感膜，這種光纖光柵傳感器可用于電流或磁 場(chǎng)，濕度，及氫氣濃度等多個(gè)領(lǐng)域的在線分布式監(jiān)測(cè)。
背景技術(shù)：
近年來光纖光柵傳感技術(shù)發(fā)展迅速，由于光纖光柵具有波長(zhǎng)調(diào)制、分辨率高、波分 復(fù)用、抗電磁干擾、體積小、重復(fù)性好等特點(diǎn)，已成為傳感器研究領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)，在建筑、 橋梁、探礦、海洋、航空、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并取得了許多成果。但是其主要產(chǎn)品還是 局限于在應(yīng)力和溫度方面的傳感應(yīng)用。而光纖光柵在其他領(lǐng)域的應(yīng)用還處于研究階段。例 如用于電流的光纖光柵傳感器，濕度和氣體濃度的光纖光柵化學(xué)傳感器均是目前的研究熱 點(diǎn)ο目前光纖光柵主要是指布拉格(Bragg)光柵(簡(jiǎn)稱FBG)。布拉格光柵是一種具有 周期性的折射率分布的光纖，它只對(duì)特定波長(zhǎng)的光具有反射作用。當(dāng)大帶寬的光通過光柵 時(shí)，只有以光纖光柵波長(zhǎng)為中心波長(zhǎng)的窄帶的光被反射。根據(jù)耦合模理論，光纖光柵的光柵 方程為λ B = 2neffA，其中，λ B為FBG的反射波中心波長(zhǎng)(Bragg波長(zhǎng))，neff為光纖光柵的 有效折射率，A為光纖光柵的周期(參見圖1)。能導(dǎo)致IirffA改變的某些物理量，如應(yīng)力、 溫度、壓力、濕度等，均可使FBG反射波長(zhǎng)發(fā)生漂移，因此均可以用FBG測(cè)量。如果采用可伸 縮材料，可以將光纖光柵所處環(huán)境的多種參量轉(zhuǎn)化為應(yīng)變參量，通過監(jiān)測(cè)光纖光柵的布拉 格波長(zhǎng)漂移可以間接監(jiān)測(cè)到這些參量。下面以超磁致伸縮敏感膜，濕度敏感膜和氣體敏感 膜幾類典型的伸縮膜為例說明光纖光柵在其他傳感領(lǐng)域的應(yīng)用。超磁致伸縮敏感膜磁致伸縮材料是指具有磁致伸縮效應(yīng)的磁(電)_機(jī)械能轉(zhuǎn)換材料，它的飽和磁致 伸縮系數(shù)通常為10_6數(shù)量級(jí)。超磁致伸縮材料(Giant magnetostriction material, 簡(jiǎn)稱GMM)是具有大磁致伸縮系數(shù)的磁致伸縮材料，其入3—般大于3.0乂10_5。充分利用其 在磁場(chǎng)作用下的伸縮效應(yīng)，和光纖光柵相結(jié)合可構(gòu)成光纖光柵磁場(chǎng)(電流)傳感器。濕度敏感膜光纖光柵對(duì)濕度變化敏感性很差。為了提高光纖光柵對(duì)濕度的敏感度，需要在光 纖的外表面涂上一層濕敏材料。當(dāng)濕度變化時(shí)，由于光纖表面涂層濕敏材料的膨脹，引起光 纖光柵的應(yīng)變響應(yīng)。這樣可把對(duì)濕度傳感的問題轉(zhuǎn)化為光纖光柵對(duì)應(yīng)變的響應(yīng)問題。氫氣敏感膜光纖光柵氫氣傳感器一般由表面鍍合金膜的光纖光柵組成。合金膜吸收氫氣后產(chǎn) 生的形變由光纖光柵探測(cè)到，通過光纖光柵中心波長(zhǎng)反應(yīng)出來。光纖光柵氫氣傳感器最大 的優(yōu)點(diǎn)是充分利用絕緣防爆的特性，可以應(yīng)用于飛行器燃料貯箱這樣工作條件惡劣的環(huán)境 中。此外，光纖光柵氫氣傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，便于波分復(fù)用，構(gòu)成分布式測(cè)量系統(tǒng)，可以纏繞在大貯箱和管線外，監(jiān)測(cè)大面積的泄漏。這類鍍膜型光纖光柵傳感器研究的難點(diǎn)之一在于伸縮材料的選擇和薄膜的制備。 由上可見，多種材料可供選擇，基于這些材料的可伸縮膜可將光纖光柵傳感領(lǐng)域拓展至多 個(gè)領(lǐng)域范圍內(nèi)。但是其伸縮效應(yīng)的線性化還有待加強(qiáng)。原因之一在于這類可伸縮的敏感膜 一般都鍍?cè)诠饣饫w表面，其伸縮效應(yīng)大多為多方向性的，包括軸向和徑向，而只有軸向的 伸縮變化會(huì)被光纖光柵探測(cè)到。原因之二在于，這些可伸縮敏感膜的厚度為微米級(jí)，因此在 光纖表面的軸向伸縮形變太小，引起的光柵應(yīng)變不明顯。因此，如何提高軸向伸縮效應(yīng)成為 關(guān)鍵突破點(diǎn)之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)上述提高鍍膜光纖光柵的軸向伸縮效應(yīng)技術(shù)問題，提供一種有效加強(qiáng) 軸向伸縮效應(yīng)的方法。采用微加工技術(shù)對(duì)光纖表面進(jìn)行徑向溝槽陣列的加工(螺紋或環(huán)狀 溝槽陣列)，使得表面鍍膜能有效嵌入，提高伸縮膜的軸向伸縮效應(yīng)。具體包括兩個(gè)方面的內(nèi)容一方面，涉及在光纖表面加工螺紋狀或環(huán)狀溝槽陣列的方法，其包括激光或其他 微加工技術(shù)對(duì)光纖表面進(jìn)行加工。另一方面，涉及在這種加工有螺紋狀或環(huán)狀溝槽陣列的 光纖光柵表面制備可伸縮材料傳感膜，提高伸縮膜的軸向伸縮效應(yīng)，用于多種領(lǐng)域的傳感 監(jiān)測(cè)。針對(duì)前一方面問題，本申請(qǐng)人在“旋轉(zhuǎn)光纖進(jìn)行微加工的方法和裝置”(申請(qǐng)?zhí)?201010204597. 3)中作了詳細(xì)介紹。公開了用于旋轉(zhuǎn)光纖微加工的夾持裝置，該裝置包括可 調(diào)速驅(qū)動(dòng)電機(jī)、基座、變速變相器、角度傳感器、光纖夾具、光纖定位器、環(huán)切器；其中可調(diào)速 驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在基座上并連接變速變相器，光纖夾具穿過變速變相器并由其夾緊，光纖定 位器安裝在基座上，光纖穿過光纖夾具和光纖定位器，光纖的被加工區(qū)域位于光纖定位器 中間，并通過加工窗口暴露給外部加工源，加工源為激光或聚集離子束，角度傳感器位于變 速變相器上，用于監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，環(huán)切器位于加工窗口處。所述的光纖定位器由含有精密V 型槽的可分離金屬部件組成，V型槽大小為100-400 μ m，根據(jù)所夾持光纖直徑所定。該申請(qǐng)還公開了微加工夾持裝置的工作原理外部電源驅(qū)動(dòng)可調(diào)速電機(jī)，電機(jī)通 過變速變相器帶動(dòng)所夾持的光纖夾具轉(zhuǎn)動(dòng)，光纖定位器約束光纖的轉(zhuǎn)動(dòng)漂移，使得穿過光 纖夾具的光纖在光纖定位器的約束下以極低的漂移轉(zhuǎn)動(dòng)。光纖的被加工區(qū)域位于光纖定位 器中間，并通過加工窗口暴露給外部加工源，加工源為激光或聚集離子束。該申請(qǐng)進(jìn)一步公開了加工步驟將光纖被加工區(qū)域的涂敷層剝?nèi)?；將光纖通過光 纖夾具的導(dǎo)入孔穿過光纖夾具；將光纖夾具穿過變速變相器的中心孔；將光纖定位器放置 在光纖被加工區(qū)域兩側(cè)，光纖被加工區(qū)域通過加工窗口暴露在外部加工源下；光纖定位器 夾持住光纖被加工區(qū)域兩側(cè)，使光纖受其約束；將光纖被加工區(qū)域通過加工窗口暴露在外 部加工源下。針對(duì)后一方面問題，本發(fā)明提供一種加強(qiáng)鍍膜光纖光柵的軸向伸縮效應(yīng)的方法， 其特征在于，該方法是在光纖光柵表面沿裸光纖的徑向方向加工微米級(jí)的溝槽狀微結(jié)構(gòu)陣 列，其溝槽狀微結(jié)構(gòu)陣列表面位于光纖光柵所在位置的光纖的側(cè)表面，且分散分布于光纖 光柵的光纖側(cè)表面，然后采用鍍膜技術(shù)在擁有光柵和溝槽狀微結(jié)構(gòu)陣列表面的區(qū)域鍍單層或多層可伸縮材料敏感膜。其中，所述的溝槽微結(jié)構(gòu)陣列為螺紋狀或環(huán)狀。所述的溝槽微結(jié)構(gòu)陣列的深度不影響光纖光柵的光譜波形，即波形不產(chǎn)生畸變。所述的溝槽微結(jié)構(gòu)陣列的深度不影響光纖光柵的反射波長(zhǎng)，即光纖光柵的反射中 心波長(zhǎng)不發(fā)生偏移。所述的溝槽微結(jié)構(gòu)陣列的周期為0. 001 3000 μ m。所述的可伸縮材料敏感膜，包括磁致伸縮材料敏感膜，濕度敏感材料傳感膜和氣 體敏感材料傳感膜，這種制備了可伸縮材料敏感膜的光纖光柵傳感器用于電流或磁場(chǎng)，濕 度，及氫氣濃度等多個(gè)領(lǐng)域的在線分布式監(jiān)測(cè)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于有效提高光纖光柵軸向伸縮效應(yīng)，將光纖光柵傳感器拓展至更 寬廣的應(yīng)用領(lǐng)域。


圖1表面有環(huán)狀溝槽或螺紋溝槽陣列的光纖光柵結(jié)構(gòu)示意2為環(huán)狀溝槽陣列的實(shí)施方式之示意3為螺紋溝槽陣列的實(shí)施方式之示意4本發(fā)明應(yīng)用實(shí)例示意中1具有內(nèi)置式光柵的光纖，2環(huán)狀溝槽或螺紋溝槽陣列，3激光，4磁場(chǎng)，箭頭 表示光纖運(yùn)動(dòng)方向。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明。實(shí)施例1光纖光柵表面加工環(huán)狀溝槽陣列的方式如圖2所示。本加工例中采用激光3對(duì)具 有內(nèi)置式光柵的光纖進(jìn)行表面微加工，單個(gè)溝槽加工結(jié)束后，工作臺(tái)沿X軸方向移動(dòng)特定 長(zhǎng)度。實(shí)施例2光纖光柵表面加工螺紋溝槽陣列的方式如圖3所示。本加工例中采用激光3對(duì)具 有內(nèi)置式光柵的光纖1進(jìn)行表面微加工，光纖在夾具的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，工作臺(tái)沿χ軸方 向移動(dòng)。精確控制激光能量，旋轉(zhuǎn)速度和移動(dòng)速度，能達(dá)到控制螺紋溝槽螺距和深度的目 的，因此可以加工出符合要求的螺紋溝槽。實(shí)施例3本發(fā)明的應(yīng)用實(shí)例之一。如圖4所示，在本發(fā)明所述的光纖微結(jié)構(gòu)表面鍍超磁致 伸縮敏感材料膜(例如鋱鏑鐵磁致伸縮合金Terfenol-D)，制成磁場(chǎng)(電流)的傳感頭?？梢灶A(yù)見，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，可以基于本發(fā)明開發(fā)多種應(yīng)用實(shí)例，這些 修改并不脫離所附權(quán)利要求中確定的本發(fā)明的精神或范圍。
權(quán)利要求
一種加強(qiáng)鍍膜光纖光柵的軸向伸縮效應(yīng)的方法，其特征在于，該方法是在光纖光柵表面沿裸光纖的徑向方向加工微米級(jí)的溝槽狀微結(jié)構(gòu)陣列，其溝槽狀微結(jié)構(gòu)陣列表面位于光纖光柵所在位置的光纖的側(cè)表面，且分散分布于光纖光柵的光纖側(cè)表面，然后采用鍍膜技術(shù)在擁有光柵和溝槽狀微結(jié)構(gòu)陣列表面的區(qū)域鍍單層或多層可伸縮材料敏感膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加強(qiáng)鍍膜光纖光柵的軸向伸縮效應(yīng)的方法，其特征在于，所 述的溝槽微結(jié)構(gòu)陣列為螺紋狀或環(huán)狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加強(qiáng)鍍膜光纖光柵的軸向伸縮效應(yīng)的方法，其特征在于，所 述的溝槽微結(jié)構(gòu)陣列的深度不影響光纖光柵的光譜波形，即波形不產(chǎn)生畸變。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加強(qiáng)鍍膜光纖光柵的軸向伸縮效應(yīng)的方法，其特征在于，所 述的溝槽微結(jié)構(gòu)陣列的深度不影響光纖光柵的反射波長(zhǎng)，即光纖光柵的反射中心波長(zhǎng)不發(fā) 生偏移。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加強(qiáng)鍍膜光纖光柵的軸向伸縮效應(yīng)的方法，其特征在于，所 述的溝槽微結(jié)構(gòu)陣列的周期為0. 001 3000 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加強(qiáng)鍍膜光纖光柵的軸向伸縮效應(yīng)的方法，其特征在于，所 述的可伸縮材料敏感膜，包括磁致伸縮材料敏感膜，濕度敏感材料傳感膜或氣體敏感材料 傳感膜。
全文摘要
一種加強(qiáng)鍍膜光纖光柵的軸向伸縮效應(yīng)的方法。該方法預(yù)先采用微加工技術(shù)在光纖光柵所在光纖的側(cè)表面加工一種具有溝槽的微結(jié)構(gòu)陣列，然后采用鍍膜技術(shù)在擁有光柵和表面微結(jié)構(gòu)的區(qū)域鍍單層或多層敏感膜。該方法主要針對(duì)具有伸縮效應(yīng)的敏感膜，可以有效加強(qiáng)鍍有這種可伸縮的敏感膜的光纖光柵傳感器的敏感度，例如鍍有超磁致伸縮敏感膜，濕度敏感膜和氣體敏感膜的光纖光柵傳感器。經(jīng)過本方法處理的光纖光柵，其軸向伸縮效應(yīng)得到加強(qiáng)，傳感靈敏度得以提高。屬于光纖傳感領(lǐng)域和微加工領(lǐng)域。
文檔編號(hào)B23K26/36GK101982286SQ201010505610
公開日2011年3月2日 申請(qǐng)日期2010年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月13日
發(fā)明者周次明, 文曉艷, 楊明紅, 胡文彬, 陳偉 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)