阅读说明：本技术 一种基于高纯石英压力敏感元的光纤传感器及其制备方法 (Optical fiber sensor based on high-purity quartz pressure sensitive element and preparation method thereof ) 是由 王文华 吴伟娜 师文庆 熊正烨 付东洋 田秀云 谢玉萍 罗元政 赖学辉 费贤翔 于 2021-01-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种基于高纯石英压力敏感元的光纤传感器及其制备方法,包括光纤、石英套管、高纯石英压力敏感元；石英套管内设有通孔,所述通孔内插入所述光纤；石英压力敏感元与石英套管连接。本发明能够适用于除氢氟酸和150℃以上的热磷酸以外的耐腐蚀等恶劣环境,因生物组织对石英材料不排斥所以也适用于颅内压的监测等应用；并通过激光热熔的方式免胶固定,能够提高稳定、可靠性和适用范围；石英压力敏感元的厚度由光学冷加工工艺控制,无需化学腐蚀等工艺,提高光纤传感头的稳定性、可靠性和寿命；本发明制作过程简单、快捷,传感器安全可靠、稳定性好,结合传统的光学冷加工工艺能够实现极小厚度的石英压力敏感元热熔。(The invention discloses an optical fiber sensor based on a high-purity quartz pressure sensitive element and a preparation method thereof, wherein the optical fiber sensor comprises an optical fiber, a quartz sleeve and the high-purity quartz pressure sensitive element; a through hole is arranged in the quartz sleeve, and the optical fiber is inserted into the through hole; the quartz pressure sensitive element is connected with the quartz sleeve. The invention can be suitable for the severe environment such as corrosion resistance except hydrofluoric acid and hot phosphoric acid with the temperature of more than 150 ℃, and is also suitable for monitoring intracranial pressure and the like because biological tissues do not exclude quartz materials; the laser hot melting mode is adopted for glue-free fixation, so that the stability, the reliability and the application range can be improved; the thickness of the quartz pressure sensitive element is controlled by an optical cold processing process, and processes such as chemical corrosion and the like are not needed, so that the stability, the reliability and the service life of the optical fiber sensing head are improved; the method has the advantages of simple and quick manufacturing process, safe and reliable sensor and good stability, and can realize the quartz pressure sensitive element hot melting with extremely small thickness by combining the traditional optical cold processing technology.)

一种基于高纯石英压力敏感元的光纤传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及光纤技术、法布里-珀罗干涉和高纯石英的激光热熔交叉领域，特别是涉及一种基于高纯石英压力敏感元的光纤传感器及其制备方法。

背景技术

光纤传感器具有电绝缘、抗电磁干扰、灵敏度高、耐高温耐腐蚀、传感器端无源因而本质安全，无需信号转换和放大器即可远距离传输，以及体积小、重量轻，因而在通信、土木工程、石油化工、航空航天等领域都有广泛的应用前景，法布里-珀罗光纤干涉中低压传感器因为压力敏感元可以感知非常微小的压力，因而在中低压应用场合具有巨大潜力。近年来，随着这种光纤低压传感器的深入研究和应用，寻找制作简单、快捷、安全可靠、稳定性好以及满足各种恶劣环境下使用的光纤低压传感器成为人们的一个关注点。

法布里-珀罗光纤干涉中低压传感器，利用粘结剂或者某种化学材料自身的粘性是构筑和固定传感器压力敏感元的常用方法，在毛细管的锥形口端面固定硅片或者某种化学材料的压力敏感元等等，但是存在以下缺点：(1)采用环氧树脂等粘结剂固定以后，粘结剂的热膨胀系数会影响光纤传感器的温度性能，并且不能在高温下使用，无法满足恶劣环境下使用光纤传感器的要求，发挥不了光纤传感器的优势；(2)利用某种化学材料自身的粘性将压力敏感元固定在毛细管的端面时，传感器受到超声波或其他强烈震动信号的作用以后压力敏感元容易从端面脱落，从而使得光纤传感器完全失效，同时也不能满足高温的恶劣环境使用；(3)如果是石英压力敏感元，目前常用的方式也是胶粘固定压力敏感元，但是粘结剂容易老化并且粘结剂的热膨胀系数比石英的大得多所以导致传感器的工作点漂移等性能恶化或者失效，同时粘结剂也不能承受高温环境下的使用，也易受恶劣环境下的腐蚀导致压力敏感元松动或脱落，也因生物组织对石英材料不排斥所以适用于颅内压的监测等应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于高纯石英压力敏感元的光纤传感器及其制备方法，以解决上述现有技术存在的问题，制作过程简单、快捷，传感器安全可靠、稳定性好，结合传统的光学冷加工工艺能够实现极小厚度的石英压力敏感元热熔，适用于氢氟酸和150℃以上的热磷酸之外的各种恶劣环境，也因生物组织对石英材料不排斥所以适用于颅内压的监测等应用。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种基于高纯石英压力敏感元的光纤传感器，包括光纤、石英套管、高纯石英压力敏感元；

所述石英套管内设有通孔，所述通孔内插入所述光纤；所述石英压力敏感元与所述石英套管连接。

优选地，所述石英套管内设有梯形凹坑的通孔；

优选地，所述石英压力敏感元与所述石英套管通过激光热熔的方式免胶固定。

优选地，所述石英压力敏感元与所述石英套管在通过激光热熔的方式免胶固定之前，需要通过光胶的方法把所述石英压力敏感元暂时固定在所述石英套管端面。

优选地，所述光纤的端面与所述石英压力敏感元内表面形成法布里-珀罗腔。

优选地，所述石英的压力敏感元厚度由光学冷加工工艺控制。

一种基于高纯石英压力敏感元的光纤传感器制备方法，包括以下步骤：

S1、选取长度6-8mm的石英套管，利用飞秒激光将石英套管的端面进行加工，并快速地加工出规则且光滑的梯形凹坑，将加工后的石英套管置于酒精溶液中超声波清洗2-5分钟，重复清洗2-3遍，最后100℃烘干1-2小时；并利用光学冷加工工艺对石英套管的梯形凹坑端面进行磨砂、抛光处理，光洁度不低于12级，同时确保其端面垂直于套管轴线，垂直度误差小于1度，最后用无水酒精将抛光好的端面擦拭干净；

S2、将石英压力敏感元的其中一个面进行磨砂和抛光，光洁度为3-6级，将所述石英压力敏感元的另外一个面磨砂抛光处理，使其光洁度达到12级或12级以上，同时使其厚度加工到15微米-500微米之间的需求厚度，然后对磨砂抛光好的压力敏感元用无水酒精擦拭干净；

S3、将所述S2中加工后的石英压力敏感元置于300℃的恒温箱静置24小时然后自然冷却的退火处理；

S4、将所述S3中退火处理后的石英压力敏感元利用CO₂激光对其切割成边长是所述石英套管直径约1.3倍大小的正方形，然后用无水酒精擦拭将其擦拭干净；

S5、利用玻璃表面的高光洁度将所述S4中切割后的石英压力敏感元光胶吸附到所述石英套管的端面；

S6、将所述光胶吸附到石英套管端面的石英压力敏感元和靠近所述石英套管端面的边缘用激光热熔固定，同时将所述石英套管周围多余的石英压力敏感元用CO₂激光切割掉，然后将其置于300℃的恒温箱静置24-48小时随之自然冷却进行退火处理；

S7、设计好静置传感器的法布里-珀罗腔的腔长，将处理好的光纤采用紫外光学胶胶粘固定到石英套管内。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

(1)本发明光纤传感器采用全石英材料，能够适用于除氢氟酸和150℃以上的热磷酸以外的耐腐蚀等恶劣环境，因生物组织对石英材料不排斥所以也适用于颅内压的监测等应用；

(3)石英的压力敏感元厚度由光学冷加工工艺控制，无需化学腐蚀等工艺，提高光纤传感头的稳定性、可靠性和寿命；

(4)本发明制作过程简单、快捷，传感器安全可靠、稳定性好，结合传统的光学冷加工工艺能够实现极小厚度的石英压力敏感元热熔。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于石英压力敏感元的光纤传感器的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

参照图1所示，本发明提供一种基于石英压力敏感元的光纤传感器，包括光纤、带梯形凹坑的石英套管、薄石英压力敏感元，全石英材料构成光纤传感器，适用于除氢氟酸和150℃以上的热磷酸以外的耐腐蚀等恶劣环境，石英压力敏感元与套管端面的固定通过激光热熔的方式免胶固定，提高稳定、可靠性和适用范围，并且在激光热熔固定之前先通过光胶的方法把玻璃压力敏感元暂且固定在套管端面，固定在石英套管内的光纤端面与玻璃压力敏感元内表面形成法布里-珀罗腔；石英的压力敏感元厚度由光学冷加工工艺控制，无需化学腐蚀等工艺，提高光纤传感头的稳定性、可靠性和寿命；当外界的静态或动态压力变化作用于玻璃压力敏感元，从而引起法布里-珀罗腔的腔长发生变化，根据腔长的变化信息解调出外界的压力变化信息。

基于石英压力敏感元的光纤传感器制备方法,包括以下步骤：

步骤一、选取长度6-8mm的石英套管，利用飞秒激光将石英套管的端面进行加工，并快速地加工出规则且光滑的梯形凹坑，以便插入光纤和形成传感器的法布里-珀罗腔，将加工后的石英套管置于酒精溶液中超声波清洗2-5分钟，重复清洗2-3遍，最后100℃烘干1-2小时；并利用光学冷加工工艺对石英套管的梯形凹坑端面进行磨砂、抛光处理，光洁度不低于12级，同时确保其端面垂直于套管轴线，垂直度误差小于1度，最后用无水酒精将抛光好的端面擦拭干净；

步骤二、将石英压力敏感元的其中一个面进行磨砂和抛光，光洁度为3-6级，将所述石英压力敏感元的另外一个面磨砂抛光处理，使其光洁度达到12级或12级以上，同时使其厚度加工到15微米-500微米之间的需求厚度，然后对磨砂抛光好的压力敏感元用无水酒精擦拭干净；

步骤三、将步骤二中加工好的石英压力敏感元置于300℃的恒温箱静置24小时然后自然冷却的退火处理，用于释放超薄石英压力敏感元在磨砂抛光过程中产生的内部残余应力，降低超薄压力敏感元在激光热熔过程中产生裂纹和裂缝的概率；

步骤四、将步骤三处理好的石英压力敏感元利用CO₂激光对其切割成边长是石英套管直径约1.3倍大小的正方形，然后用无水酒精擦拭将其擦拭干净；

步骤五、利用玻璃表面的高光洁度将步骤四切割好的压力敏感元光胶吸附到石英套管的端面；

步骤六、将所述光胶吸附到石英套管端面的石英压力敏感元和靠近所述石英套管端面的边缘用激光热熔固定，同时将所述石英套管周围多余的石英压力敏感元用CO₂激光切割掉，然后将其置于300℃的恒温箱静置24-48小时随之自然冷却进行退火处理，释放热熔产生的内部残余应力；

步骤七、设计好静置传感器的法布里-珀罗腔的腔长，将处理好的光纤胶粘固定到石英套管内。

本发明制作过程简单、快捷，传感器安全可靠、稳定性好，结合传统的光学冷加工工艺能够实现极小厚度的石英压力敏感元热熔，适用于氢氟酸和150℃以上的热磷酸之外的各种恶劣环境。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。