亚星游戏官网-www.yaxin868.com

专利名称：一种光纤传感器及制造方法
一种光纤传感器及制造方法有关申请的对照资料
本申请主张于2009年7月16日提交的美国临时专利申请NO. 61/213，796的权益， 该专利申请在此全部引用作为参考。技术领域
本说明总体介绍一种光纤传感器及其制造工艺。具体来讲，本说明涉及一种光纤传感器，它能使用同一数据源，在光纤的一个或多个预定位置同时检测和测量多项标准，并且还涉及到一种制成光纤传感器的方法。
背景技术：
光纤传感器特别是布拉格光纤光栅(FBG)在技术上是已知的。FBG是光纤的一种， 它的光谱响应受实际应变和温度的影响。因此，现有的FBG可以用来测量应力或温度的变化。光纤传感器(如TOG)的这些独特功能促进了光纤传感装置的应用。光纤传感器的特性包括重量轻、体积小、使用寿命长、线性延伸长、抗电磁干扰、抗腐蚀等。尽管具有这些激励性特点，但现有的FBG技术和应用还是存在一定的局限性和问题。现有FBG技术的其中一个问题是，当传感器光响应中的应变与温度效应耦合时，会影响测量的可靠性和准确性。
可以发明一种光纤感应器，能在光纤上一个或多个同源的预定位置同时检测和测量多项标准。发明内容
本说明中实施方案的目标之一是可以避免或减轻旧有的光纤传感器中的至少一个缺点。
本说明介绍了新FBG传感设备的建模、设计和制造。它可应用于结构测量、故障诊断、温度测量及压力监测等用途，还可用于医疗设备中，例如癌症诊断。它还将可能用于航天结构、桥梁结构、建筑等的结构健康监测，油井和气井的井下测量，以及地震震级测量。
为了能让光学传感器具有同时测量浓度和温度的能力，先要使FBG对折射率敏感并保持其热敏度不受影响。考虑到FBG的特性，还可能将传感器嵌入到金属零件中进行原位负载监测。很多行业都可以借助这项技术获益，如机床加工、航空航天以及汽车行业。
设备制造采用激光微加工方法。FBG传感装置的开发采用了两种工艺叠加法和减色法。叠加法用于纤维金属薄膜的沉积，减色法是基于外围光纤材料的选择性去除。
为了解决FBG中的温度-应变耦合问题，设计并制成了纤维金属薄膜的超结构布拉格光纤光栅(SFBG)。SFBG能同时测量应变和温度。为了设计传感装置和分析传感器性能，开发了一项监测热度和结构的FBG光学机械模型。模型基于光纤的光测弹性和热光等性能。当FBG面对均勻和不均勻分布的结构负载和温度变化时，可利用模型预测它的光学反应。模型还可为SFBG提供光反应，使其折射率沿光纤产生二次周期性。利用已开发的 FBG光机械模型开展纤维薄膜传感器的设计。
一种名为激光辅助无掩膜微沉积(LAMM)的激光直写(DW)方法可用于将薄膜选择性地沉积到光纤上，直接叠加或分层制造法——无论是否是基于激光的方法——都可用于光纤薄膜的成型。
飞秒激光微加工和氢氟酸蚀刻减色法也成功用于传感器制造。为此，在常规FBG 包层中要进行定期微沟槽印刻，以便提高它们对周围环境浓度的灵敏度，同时保持完整的热敏度。这种传感器在生物医学研究中的应用有很大的潜力，其中要对生物分析物的性能进行原位测量。
本说明中介绍了 FBG传感器的另一种用途，即利用低温嵌入工艺嵌入到金属部件中，用于结构健康监测。在这里，可利用光机械模型预测嵌入的FBG的光响应。嵌入工艺包括低温铸造、纤维薄膜沉积以及电镀工艺。
第一本说明介绍了一种光纤传感器，其特点是能在光纤传感器上的一个或多个预定位置同时检测多项标准。
特征1 传感器能同时检测两项标准，这两项标准是从多项标准组合中选出的，这些组合包括温度和应变、温度和应力、温度和压力、温度和强度、温度和氢含量，以及温度和湿度。
特征2 光纤是一种FBG光纤，外层被布设了多个涂层。
特征3 光纤是一种FBG光纤，它的首端连接到一个只能识别反射光的频谱信号分析仪。
特征4 多涂层沿光纤长度等距排列。
特征5 多涂层沿光纤长度非等距排列。
特征6 多涂层由第一涂层组和第二涂层组组成，第一涂层组沿光纤长度等距分布，第二涂层组沿光纤长度非等距分布。
特征7 多涂层是一层厚度达到200 μ m的薄膜。
特征8 多涂层是一层厚度约9 μ m的薄膜。
特征9 多涂层是一种导电元素，选自钛、银、金、钼、铝、锌、镁、铜、铁、铬、镍、钯、 铅及其组合。
特征10 多涂层是银。
特征11 多涂层是聚合材料。
特征12 多涂层长约1. 5毫米，相邻的涂层间隔0. 5毫米。
特征13 多涂层的长度是光纤传感器光栅长度的三分之一，相邻的涂层间隔也是光栅长度的三分之一。
特征14 光纤表面周围有多个半径递减带。
特征15 光纤表面到递减带底部的深度达40 μ m。
特征16 每个多元带长达光纤传感器光栅长度的三分之一，相邻带的间隔也是光栅长度的三分之一。
特征17 多元带沿光纤长度等距分布。
特征18 多元带沿光纤长度非等距分布。
特征19 多元带包括第一带组和第二带组，第一带组沿光纤长度等距分布，第二带组沿光纤长度非等距分布。
特征20 多项标准选自多个组合，这些组合包括温度和应变、温度和强度、温度和应力、温度和压力，以及温度和液体浓度。
第二 本发明提供了一种制造光纤传感器的方法，使光纤传感器能在一个或多个预定位置同时检测多项标准，这个方法包括将至少一个薄涂层用于一个非平滑表面。
特征1 涂层的应用流程选自以下流程，包括直写、直接沉积、直接印刷、逐层沉积、直接叠加制造、实体无模制造及分层制造。
特征2:使用激光加工。
特征3 涂层适用于激光直写。
特征4 激光直写是指激光辅助无掩模微沉积法。
特征5 多项标准是从以下各组合中选出的，包括温度和应变、温度和应力、温度和压力、温度和氢含量，以及温度和湿度。
第三本说明介绍了一种光纤传感器的制造工艺，使光纤传感器能在一个或多个预定位置同时检测多项标准，该工艺包括去除光纤表面材料。
特征1 用飞秒激光蚀刻技术去除光纤表面的材料涂层。
特征2 选择性的利用氢氟酸蚀刻法去除光纤表面的材料涂层。
特征3 可从以下组合中选出一项或多项标准温度和应变、温度和强度、温度和应力、温度和压力，以及温度和液体浓度。
特征4 去除光纤周围的材料，沿光纤形成圆周形多元带，从光纤表面算起，形成的多元带深度可达40 μ m。
特征5 多元带长达光纤光栅长度的三分之一，相邻带的间隔也是光栅长度的三分之一。
通过结合下面的实例描述和图表，对一般技术熟练的人来讲，本说明的其他方面和特点就一目了然了。


本说明仅以举例方式进行介绍，参照附图。
图1描述了超结构FBG的反射光谱图。
图2描述一种被周期性金属涂层覆盖的光纤按一定间距布设及其对平均折射率的影响。
图3介绍了不同类型(广义周期、质量和涂层厚度)的镀金属周期性光纤。同时， 图3还介绍了 SFBG相应的反射光谱；
图4用圆柱坐标系统来解释光纤和镀金属；
图5描述了在不同张力作用下，参数K~变量沿光纤的变化情况；
图6描述了在不同温度下，参数Κ~沿光纤的变化情况；
图7描述了附着于FBG的周期性银薄膜的几何尺寸；
图8描述了在不同负载情况下，SFBG的反射光谱图9描述了 SFBG在受力情况下的反射率图10描述了 SFBG在受力情况下的布拉格波长图11描述了受温度影响的SFBG反射光谱图12描述了受温度影响的SFBG反射率图13描述了受温度影响的SFBG布拉格波长图14介绍了 SFBG的结构和热负荷测试装置；
图15描述了附加银薄膜前后，FBG反射率示意图16描述了在热循环环境下，受布拉格波长影响的反射率示意图17描述了受温度影响的布拉格波长示意图18描述了受温度影响的镀膜和不镀膜的SFBG段应变组分图解；
图19描述了在拉伸负载情况下，受布拉格波长影响的反射率示意图.；
图20描述了受张力影响的布拉格波长示意图。
图21是受张力和温度共同影响的SFBG反射光谱示意图22是在张力和温度的共同影响下，受布拉格波长影响的SFBG反射率示意图23是在张力和温度的共同影响下，受温度影响的SFBG布拉格波长示意图M是SFBG衡量应变和温度时的典型特征曲线；
图25介绍了在FBG设备上沉积银薄膜的LAMM设备；
图沈介绍了光纤安装的旋转台；
图27介绍了纳米颗粒的烧结机制；
图28描述了 LAMM系统的典型沉积模式；
图四是图28中沉积模式的分析图30a是用5kX倍率的场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)观测到的1. 35W功率烧结的银薄膜微结构图30b是用20kX倍率的场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)观测到的1. 35W功率烧结的银薄膜微结构图31a是用5kX倍率的场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)观测到的3. 28W功率烧结的银薄膜微结构图31b是用20kX倍率的场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)观测到的3. 28W功率烧结的银薄膜微结构图32介绍了银薄膜的XRD光谱；
图33介绍了与O00)衬垫相匹配的XRD光谱放大峰值；
图34介绍了银薄膜的纳米压痕剖面；
图35描述了纳米压痕测试中的负载-位移图36介绍了银薄膜的硬度受激光功率影响；
图37描述了银薄膜的弹性模量受激光功率影响；
图38描述了光纤的LAMM沉积路径；
图39a是薄膜在带沉积喷嘴的光纤上的沉积过程剖视图39b是图fe中薄膜沉积完成后将光纤旋转90度的剖视图，这样可以使涂层厚度分布均勻；
图40描述了周期性银薄膜在光纤上的沉积过程中，LAMM沉积头的变化情况；
图41描述了 FBG周期性镀银情况；
图42描述了光纤上沉积的薄膜直径；
图43描述了飞秒激光工作站设备；
图4 描述了图43中飞秒激光工作站的示意图44b描述了飞秒激光束和FBG ；
图45介绍了根据激光扫描速度为5um/s时的平均功率，蚀刻于水平硅酸衬底上的微沟槽宽度示意图46描述了光纤以及蚀刻于光纤上的微机械沟槽；
图47描述了四种光纤，每种光纤都具有多个沟槽，且沟槽与沟槽深度间距不同。
具体实施方式
概括来讲，本说明介绍了一种能在光纤上的一个或多个预定位置(也称为具体位置)同时检测和测量多项物理标准的光纤传感器，以及一种制成这类光纤传感器的方法。
FBG具有在周期L内沿光纤核心调节折射率的功能，这已经被广泛应用于物理参数和过滤的检测。FBG传感器可用于测量强度、应力、应变、压力和温度，这些功能是基于 FBG对应变和温度的光学敏度。与传统的电子和电磁装置相比，FBG具有相当大的优势，主要体现在重量轻、体积小、使用寿命长、远程线性、抗外界电磁腐蚀等方面。
SFBG是一种折射率调节不均勻但沿光纤周期性(周期比初始光栅大)变化的 FBG0如图1所示，这一特性会在反射光谱中产生周期性间隔边带，这在光纤激光器、可调滤波器以及多参数传感器等领域有着广泛应用。采用紫外辐射进行光栅蚀刻时，FBG可以借鉴折射率的长周期变化。尽管SFBG可用于上述多种用途，但总体而言，边带强度是固定的， 并且不可调节。此外，对于多参数传感来说，可以捕捉到传输信号，并对之进行分析，而不是通过反射光谱来分析。更进一步来讲，例如可以通过在光纤上制作周期金属薄膜来实现可调节SFBG的概念。
在SFBG中，沿纤维轴的折射率调节周期性很强，同时沿纤维轴的周期(通常大于 IOOym)比沿光栅的周期要长。折射率的长周期变化导致了 SFBG反射光谱中等距边带的形成。
如图2所示，SFBG还可通过在FBG上沉积周期性金属膜来实现。沉积有金属纤维薄膜的SFBG，当光纤受轴向力(F)或者加热/制冷(ΔΤ)影响时会导致应变沿光栅呈周期性分布，这是由薄膜和光纤的几何尺寸以及热膨胀差异引起的。应变组分沿光栅呈周期性分布导致了平均折射率(Si)的周期性变化(由于光侧弹性的影响)。除折射率外，光栅间距 (A)沿光纤周期变化。间隔分布在FBG上并被金属覆盖的边带，可由相位匹配条件得出2^e//'(1)
FBG上的镀金属薄膜可用于低温情况下的色散补偿、可调节布拉格光栅以及增敏。 电解沉积、溅射、电子束蒸发、电镀技术等传统技术可用于沉积Ti，Ag，Au, Pt，Zijn Cu镀膜。据设想，高分子材料也可用于薄膜涂料。
通过改变沉积模式(图幻的周期、长度、材料和厚度，可以产生各种SFBG。如此产生的SFBG将拥有特殊的反射光谱，可测量多重参数。同时，设计参数有镀膜的几何参数t， t1 t2，rf, rcl, rc2, rc3, b，w, W1, w2, Wi和镀膜材料的机械性能，如弹性模量和热膨胀系数。
多参数测量实例预测的不完全清单1.应变和温度2.应力和温度3.强度和温度4.压力和温度5.氢(H2)含量和温度(比如使用钯涂料)6.气敏元件和温度传感器当光纤接触到这种气体，并且受到应变时，任何涂料适用材料都会膨胀。7.相对湿度和相对温度接触到这种气体，并且受到应变时，任何涂料适用材料(比如湿度敏感聚合物)都会膨胀。
在第一个实例中，一种具有多重参数传感能力的SFBG是通过将周期性金属薄膜沉积到传统FBG上而制成的。例如通过使用激光辅助无掩膜微沉积(LAMM)技术来制成金属薄膜，这是一种激光直写(DW)方法。与传统的镀膜技术相比，无掩膜直写方法总体上更快捷、更灵活。LAMM技术中，某种金属(比如银)的纳米颗粒悬浮液会被用于分层沉积，同时纳米颗粒沉积后用激光束和/或熔炉进行烧结。
SFBG反射光谱中的周期间隔边带已被广泛用于光纤激光器和可调写滤波器中。与采用紫外光照射法制成的SFBG相比，含有纤维膜的SFBG边带折射率可以通过温度和外力的改变来调节0 Ahuja 等人的论文〈〈Tunable Single Phase-Shifted and Superstructure Gratings Using Microfabricated On-Fiber Thin Film Heaters》，对可调节 SFBG 的概念(通过在光纤上制造金属薄膜而实现)进行了详细阐述，这篇文章发表于Optics Communications, vol. 184，pp. 119-125，2000，该文内容以引用的形式并入本文。Ahuja等人建议将SFBG用于波分复用、光学传感、光纤激光器。文章指出，可以通过电子束蒸发法将具有周期性可变直径的金薄膜沉积在预沉积的钛纤维薄膜上。Ahuja认为焦耳加热会使温度沿光纤周期性分布。这就使通过电流调节边带反射率成为了可能。尽管Ahuja就光纤上沉积薄膜的问题进行了论述，但是他并没有详细论述如何采用文中提到的一种薄膜来达到文中所说的效果。
从感应的角度来看，有周期性金属镀层的SFBG可用于同步参数测量，消除了 FBG 在热度和结构测量上存在的自身局限性。SFBG产生的边带强度主要受光纤的适用温度和强度影响。边带强度和布拉格波长位移相结合可用于识别温度和应变的组合效应。紫外诱变SFBG已经用于多参数感知。在Guan等人共同发表的《Simultaneous Strain and Temperature Measurement Using a Superstructure Fiber Bragg Grating》 (IEEE Photonics Technology Letters, vol. 12, no. 6, pp. 675-677,1997) 一文中，该文内容以引用的方式并入本文中，受紫外线影响的SFBG透射谱可用于同时测量应变和温度。测量的根据是对包层模连接产生的衰减频段的分析结果。然而，基于某些原因，基于紫外线的SFBG 并不具有优势，如文中所述需要获取反射和透射紫外线，因此传感设备不便将SFBG的两端与基于紫外线的STOG连接。目前，光纤传感器只需要将光纤的一端与传感设备相连接，如只能读取反射光的频谱信号分析仪。
在发明中，采用LAMM工艺制造纤维薄膜。
为让SFBG具有多参数传感能力，开发了一种光学-机械模型。该模型包括两部分 (I)SFBG的结构模型，用于判断光纤应力和应变状态；(2)基于弹光效应和热光效应组成的光学-机械模型，用于观察SFBG反射光谱。
受外力和温度变化影响的SFBG结构模型是基于光纤以ΔΤ非勻速加热且受轴向张力F影响的假设。该方法类似于模拟在结构负载和温度变化情况下的厚壁桶。图4介绍了圆柱坐标系(r，θ，ζ)下的镀膜光纤段。假设光纤直径为rf，镀膜厚度为t = rc-rf0
由于对称性，所以q方向的位移分量(V)忽略不计；由于各点离两端较远，因此径向和轴向位移(U，W)对Z的依赖性较小。由于点的对称性，横波分量也为零。应变-位移关系如下所示
权利要求
1.一种光纤传感器，能同时对光纤传感器上的一个或多个预定位置进行检测和测量的光纤传感器。
2.权利要求1所述的光纤传感器，其中传感器够同时检测两项标准，这两项标准是从不同的组合中选定的，这些组合包括温度和应变、温度和应力、温度和压力、温度和强度、温度和氢含量、及温度和湿度组成。
3.权利要求1所述的光纤传感器，其中光纤是指布拉格光纤光栅及围绕光纤沉积的多个涂层。
4.权利要求1所述的光纤传感器，其中光纤指布拉格光纤光栅，该光栅的一端与只读反射光的光谱信号分析仪相连。
5.权利要求3所述的光纤传感器中，多个涂层沿光纤长度等距排列。
6.权利要求3所述的光纤传感器中，多个涂层沿光纤长度非等距排列。
7.权利要求3所述的光纤传感器中，多个涂层包括第一涂层组和第二涂层组，其中第一涂层组沿光纤程度灯具排列，第二涂层组沿光纤长度非等距排列。
8.权利要求3所述的光纤传感器中，多个涂层是厚度约为200μ m的薄膜。
9.权利要求8所述的光纤传感器中，多个涂层是厚度约为9μ m的薄膜。
10.权利要求8所述的光纤传感器中，多涂层材料是导电元素，选自钛、银、金、钼、铝、 锌、镁、铜、铁、铬、镍、钯、铅及其组合。
11.权利要求8所述的光纤传感器中，多涂层为银涂层。
12.权利要求3所述的光纤传感器中，多涂层为高分子材料涂层。
13.权利要求5所述的光纤传感器中，多涂层长度大约为1.5mm,相邻涂层间距为 0. 5mmο
14.权利要求3所述的光纤传感器中，多涂层长度大约为光纤传感器光栅长度的三分之一，相邻涂层间距也为光栅长度的三分之一。
15.权利要求1所述的光纤传感器中，光纤表面周围含有半径递减带。
16.权利要求15所述的光纤传感器中，光纤表面到带底部的深度可达40μ m。
17.权利要求16所述的光纤传感器中，多元带的长度可达到光纤传感器光栅长度的三分之一，相邻带的间隔也达到光栅长度的三分之一。
18.权利要求15所述的光纤传感器中，多元带沿光纤长度等距分布。
19.权利要求15所述的光纤传感器中，多元带沿光纤长度非等距分布
20.权利要求15所述的光纤传感器中，多元带包括第一带组和第二带组，第一带组沿光纤长度等距分布，而第二带组沿光纤长度非等距分布。
21.权利要求15所述的光纤传感器中，多项标准是从组合中选定的，这些组合包括温度和应变、温度和强度、温度和应力、温度和压力、温度和氢含量、以及温度和液体浓度。
22.—种制备光纤传感器的方法，传感器能在一个或多个预定位置同步测量多项参数， 该方法包括光纤的一个非平面表面至少有一个薄涂层。
23.权利要求22所述的方法中，涂层的应用方式是从一个群中选定的，这个群包括直写、直接沉积、直接印刷、逐层沉积、直接叠加制备、实体造型、分层制备法去除。
24.权利要求23所述的方法中，工艺基于激光。
25.权利要求M所述的方法中，涂层基于激光直写。
26.权利要求25所述的方法中，激光直写指激光辅助无掩膜微沉积法。
27.权利要求22所述的方法中，多项标准是从各组合中选出的，这些组合包括温度和应变、温度和应力、温度和压力、温度和氢含量、以及温度和湿度。
28.一种光纤传感器的制备方法，使光纤传感器能在一个或多个预定位置同时检测多项标准，该方法包括去除光纤表面材料。
29.权利要求观所述的方法中，光纤表面的材料涂层采用飞秒激光蚀刻技术去除。
30.权利要求观所述的方法中，光纤表面的材料涂层通过氢氟酸去除。
31.权利要求观所述的方法中，多项标准是从一个群中选定的，这个群包括温度和应变、温度和强度、温度和应力、温度和压力及温度和液体浓度。
32.权利要求观所述的方法中，从光纤周围去除的材料沿光纤形成圆周带，从光纤表面算起，圆周带深度可达40 μ m。
33.权利要求32所述的方法中，带长为光纤光栅长度的三分之一，相邻带的间隔也是光栅长度的三分之一。
全文摘要
一种超结构布拉格光纤光栅(SFBG)，对光纤金属膜用激光辅助进行直写。一种激光直写方法，用于在已有的FBG非水平表面上形成银纳米周期性薄膜。银薄膜厚约9μm，沿FBG四周分布。SFBG的性能研究是以施加在光纤上的温度和张力为基础。一种新开发的光学-机械模型，用于在热度和结构负载条件下预测合成SFBG的光学响应。反射光谱中的边带反射率在热度和结构负载的影响下可达到20％和37％。此外，已有的SFBG被用于同步测量力学和温度，消除传统FBG在多参数感应上的自身缺陷。
文档编号G01L11/02GK102483337SQ201080031882
公开日2012年5月30日 申请日期2010年7月16日 优先权日2009年7月16日
发明者哈米德瑞萨·埃洛莫哈迈德, 恩桑·托伊瑟卡尼 申请人:哈米德瑞萨·埃洛莫哈迈德, 恩桑·托伊瑟卡尼