一种蓝宝石光纤微型空腔耐高温压力传感器及其制备方法

本发明属于光纤传感器，具体涉及一种蓝宝石光纤微型空腔耐高温压力传感器及其制备方法。

背景技术：

1、高温压力传感器广泛应用于航空航天、能源勘探、船舶海洋等领域，采用该种传感器可实现对处于高温高压工作环境中的航空航天发动机、油井钻探机以及大型锅炉等设备的关键部位实时压力监测，从而可对部件在高温高压等恶劣环境下的工作情况进行有效评估，为后续设备部件的优化设计等提供技术参考。以航空航天为例，随着新一代航空航天飞行器的研发，发动机燃烧室部件逐渐向高温升等趋势发展，一般的涡轮发动机或者火箭发动机其主要部件工作温度已经达1200℃以上，压力变化范围也已达到0.01-4mpa。实时监测发动机管道、腔室、燃烧室等关键部位的压力情况，可有效保证发动机及其系统的长时间正常运转和模态切换。然而发动机结构复杂、内部空间小、高温恶劣环境等特点对传感器的研制提出了极为苛刻的要求。

2、现有压力传感器以传统电学式传感器为主，然而其在高温环境下容易发生压阻系数退化、欧姆接触失效等现象，从而限制了其最高工作温度不超过600℃，此外，在强电磁场情况下，该类传感器需要进行电磁屏蔽保护。

3、光纤传感技术作为一种20世纪70年代发展起来的新型传感技术，其以抗电磁干扰、耐腐蚀、小型化、易组网等特点迅速获得大家关注。光纤f-p压力传感器是光纤传感器的重要分支之一，其通过外界压力对f-p腔的干涉信息进行调制，从而通过解调f-p腔干涉信息来实现压力的测量。常规光纤f-p压力传感器多以普通熔融石英光纤为主，该种传感器耐受温度较低，且多以开腔式传感器为主，难以快速对多种成分环境下的压力进行精确测量。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种蓝宝石光纤微型空腔耐高温压力传感器及其制备方法，解决了上述背景技术中石英光纤材料耐温性能差、开腔式传感器精确程度等问题。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：提供了一种蓝宝石光纤微型空腔耐高温压力传感器的制备方法，包括如下步骤：

3、1)制备两种不同直径的蓝宝石光纤的端面，并在大直径蓝宝石光纤的端面刻蚀一个圆柱型槽；

4、2)将小直径蓝宝石光纤的端面插入大直径蓝宝石光纤的圆柱型槽内，深度满足小直径蓝宝石光纤的端面与圆柱型槽的槽底留有间隙；采用同质化蓝宝石光纤电弧放电技术将两个不同直径的蓝宝石光纤熔接在一起，使小直径蓝宝石光纤的端面与圆柱型槽的内壁、槽底围合形成一个封闭空腔；

5、3)将封闭空腔任意一侧的蓝宝石光纤截断，得到蓝宝石光纤微型空腔耐高温压力传感器。

6、在本发明一较佳实施例中，步骤1)中，将大直径蓝宝石光纤的端面研磨，得到平整的端面，采用飞秒激光干法刻蚀得到圆柱型槽，再经co2激光照射槽内，得到刻有光学级粗糙度的圆柱型槽的端面。

7、在本发明一较佳实施例中，所述飞秒激光干法刻蚀包括如下步骤：

8、①将端面处理后的大直径蓝宝石光纤放置在光纤夹具中，并将光纤夹具放入飞秒激光加工系统的三维载物台上固定，使得光纤端面垂直于激光光束；

9、②将物镜焦点聚焦到光纤端面，并设计需要刻的圆柱型槽的程序，启动设备，使得三维载物台按照设定的程序进行运动，即可在光纤端面刻出圆柱型的空槽。

10、在本发明一较佳实施例中，步骤1)中，将小直径蓝宝石光纤研磨、抛光，得到光学级粗糙度的端面。

11、在本发明一较佳实施例中，步骤2)中，采用同质化蓝宝石光纤电弧放电技术将小直径蓝宝石光纤的周壁与圆柱型槽的内壁发生融化并嵌套固定。

12、在本发明一较佳实施例中，步骤3)中，将熔接后的蓝宝石光纤放置于切割平台上，采用刀片对微型空腔一侧的大直径蓝宝石光纤进行截断，并采用机械研磨法对截断面进行研磨。

13、本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是：提供了一种蓝宝石光纤微型空腔耐高温压力传感器，包括两根不同直径的蓝宝石光纤及微型空腔；其中，大直径蓝宝石光纤的端面开设圆柱型槽，小直径蓝宝石光纤嵌设于所述圆柱型槽内且嵌入端的周壁与圆柱型槽的内壁熔接，嵌设深度满足小直径蓝宝石光纤的端面与圆柱型槽的槽底留有间隙；所述微型空腔为小直径蓝宝石光纤的端面与圆柱型槽的内壁、槽底围合形成的封闭空间。

14、在本发明一较佳实施例中，所述大直径蓝宝石光纤的圆柱型槽、小直径蓝宝石光纤的端面具有光学级的粗糙度。

15、在本发明一较佳实施例中，熔接点处的小直径蓝宝石光纤周壁与圆柱型槽的内壁融化并嵌套。

16、在本发明一较佳实施例中，所述微型空腔的任意一侧的蓝宝石光纤被截断成为微型空腔的一个壁面。

17、本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：

18、1.本发明结合飞秒激光干法刻蚀与电弧放电技术，实现了同质化蓝宝石光纤熔接，制备方法具有高效、便捷、易于上手、重复性强的优点；

19、2.本发明构成了简洁的微型空腔，能够形成法布里-珀罗干涉腔，封闭结构，结构简单、灵巧，受温度和压力影响时能够实现对多种成分环境下的压力进行精确测量；

20、3.本发明采用同质化的蓝宝石光纤熔接，大大提升传感器的一致性，传感器的功能稳定性更强、耐温性更高，具备抗电磁干扰能力。

1.一种蓝宝石光纤微型空腔耐高温压力传感器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种蓝宝石光纤微型空腔耐高温压力传感器的制备方法，其特征在于：步骤1)中，将大直径蓝宝石光纤的端面研磨，得到平整的端面，采用飞秒激光干法刻蚀得到圆柱型槽，再经co2激光照射槽内，得到刻有光学级粗糙度的圆柱型槽的端面。

3.根据权利要求2所述的一种蓝宝石光纤微型空腔耐高温压力传感器的制备方法，其特征在于：所述飞秒激光干法刻蚀包括如下步骤：

4.根据权利要求1所述的一种蓝宝石光纤微型空腔耐高温压力传感器的制备方法，其特征在于：步骤1)中，将小直径蓝宝石光纤研磨、抛光，得到光学级粗糙度的端面。

5.根据权利要求1所述的一种蓝宝石光纤微型空腔耐高温压力传感器的制备方法，其特征在于：步骤2)中，采用同质化蓝宝石光纤电弧放电技术将小直径蓝宝石光纤的周壁与圆柱型槽的内壁发生融化并嵌套固定。

6.根据权利要求1所述的一种蓝宝石光纤微型空腔耐高温压力传感器的制备方法，其特征在于：步骤3)中，将熔接后的蓝宝石光纤放置于切割平台上，采用刀片对微型空腔一侧的蓝宝石光纤进行截断。

7.根据权利要求6所述的一种蓝宝石光纤微型空腔耐高温压力传感器的制备方法，其特征在于：采用机械研磨法对截断面进行研磨。

8.一种蓝宝石光纤微型空腔耐高温压力传感器，其特征在于：包括两根不同直径的蓝宝石光纤及微型空腔；其中，大直径蓝宝石光纤的端面开设圆柱型槽，小直径蓝宝石光纤嵌设于所述圆柱型槽内且嵌入端的周壁与圆柱型槽的内壁熔接，嵌设深度满足小直径蓝宝石光纤的端面与圆柱型槽的槽底留有间隙；所述微型空腔为小直径蓝宝石光纤的端面与圆柱型槽的内壁、槽底围合形成的封闭空间。

9.根据权利要求8所述的一种蓝宝石光纤微型空腔耐高温压力传感器，其特征在于：熔接点处的小直径蓝宝石光纤周壁与圆柱型槽的内壁融化并嵌套。

10.根据权利要求8所述的一种蓝宝石光纤微型空腔耐高温压力传感器，其特征在于：所述微型空腔的任意一侧的蓝宝石光纤被截断成为微型空腔的一个壁面。