一种耐高温蓝宝石基光栅噪声原位传感器的制作方法

1.本发明属于高温传感技术领域，具体涉及一种耐高温蓝宝石基光栅噪声原位传感器。


背景技术：

2.在航空发动机、石油开采、核能源开发等领域工作的传感器在工作过程中均伴随有高温和其他极端复杂的环境，在这样复杂的条件下传感器内部的部件不可避免的受到影响，传感器测量的稳定性甚至传感器结构也会受到极大的影响，甚至会造成极大的破坏性，导致设备无法正常工作，发生融化或爆炸解体。由此可见，实现耐高温的噪声传感器，对高温环境下的数据采集具有重要意义。
3.目前，大部分噪声传感器是由石英材料制成，然而石英材料熔点较低，在高温下会变软甚至是融化，对温度耐受性并不好，这样的噪声传感器在高温条件下采集的数据很不理想。有一些传感器件虽然可以耐高温，但是其体积较大，不适合在狭小空间测试，对环境要求很高。此外，现有的噪声传感器一次成型，无法调整其测量精度，使得在不同测量环境下的测量结果无法达到特别精确。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决现有传感器难以在高温恶劣环境中实现高精度噪声原位测量的难题，提供一种耐高温全蓝宝石基光栅噪声原位传感器。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种耐高温全蓝宝石基光栅噪声原位传感器，包括蓝宝石光纤和蓝宝石晶体，所述蓝宝石光纤上设置有光纤光栅，所述蓝宝石晶体侧面设置有贯穿其两相对侧面的开口空腔，所述开口空腔的一侧设置有光纤连接孔，所述蓝宝石光纤的一端设置在所述光纤连接孔内，所述开口空腔的另一侧设置有体光栅，所述开口空腔内填充有空气。
6.进一步地，所述开口空腔的横截面为方形。
7.进一步地，所述开口空腔的横截面长为2~4mm，宽为1~3mm。
8.进一步地，蓝宝石晶体的壁厚为0.5~2mm。
9.进一步地，所述光纤光栅和体光栅的光栅长度大于0.5mm。
10.进一步地，所述蓝宝石光纤和蓝宝石晶体均为蓝宝石晶体材料制成。
11.进一步地，所述光纤光栅和体光栅采用飞秒激光逐层扫描的方法制备得到。
12.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：1、本技术的光栅噪声原位传感器全部采用蓝宝石晶体制作，通过蓝宝石同质材料一体化结构，可以保证传感器在高温条件下高可靠性工作。
13.2、本技术的光栅噪声原位传感器全基于法布里
‑
珀罗腔结构，通过设置在法布里
‑
珀罗腔结构的内壁与蓝宝石光纤内的高反射率体光栅与光纤光栅来代替传统的高反射率介质膜或金属膜，不仅可以保证高温环境下光的高反射率，而且，光栅结构可以采用飞秒激
光逐层扫描的方法在法布里
‑
珀罗腔结构和蓝宝石光纤内分别加工，其制备方法简单。
14.3、本技术的光栅噪声原位传感器结构可以通过改变连接蓝宝石晶体与光纤光栅之间的光纤长度实现法布里
‑
珀罗腔的腔长改变。由法布里
‑
珀罗腔的自由光谱区fsr=c/2nl与腔线宽
∆
ν=fsr/finesse可知，在腔的精细度finesse一定的情况下，腔长l与腔线宽
∆
ν成反比，因此本技术可以通过增加腔长获得更窄的光谱线宽，从而提高腔的光谱分辨率，增加噪声检测的精度。
15.4、本技术的光栅噪声原位传感器体积小、测试精度高、携带方便，可以实现噪声原位测量。
16.综上所述，本发明提供的一种耐高温全蓝宝石基光栅噪声原位传感器，结构本身全部采用蓝宝石晶体制作，可以消除宽温区热应力失配，提高对温度的耐受性。同时，传感器采用侧面开口结构，体积小，测试精度可调节。在航空发动机、石油开采、核能源开发等高温领域对声的同步原位测量方面，具有实用价值。
附图说明
17.图1为本发明传感器三维结构示意图；图2为本发明传感器二维结构示意图；图3为“光纤光栅
‑
体光栅”结构形成的法布里
‑
珀罗腔的频谱图；图4为声传感结构接收声音信号谱线漂移图；图5为声传感器的谱线随接收到的声音信号的声压变化；图中，1
‑
蓝宝石光纤，2
‑
光纤光栅，3
‑
光纤连接孔，4
‑
蓝宝石晶体，5
‑
开口空腔，6
‑
体光栅。
具体实施方式
18.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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。
19.如图1~2所示，本发明实施例提供了一种耐高温全蓝宝石基光栅噪声原位传感器，其特征在于，包括蓝宝石光纤1和蓝宝石晶体4，所述蓝宝石光纤1中间段上设置有光纤光栅2，所述蓝宝石晶体4侧面设置有贯穿其两相对侧面的开口空腔5，所述开口空腔5的一侧设置有光纤连接孔，所述蓝宝石光纤1的一端设置在所述光纤连接孔内，所述开口空腔5的另一侧设置有体光栅6，所述开口空腔5内填充有空气。
20.具体地，如图1~3所示，所述开口空腔5的横截面为方形。具体地可以为正方形，也可以为长方形，方形的开口便于接收声音信号。
21.进一步地，本实施例中，所述开口空腔5的横截面尺寸为长度与宽度分别设置为3mm和2mm，此外，本实施例中，所述开口空腔5的横截面尺寸范围也可以为长2~4mm，宽1~3mm。
22.进一步地，本实施例中，蓝宝石晶体1的壁厚为1mm，此外，壁厚范围可以设置为0.5~2mm，这个壁厚范围一方面可以保证传感器结构的稳定性，另一方面也不影响声音传播，有
利于噪声传感。
23.进一步地，本实施例中，所述光纤光栅2和体光栅6的光栅长度大于0.5mm。在大于0.5mm的光栅长度下，可保证商业化的光通讯波段1550纳米波长附近的光波长下，光纤光栅2和体光栅6的反射率达到90%以上，获得窄线宽的谐振光谱。
24.其中，传感的光信号从蓝宝石光纤1的一端输入，经过蓝宝石光纤1中的光纤光栅2，进入结构为“蓝宝石光纤光栅
‑
蓝宝石光纤
‑
空气
‑
蓝宝石体光栅”的法布里
‑
珀罗腔中，在光纤光栅2与体光栅6之间经过多次反射多光束干涉形成谐振谱。通过探测蓝宝石光纤光栅左端的反射光信号或者蓝宝石体光栅右端的透射信号，可以获得法布里
‑
珀罗腔的谐振光谱信号。当外界有声波信号输入时，声波信号压缩法布里
‑
珀罗腔中心的空气5，引起空气5折射率的变化，从而影响法布里
‑
珀罗腔内谐振光束的有效传输距离，最终导致“蓝宝石光纤光栅
‑
蓝宝石光纤
‑
空气
‑
蓝宝石体光栅”法布里
‑
珀罗腔谐振频率的漂移，以此来检测声音信号。本实施例中，光纤光栅2和体光栅6用于增强光在蓝宝石光栅界面的反射，压窄法布里
‑
珀罗腔的光谱线宽，增强声音检测的灵敏度精度。
25.如图3所示，为本发明实施例提供的一种耐高温全蓝宝石基光栅噪声原位传感器中，“光纤光栅
‑
体光栅”结构形成的法布里
‑
珀罗腔的频谱图。如图4所示，为本发明实施例中的噪声原位传感器接收到的声音信号谱线漂移图；图5为为本发明实施例中的噪声原位传感器接收到的声音信号谱线漂移量与接收到的声音信号的声压之间的关系，从图5中可以看出，二者呈线性关系，噪声越大，谐振频率的漂移越大，因此，本技术的耐高温全蓝宝石基光栅噪声原位传感器可以精确定量测量噪声大小。
26.本实施例的一种耐高温全蓝宝石基光栅噪声原位传感器的制作方法如下：根据仿真设计的法布里
‑
珀罗腔结构，首先采用飞秒激光扫描技术对整块蓝宝石晶体进行刻线，再经湿法刻蚀、高温退火后，获得侧面开口且一壁带有光纤连接孔的蓝宝石腔体；然后，根据设计好的光栅结构参数，利用飞秒脉冲空间整形结合湿法刻蚀技术制备体光栅结构和光纤光栅结构。最后，将制备好的带有光纤光栅的光纤一端插入蓝宝石连接孔，在确保高耦合效率的情况下，将光纤一端与蓝宝石腔体进行熔接，最终实现蓝宝石基光栅噪声原位传感器的集成化加工制备。
27.本发明实施例提供的一种耐高温全蓝宝石基光栅噪声原位传感器，包括声传感结构和光传输用蓝宝石光纤，其中的声传感结构是在一块蓝宝石晶体上加工制作出来的，通过不同声波对法布里
‑
珀罗腔结构中光的传输介质的影响，即空气的折射率的变化来传感声音。本发明中，传感器本身全部采用蓝宝石晶体，蓝宝石晶体的熔点为2050℃，可以在1900℃左右稳定工作。由蓝宝石晶体的耐高温特性，可以实现高温下的传感，另外，信号传输和传感均为蓝宝石同质材料，可以消除高温应力失配，提高对温度的耐受性，保证传感器在高温条件下的高可靠性工作。噪声传感结构为侧面开口的法布里
‑
珀罗结构，不存在密封的空腔结构，保证了传感器在高温条件下的高可靠性工作，同时也可方便对声音的感知，便于测量。同时，传感器腔长可调，可根据测量的实际需求调整其测试精度，提高测量准确性。进一步地，所述耐高温蓝宝石基光栅噪声原位传感器为一体化结构，体积小，可以实现噪声原位测量。
28.进一步地，本实施例中，传感器的测试精度的改变可以通过改变光纤光栅和体光栅的距离来实现。法布里
‑
珀罗腔的精细度取决于其光纤光栅和体光栅的反射率，本发明中
光纤光栅和体光栅的反射率不会改变，因而法布里
‑
珀罗腔的精细度不会发生变化。法布里
‑
珀罗腔的测试精度不仅和精细度有关，还与腔的自由光谱范围有关。自由光谱范围由光速除以两倍的光在空气中传输的折射率乘以腔长，由此可得：当法布里
‑
珀罗腔的腔长增加时，其自由光谱范围变小，从而其腔线宽也变小，法布里
‑
珀罗腔光谱中两个峰值之间的距离变小，从而该腔的测试精度得到提高，使得检测结果更加精确。
29.综上所述，本发明提供了一种耐高温蓝宝石基光栅噪声原位传感器结构，通过全蓝宝石基声传感结构进行声音信号的测量。噪声原位传感器全部采用蓝宝石晶体制作，为蓝宝石同质材料一体化结构，可以消除高温应力失配，保证传感器在高温条件下的高可靠性工作。噪声传感结构为侧面开口的法布里
‑
珀罗结构，不存在密封的空腔结构，保证了传感器在高温条件下的高可靠性工作。本发明将开口长度与宽度都分别设置为3mm和2mm，一方面足以保证声音信号的介入，另一方面尽量减少传感器大体积对声音信号的衰减，实现噪声原位测量。通过延长连接光纤光栅与体光栅之间的光纤长度来改变腔长，提高其检测灵敏度精度。噪声传感结构所基于的法布里
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珀罗结构，采用飞秒激光逐层扫描，在法布里
‑
珀罗腔结构的内壁与蓝宝石光纤内分别加工成高反射率体光栅与光纤光栅，代替传统的高反射率介质膜或金属膜，保证高温环境下光的高反射率。总之，该一体化传感结构体积小、灵敏度精度高，可以实现噪声原位测量。
30.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。