基于3D打印技术的光纤F-P传感器及其加工方法

技术领域

本发明涉及光纤传感器技术领域，尤其涉及一种基于3D打印技术的光纤F-P传感器及其加工方法。

背景技术

光纤传感技术因其具有本质安全、抗电磁干扰以及无源等优点弥补了传统传感器的不足，近年来受到广泛关注。其中非本征型光纤法布里-珀罗(Fabry Perot,F-P)传感器作为一种干涉型光纤传感器，具有设计灵活、结构紧凑、灵敏度高、响应线性度优良等优点，在航空航天、石油化工、无损检测及其他特殊行业得到广泛应用。

目前，光纤F-P传感器主要是基于激光加工法、直接熔接法以及化学腐蚀法进行制备，但激光加工法制备的F-P腔表面较粗糙，影响光反射；直接熔接法参数难控制，难以实现批量化生产；化学腐蚀法常用液体氢氟酸易发生挥发且对人体有害。这些光纤F-P传感器是通过纯手工方法制备，结构稳定性较差。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种基于3D打印技术的光纤F-P传感器及其加工方法，以解决现有技术中光纤F-P传感器的结构稳定性较差的技术问题。

本发明提出的技术方案如下：

本发明实施例第一方面提供一种基于3D打印技术的光纤F-P传感器的加工方法，包括：将光纤固定在石英套管内，所述光纤的一端和所述石英套管的一端在同一平面上；将石英混合材料作为打印材料，采用3D打印技术将微腔体和传感膜片依次从下到上打印在所述石英套管和所述光纤的共同端面上；对所述微腔体和所述传感膜片进行高温烧结。

可选地，采用3D打印技术将微腔体和传感膜片依次从下到上打印在所述石英套管和所述光纤的共同端面上，包括：将微腔体和传感膜片的数字三维模型导入打印软件并设置打印参数，基于所述打印参数依次从下到上在所述石英套管和所述光纤的共同端面上逐层打印并固化微腔体和传感膜片。

可选地，所述打印参数包括层分辨率、曝光时间和补偿时间，所述传感膜片的层分辨率为15μm～20μm，所述微腔体的层分辨率为70μm～75μm，衬底层的曝光时间为13s～15s，其他层的曝光时间为2s～4s，补偿时间为0.4s～0.6s。

可选地，将光纤固定在石英套管内，包括：将所述光纤插入石英套管，使用激光熔接技术将所述石英套管与所述光纤熔接固定。

可选地，在采用3D打印技术将微腔体和传感膜片依次从下到上打印在所述石英套管和所述光纤的共同端面上之前，还包括：对所述石英套管和所述光纤的共同端面进行抛磨，使所述光纤的一端面和所述石英套管的端面保持平整光滑。

可选地，所述石英混合材料包括石英颗粒和固化剂。

可选地，所述固化剂和所述石英颗粒的质量配比为1：1～7。

可选地，所述高温烧结时间为25min～30min，烧结温度为1000℃～1750℃。

可选地，在对所述微腔体和所述传感膜片进行高温烧结前，还包括：对所述石英套管、所述光纤、所述微腔体和所述传感膜片进行清洗。

本发明实施例第二方面提供一种基于3D打印技术的光纤F-P传感器，使用如本发明实施例第一方面任一项所述的加工方法加工生成。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例提供的一种基于3D打印技术的光纤F-P传感器及其加工方法，通过将光纤固定在石英套管内，所述光纤的一端和所述石英套管的一端在同一平面上；将石英混合材料作为打印材料，采用3D打印技术将微腔体和传感膜片依次从下到上打印在所述石英套管和所述光纤的共同端面上；对所述微腔体和所述传感膜片进行高温烧结，将3D打印技术用于光纤F-P传感器制备，提高光纤F-P传感器的结构精度及一致性，结合高性能石英材料，可加工出表面光滑且稳定性强的F-P微腔，石英套管、光纤、微腔体和传感膜片的主要组分均为石英材料，热膨胀系数与热光系数相同，可以有效提高光纤F-P传感器的稳定性。

附图说明

为了更清楚地表达说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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为本发明实施例中一种基于3D打印技术的光纤F-P传感器的加工方法的流程图；

图2为本发明实施例中另一种基于3D打印技术的光纤F-P传感器的加工方法的流程图；

图3为本发明实施例中基于3D打印技术的光纤F-P传感器的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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和简化描述，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。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明实施例提供了一种基于3D打印技术的光纤F-P传感器的加工方法，请参见图1和图2，该方法包括：

步骤S100、将光纤固定在石英套管内，光纤的一端和石英套管的一端在同一平面上。具体地，光纤为单模光纤，光纤本身材质为石英玻璃，和石英套管一样主要组成为石英材料。将光纤插入石英套管，光纤和石英套管同轴设置，使光纤的一端和石英套管的一端在同一平面上并固定光纤。光纤的一端和石英套管的一端在同一平面上便于直接在石英套管和光纤的共同端面上打印微腔体和传感膜片。

步骤S200、将石英混合材料作为打印材料，采用3D打印技术将微腔体和传感膜片依次从下到上打印在石英套管和光纤的共同端面上。具体地，首先在共同端面上打印微腔体，微腔体为筒状，微腔体的下端覆盖光纤的上端面，打印完微腔体后在其上端通过3D打印传感膜片，打印前，通过三维模型软件设计传感器样品的三维模型，然后将三维模型导入系统打印软件，设置打印参数使传感膜片、微腔体、石英套管及光纤的中心点在一条直线，传感膜片、微腔体和共同端面构成非本征型光纤法布里-珀罗(Fabry Perot,F-P)微腔。

使用本发明实施例加工方法加工的基于3D打印技术的光纤F-P传感器，其传感膜片尺寸为直径1.5mm～2mm，厚度50μm～60μm，石英套管内径为90μm～100μm，光纤直径为90μm～100μm。示例性地，传感膜片尺寸为直径1.5mm，厚度50μm，石英套管内径为90μm，光纤直径为90μm；或者传感膜片尺寸为直径2mm，厚度60μm，石英套管内径为100μm，光纤直径为100

μm；或者传感膜片尺寸为直径1.8mm，厚度55μm，石英套管内径为95μm，光纤直径为95μm等。基于3D打印技术的光纤F-P传感器的F-P微腔的长度仅为微米尺寸，封装后的基于3D打印技术的光纤F-P传感器为毫米尺寸，微腔体和传感膜片直接打印在光纤与石英套管的共同端面上，共同端面到传感膜片的距离为F-P微腔的初始腔长，有效克服传统基于3D打印技术的光纤F-P传感器制备过程中精细调整F-P微腔的流程难题，降低制备难度的同时提高了传感器一致性。

步骤S300、对微腔体和传感膜片进行高温烧结。通过高温烧结稳固打印的微腔体和传感膜片，提高基于3D打印技术的光纤F-P传感器的强度。

本发明实施例的基于3D打印技术的光纤F-P传感器的加工方法，通过将光纤固定在石英套管内，光纤的一端和石英套管的一端在同一平面上；将石英混合材料作为打印材料，采用3D打印技术将微腔体和传感膜片依次从下到上打印在石英套管和光纤的共同端面上；对微腔体和传感膜片进行高温烧结，将3D打印技术用于光纤F-P传感器制备，提高光纤F-P传感器的结构精度及一致性，结合高性能石英材料，可加工出表面光滑且稳定性强的F-P微腔，石英套管、光纤、微腔体和传感膜片的主要组分均为石英材料，热膨胀系数与热光系数相同，可以有效提高光纤F-P传感器的稳定性。

本发明实施例的基于3D打印技术的光纤F-P传感器的加工方法制备出的光纤F-P传感器具有稳定性高、结构简单、易于制作、可重复性强的优点。

在一实施例中，采用3D打印技术将微腔体和传感膜片依次从下到上打印在石英套管和光纤的共同端面上，包括：将微腔体和传感膜片的数字三维模型导入打印软件并设置打印参数，基于打印参数依次从下到上在石英套管和光纤的共同端面上逐层打印并固化微腔体和传感膜片。具体地，在设置好打印参数后，通过电机驱动打印平台上移，逐层光照固化石英混合材料，采用逐层打印并固化的方式打印微腔体和传感膜片，数字三维模型的层数可以按照所需精度设置，例如层数为5层，微腔体4层，传感膜片1层，或者，层数为7层，微腔体5层，传感膜片2层，每打印一层，就使用紫外光固化，固化完成后再打印下一层，相较于一体式打印固化，分层打印要求激光的工艺与能量密度要求更高，使微腔体和传感膜片具有较高的精度和强度。

在一实施例中，打印参数包括层分辨率、曝光时间和补偿时间，传感膜片的层分辨率为15μm～20μm，微腔体的层分辨率为70μm～75μm，衬底层的曝光时间为13s～15s，其他层的曝光时间为2s～4s，补偿时间为0.4s～0.6s。示例性地，传感膜片的层分辨率为18μm，微腔体的层分辨率为73μm，衬底层的曝光时间为14s，其他层的曝光时间为3s，补偿时间为0.5s；或者，传感膜片的层分辨率为15μm，微腔体的层分辨率为70μm，衬底层的曝光时间为13s，其他层的曝光时间为2s，补偿时间为0.4s；或者，传感膜片的层分辨率为20μm，微腔体的层分辨率为75μm，衬底层的曝光时间为15s，其他层的曝光时间为4s，补偿时间为0.6s。根据本实施例的打印参数，能够使用石英混合材料打印结构稳定的微腔体和传感膜片。

在一实施例中，将光纤固定在石英套管内，包括：将光纤插入石英套管，使用激光熔接技术将石英套管与光纤熔接固定。使用激光熔接技术实现石英套管与光纤完全熔接，保证石英套管与光纤在外界环境影响下仍保持位置相对固定，石英套管与光纤固定紧密，减少传感过程中外界不良因素对传感结果的影响，同时延长传感器使用寿命。

在一实施例中，在采用3D打印技术将微腔体和传感膜片依次从下到上打印在石英套管和光纤的共同端面上之前，还包括：对石英套管和光纤的共同端面进行抛磨，使光纤的一端面和石英套管的端面保持平整光滑。通过抛磨石英套管和光纤的共同端面，可以减小光反射损耗，提高光纤F-P传感器精度。配合3D打印的微腔体和传感膜片，可实现表面光滑且稳定性强的F-P微腔，制备出的传感器具有高稳定性和高精度。

在一实施例中，石英混合材料包括石英颗粒和固化剂。固化剂主要为光敏有机材料，通过将石英颗粒和固化剂混合，在打印后使用紫外光照射就能使产品固化。

在一实施例中，固化剂和石英颗粒的质量配比为1：1～7。石英颗粒与固化剂均匀搅拌，石英颗粒直径30nm～200nm，然后按照设定的配比，例如固化剂和石英颗粒的质量配比为1:1，或者1：7，或者1：5等，混合进行均匀搅拌，得到石英混合材料。在该质量配比范围内石英混合材料具有良好的固化效果。

在一实施例中，高温烧结时间为25min～30min，烧结温度为1000℃

～1750℃。在不同的实施例中，高温烧结时间为25minmin，烧结温度为1000℃，或者，高温烧结时间为30min，烧结温度为1750℃，或者高温烧结时间为28min，烧结温度为1500℃等。在高温烧结时间为25min～30min，烧结温度为1000℃～1750℃时，有助于固化剂的挥发和石英颗粒之间的融合。

在一实施例中，在对微腔体和传感膜片进行高温烧结前，还包括：对石英套管、光纤、微腔体和传感膜片进行清洗。通过清洗洗掉打印过程中产生的物质，避免高温烧结后不易清洗。

本发明实施例还提供一种基于3D打印技术的光纤F-P传感器，使用如本发明上述实施例的任一项加工方法加工生成。如图3所示，该基于3D打印技术的光纤F-P传感器包括传感膜片1、微腔体2、石英套管4与光纤5，通过直接在石英套管4与光纤5的共同端面3上采用3D打印传感膜片1、微腔体2，结合高性能石英材料，可加工出表面光滑且稳定性强的F-P微腔，石英套管4、光纤5、微腔体2和传感膜片1的主要组分均为石英材料，热膨胀系数与热光系数相同，可以有效提高光纤F-P传感器的稳定性。

以上，以上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精神和范围。