制造光纤传感器探针的设备及其制造方法

本申请要求2019年11月15日提交的、题为“制造光纤传感器探针的方法和设备(AMethod And An Apparatus To Fabricate Fiber Optic Sensor Probes)”的印度临时专利申请第201941046643号的优先权。

技术领域

本公开总体上涉及光纤传感器，并且尤其涉及以自动化方式制造U形弯曲光纤光学传感器探针的设备。

背景技术

最近，U形弯曲光纤传感器探针已经获得了极大的关注，主要是由于其与周围介质的有效光相互作用而具有高吸光度和折射率灵敏度，样品体积低至几十微升，具有浸入式传感的可能性，并且易于探针操作。具有二氧化硅和聚合物纤维芯的多模光纤以及单模光纤已经被用来制造用于化学和生物传感应用的U形弯曲光纤探针。光纤光学探针由于其在宽波长范围内的适用性、高化学和热稳定性以及成熟的表面改性技术而得到广泛应用。

在过去三十年中，大量研究报告了通过手工方式制造U形弯曲光纤光学传感器探针(UFOS)。制造工艺通常包括将二氧化硅芯暴露于丁烷火焰中，以将二氧化硅芯的温度升高到800℃至1200℃，以便能够在使纤维经历弯曲之前，在纤维的受控长度上熔化熔融的二氧化硅。值得注意的是，除了几个光学参数之外，UFO的分析响应还受到其物理几何形状的高度影响。除了熟练工人的要求之外，手动弯曲方式中的一些主要限制包括制造的探针之间的U形几何形状的巨大不一致性。U形与所需的弯曲直径的显著偏差和弯曲平面中的倾斜非常常见，导致大的探针到探针的变化，已知这些变化直接影响探针的倏逝波吸收率和折射率灵敏度。因此，通过手动方式制造的U形弯曲探针需要对其几何形状和灵敏度进行全面表征，并且需要剔除一个批次中所制造的探针总数的高达50％-70％。

为了克服上述限制，Chiang及其同事已经报告了一种采用半手动机构来提高弯曲的几何形状的再现性的创新技术。在本文中，纤维远端被保持在一起，并穿过其直径等于所需的弯曲直径的直径的孔口(orifice)。将纤维末端紧紧地固定在固定的支架上，并将所述孔口附接至的金属板从支架上移开，同时将弯曲区域暴露于丁烷火焰。尽管这种技术允许通过简单的手段制造UFOS，但它仅限于较小直径的纤维(例如，总直径小于125Om的单模和多模纤维)。弯曲纤维所需的光纤的最小长度随着其直径的增加而增加，因为需要将它们的远端保持在一起，导致纤维的浪费。此外，纤维臂中的扭转可能是另一种可能性，除非纤维被保持在垂直于重力的平面中。此外，当新形成的U形弯曲区域过度暴露于火焰时，基于火焰的加热遭受探头的U形变形，这需要对火焰暴露进行精确控制。

美国专利US5970749A公开了一种在光纤的制造过程期间的自动化环境，其使用夹具和可移动夹持装置的组合来固定光纤，该可移动夹持装置运输光纤，同时保持对光纤末端的控制。在专利US8703505B2中描述了一种具有光纤的生物传感器，该光纤具有至少一个弯曲部分，该弯曲部分被配置为增强倏逝波的穿透性和一种或多种与该光纤相关的纳米颗粒，并且被配置为增强局部表面等离子体共振。“使用CO2激光制造用于微结构测量的光纤探针:高功能性和耐久性测试(Fabrication of a fiber probe using a CO2 laser formicrostructure measurement:High functionality and durability test)”，Uchiyama等人(2018)，Procedia CIRP，第77卷，2018，第513-516页公开了使用激光制造触针尖端(stylus tip)。“U形光纤pH探针的制造和表征(Fabrication and characterization ofU-shaped fiber-optic pH probes)”，Gupta等人(2002)，《传感器和执行器B化学(Sensorsand Actuators B Chemical)》介绍了利用倏逝场吸收光谱和染料掺杂的溶胶-凝胶固定技术的U形光纤pH探针的制造和表征。

本文公开了一种可以使U形弯曲光纤探头的制造自动化的设备。

发明内容

公开了自动制造光纤U形弯曲探针的系统、装置和方法。在一些实施例中，本发明公开了一种自动化的纤维弯曲机。所述机器包括被配置成发射激光束并加热一根或多根二氧化硅纤维的加热源。光束偏转模块被配置为将激光束引导至一根或多根二氧化硅纤维以用于进行加热。所述机器进一步包括机器人铰接臂组件，所述组件包括两个独立的臂，每个臂具有第一端和第二端并围绕轴线旋转。轴被配置为安装每个臂的第二端，并使臂围绕相同的轴线旋转。至少一个伺服电机被附接到每个臂，并且每个电机被安装有被配置为驱动臂的正齿轮。每个臂中的至少一个夹持器被配置为将纤维保持在适当的位置。控制系统被配置为引导热源以加热纤维的弯曲部分，并致动伺服电机以使臂成角度地移动并将弯曲部分处的纤维弯曲到预定的弯曲直径。

在一些实施例中，加热源是CO

在一些实施例中，偏转模块可以包括：第一反射镜，其相对于发射的激光束以预定角度固定，并被配置为通过一角度反射光束；第二反射镜，其被配置为接收来自第一反射镜的反射光束，并通过一角度反射光束；以及第三反射镜，其被配置为在X-Y平面中接收来自第二反射镜的反射光束，并在Y-Z平面中将光束朝向一根或多根二氧化硅纤维偏转。在一些实施例中，相对于发射的激光束，第一反射镜以60°角放置，并且第二反射镜和第三反射镜以45°角放置。

在各种实施例中，激光器由脉宽调制信号控制。在一些实施例中，铰接臂组件被配置为将纤维保持在一个臂中的第一端上和另一个臂中的第二端上，其中弯曲部分被保持在所述第一端和所述第二端之间。

公开了一种制造U形弯曲光纤探针的方法。所述方法可包括以下步骤：将具有第一端、第二端和其间的弯曲部分的光纤保持在机器人铰接臂组件中，所述组件包括两个独立的臂，每个臂具有第一端和第二端并可围绕轴线旋转，所述轴线具有固定在其上的心轴；使用激光加热源将弯曲部分中的光纤加热至预定的温度以使其软化；以及通过围绕心轴同时成角度地移动臂将弯曲部分处的纤维弯曲到预定的弯曲直径。

在各种实施例中，可通过改变心轴的直径来控制纤维的弯曲直径。在所述方法的各种实施例中，加热弯曲部分中的光纤包括在加热源处从控制系统接收触发脉冲，并且沿着弯曲部分光栅扫描激光束，在本文中，加热弯曲部分中的光纤并且弯曲纤维包括通过以第一激光功率水平加热到第一预定温度使弯曲部分去包层。然后，所述方法包括以第二激光功率水平将弯曲部分加热到第二预定温度，以引起纤维的软化。此后，所述方法包括从控制系统接收信号，以成角度地移动臂，并将弯曲部分处的纤维弯曲到预定的弯曲直径。

附图说明

本发明具有其他优点和特征，当结合附图时，从本发明的以下详细描述和所附权利要求，这些优点和特征将更加容易地明显，在附图中：

图1A示出了自动化的纤维弯曲机的部件。

图1B示出了使用铰接臂机构的纤维弯曲的图示。

图1C示出了使用铰接臂机构的纤维弯曲的图示。

图1D示出了使用铰接臂机构的纤维弯曲的图示。

图1E示出了AFBM的框图，示出了驱动CO2激光器、光束偏转机构和铰接臂机构的重要电子和机电部件。

图2描绘了U形弯曲光纤探针的制造方法的流程图。

图3示出了在590nm下的折射灵敏度(RI)。

图4示出了折射灵敏度(RI)相对于弯曲直径。

图5A-5J示出了具有不同直径的U形弯曲探针的照片图像。

图6A示出了探针对不同RI介质的响应。

图6B示出了探针对不同RI介质的RI灵敏度。

图7A示出了400μm芯光纤。

图7B示出了600μm芯光纤。

参考附图，在整个视图中相同的数字表示相同的部件。

具体实施方式

虽然已经参照某些实施例公开了本发明，但本领域技术人员应理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种变化并且可以替换等同物。此外，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对本发明的教导进行许多修改以适应特定的情况或材料。

在整个说明书和权利要求书中，以下术语采用本文明确关联的含义，除非上下文另有明确规定。“一个(a)”、“一个(an)”和“所述(the)”的含义包括复数指代物。“在……中”的含义包括“在……中”和“在……上”。参考附图，在整个视图中，相同的数字表示相同的部件。另外，提及单数包括提及复数，除非另有说明或与本文的公开不一致。

本发明公开了一种使用激光辅助技术作为热源来制造U形弯曲光纤传感器、换能器和波导管的设备。所述设备包括机器人铰接臂，所述机器人铰接臂可以改变具有二氧化硅或聚合物包层的光纤的几何形状，并且除了以自动化的方式扭转和弯曲光纤之外，还通过使聚合物包层去包层来制造传感器探针。光纤传感器探针的几何形状由热源、光束厚度、纤维的暴露时间和电动平台的定位来控制。

在各种实施例中，公开了一种自动化的纤维弯曲机(AFBM)100。AFBM 100包括加热源110和机器人铰接臂组件130，如图1A所示。加热源110被配置为发射激光束112并加热一根或多根光纤150。激光束在光纤上纤维必须被弯曲的位置形成激光光斑。在各种实施例中，加热源对光纤施加受控加热，以将纤维芯保持在玻璃化转变温度以用于弯曲。在各种实施例中，加热源110是激光源。在一些实施例中，激光器是CO

在一些实施例中，激光焦点可以沿着纤维上下移动，并且通常在x、y或z方向上移动，如图1A所示。在一些实施例中，该机器包括光束偏转模块120，所述光束偏转模块可以线性地移动光斑，以去除一根或多根纤维150上所需长度上的二氧化硅或聚合物包层。偏转模块120包括使用运动底座保持的第一反射镜122、第二反射镜124和第三反射镜126。在一些实施例中，第一反射镜122、第二反射镜124和第三反射镜126是涂覆有金的硅反射镜。在各种实施例中，激光束112被与光束112成60°角的第一反射镜122偏转到平移台的第二反射镜124上。从第二反射镜124偏转的激光束被引导到第三反射镜126中，第三反射镜126将光束朝向一根或多根纤维150偏转。第二反射镜124和第三反射镜126是平移台的一部分。反射镜124、126与光束成45°角放置。在各种实施例中，步进电机被配置为驱动平移台。在各种实施例中，光束偏转模块120被配置为线性地移动加热源110并调整加热源110的焦点，以改变经受暴露以去除光纤150的期望长度上的聚合物包层的纤维的有效长度，或者允许微调弯曲直径。

在各种实施例中，AFBM 100包括机器人铰接臂组件130，其配置为以直线方式保持纤维150，并相对于暴露于激光光斑的中心区域成角度地移动直线纤维部分。在各种实施例中，机器人铰接臂组件130具有两个独立的臂132、134，每个臂具有第一端和第二端。每个臂的第二端彼此更靠近，并且第二端围绕轴线旋转。至少一个伺服电机142、144被附接至第一臂132和第二臂134。在各种实施例中，伺服电机142、144被安装有正齿轮136、138，正齿轮136、138通过减速齿轮机构驱动相应的臂132、134，如图1B所示。在各种实施例中，如图1B所示的轴146被配置为安装臂132、134的第二端，并使臂132、134围绕相同的轴线旋转。在各种实施例中，每个臂132、134在每个臂中具有至少一个夹持器，所述夹持器被配置为将纤维保持在适当的位置。在各种实施例中，夹持器具有至少一个微型伺服电机以保持光纤150。

在各种实施例中，纤维150具有第一端152、第二端154和必须弯曲的弯曲区域156。在各种实施例中，弯曲区域156位于光纤150的中心。在各种实施例中，光纤芯上的聚合物包层在待弯曲的区域中被去包层。在各种实施例中，将被弯曲的纤维的去包区域被精确地放置在铰接臂130的轴146的中心，以保持纤维150相对于激光束静止。在各种实施例中，加热源110被配置为加热纤维的弯曲区域156。来自平移台中的第二反射镜124的激光束在X-Y平面中被引导到第三反射镜126，第三反射镜126将Y-Z平面中的光束偏转到保持在铰接臂130中的纤维的去包层区域上。

在各种实施例中，如图1C所示，通过从0°旋转到90°和从90°旋转到180°的伺服电机，臂被同时成角度地移动，并且纤维150在弯曲区域156中被弯曲到预定的弯曲直径，如图1C所示。

在各种实施例中，纤维150围绕心轴158弯曲，并且纤维的弯曲直径可通过改变心轴158的直径来控制。在各种实施例中，纤维芯的直径在200μm至600μm的范围内。在一些实施例中，可以形成为U形光纤传感器的最大纤维芯直径可以延伸到1000μm。

在各种实施例中，AFBM 100包括如图1E中所示的控制系统。如图1E中所示的控制系统包括微控制器160和相关的电子电路，其包括一个或多个DC-DC、一个或多个激光驱动器190、一个或多个伺服电机驱动器182、一个或多个步进电机驱动器184、用于显示器的I/O扩展板170、用于键盘的I/O扩展板172、电源和通信协议。在各种实施例中，微控制器160被配置为接收来自键盘的输入，驱动步进电机142、144、一个或多个伺服电机136、138和光源110。在各种实施例中，微控制器160被编程为接收来自键盘172的输入，驱动步进电机136、138，驱动伺服电机142、144，启动CO

在各种实施例中，公开了一种制造U形弯曲光纤探针的方法200。如图2中所示的方法200包括将光纤150保持在机器人铰接臂组件130的臂之间。在步骤201中，光纤保持笔直，其中第一端152和第二端154被保持在臂组件130的远端，并且弯曲部分156被保持在机器人铰接臂组件130的中心。组件130的臂围绕轴线旋转，所述轴线具有固定在其上的心轴158。在各种实施例中，方法200在步骤202中包括加热弯曲区域156中的光纤。在各种实施例中，光纤的加热可以在两个操作中进行。在第一操作中，在步骤203中，通过在弯曲部分上光栅化激光将纤维加热到第一预定温度。该操作旨在导致纤维的去包层。可以在第一功率水平下进行去包层。在第二操作中，可以以第二功率水平加热204纤维，以引起纤维的软化。在各种实施例中，用于软化纤维的第二功率水平可以处于比用于去包层的第一功率水平更高的功率。在所述方法的各种实施例中，在步骤202-204中，除了调整功率水平之外，所述方法可以进一步包括改变激光束的焦点、激光束的位置、激光束的光栅化速率、遍历(traverses)之间的间距等中的一个或多个。在各种实施例中，调节功率水平可以包括调制激光束的脉冲宽度。

在各种实施例中，在步骤205中，通过使臂132、134成角度地移动并且在弯曲区域156处围绕心轴158将纤维150弯曲到预定的弯曲直径来在弯曲部分处弯曲纤维。

在各种实施例中，所述方法是自动化的。所述方法包括通过加热源从控制系统接收触发脉冲，以开始在弯曲区域156处将纤维加热到预定温度，并在光纤150的期望长度上光栅扫描激激光光斑。在各种实施例中，伺服电机142、144接收来自控制系统的信号，以成角度地移动臂132、134，并将弯曲部分156处的纤维150弯曲到预定的弯曲直径。在各种实施例中，所述方法包括调整偏转模块130中的反射镜，以将光束朝向弯曲部分移动。在一个实施例中，所述方法包括通过以第一激光功率水平加热至第一预定温度来使弯曲区域156去包层。所述方法进一步包括以第二激光功率水平将弯曲部分156加热到第二预定温度，以引起纤维的软化，从而使纤维弯曲。在各种实施例中，通过伺服电机142、144从控制系统接收信号，以成角度地移动臂132、134，并将弯曲部分156处的纤维150弯曲到预定的弯曲直径。

AFBM的优点包括制造时间的减少，为任何尺寸的二氧化硅探针产生可重复且期望的弯曲直径。

实例

实例1：纤维弯曲机的设计和操作

基于CO

激光束偏转机构：为了在其上安装有纤维的铰接臂机构的X-Y平面上移动激光光斑，开发了一种激光束偏转机构。这允许激光光斑沿着纤维移动，以及其在垂直方向上围绕纤维定位。这是在两个涂覆有金的硅反射镜(93％反射率)的帮助下实现的，这两个硅反射镜使用在定制的平移台上支撑的运动底座来保持。CO

铰接臂机构：铰接臂机构由两个独立的臂组成，臂的近端被安装在固定轴上，以使其围绕同一轴线旋转。它们由两个单独的伺服电机驱动，每个电机被安装有通过减速齿轮机构驱动相应的臂的正齿轮。每个配备有夹持器机构的臂由微型伺服电机组成，以保持纤维。待弯曲的纤维的中心去包层部分被准确地放置在铰接臂的轴的中心，以便确保它相对于激光束及其用于加热/弯曲的暴露保持静止。臂可以通过来自控制单元的同步输入同时移动，以将两个伺服电机从0°旋转到90°和从90°旋转到180°。将瓷砖放置在使用激光光斑加热的纤维部分下方。出于冷却目的，将排气扇放置在瓷砖附近。

中央电子控制单元：所述电子控制单元主要由微控制器(例如TMEGA2560)和相关电子电路组成，所述电子电路包括DC-DC换能器、激光驱动器、步进电机和伺服电机驱动器、用于显示器和键盘的扩展板以及电源。微控制器被编程为接收来自键盘的输入，并向显示器产生输出，并驱动步进电机、伺服电机和CO

探针制备步骤：使用AFBM对探针适当地去包层。取长度10cm的纤维，并去除中心长度8mm的护套。将探针浸泡在丙酮溶液中20分钟以去除包层，并且用纸巾擦拭并用刀片划线以去除包层。再次将纤维浸泡10分钟并擦拭。将在纤维的两端处约20mm的护套去除，并用切割器切割具有纤维的边缘。将探针在100℃下在热空气烘箱中保持20分钟，以使它们变直。

纤维去缓冲、去包层和弯曲程序:用丙酮擦拭探针。纤维的中心区域正好位于轴的原点上方，轴也被暴露于激光光斑。通过经由旋转固定至微型伺服电机的夹持器将纤维推向臂的L形托架(bracket)，将纤维锁定在臂上。按下触摸屏显示器上的按钮，微控制器初始化外设(i2C、SPI、IO扩展器、TFT显示器、伺服电机驱动器、步进电机驱动器、CO

去包层部分被暴露于激光光斑。连续地发射激光，同时光束偏转机构在纤维上扫描光束，以使纤维去缓冲/去包层或弯曲。为了弯曲纤维，发射激光器持续软化时间以升高温度，并且随后在期望的长度上进行激光光斑的光栅扫描，并依次旋转臂，开启CO

实例2：用于纤维去缓冲、去包层和弯曲的实验设置

方法：缓冲液聚合物包层去除条件在表1中示出。纤维弯曲条件在表2中示出。

表1：缓冲液聚合物包层去除条件

表2：频率为5kHz的10瓦的CO

光纤探针的制造前和制造后：取110cm长的二氧化硅光纤，并使用纤维抛光片对两个表面进行抛光。然后通过将纤维暴露20秒，使用激光对光纤进行去缓冲。然后，对于上表2中所示的>250μm尺寸的光纤，通过相同的工艺，在预定的曝光时间和反射镜平移的情况下，将纤维弯曲成U形。

探针清洁：使用火焰和丙酮来清洁U形弯曲纤维探针，以去除保留在芯表面上的包层材料。简而言之，将纤维探针的U形弯曲区域暴露于丁烷火焰(优选地，丁烷火焰的蓝色区域)，随后通过在丙酮中浸泡15分钟进行超声波处理。之后，在光学显微镜下检查该纤维探针，以验证纤维芯表面的清洁度。将U形弯管暴露于丁烷火焰是一个关键步骤，过度暴露和/或将U形区域暴露于黄色火焰将导致探针几何形状的变形。

评估折射率(RI)和倏逝波吸光度(EW A)灵敏度：通过经受不同RI的蔗糖溶液来评估制造的U形弯曲纤维探针的RI灵敏度。通过将适当重量的蔗糖溶解在10mL的蒸馏水中，来制备包括1.34、1.35、1.36、1.37、1.38和1.39的不同RI的蔗糖溶液。为了评估RI灵敏度，使用定制的磁性底座将制造的U形弯曲纤维探针(n＝10)耦合到绿色LED光源和多通道光谱仪。强度值为检测器饱和值的至少30％的通道(被称为测试探针)被考虑用于计算灵敏度，而其他探针被保持作为实验对照，其经受去离子水，以便跟踪光源波动和随时间的实验误差。耦合强度的变化纯粹是由于磁性底座的未对准造成的，这将在将来得到恢复。当经受不同的RI溶液时，记录每个通道处的强度值的下降，并且如图3和图4所示，通过将水中每个纤维探针的强度响应作为参考，来估计590nm处的吸光度响应。通过计算使用吸光度值获得的斜率和线性回归值来估计每个探针的RI灵敏度。

结果：具有不同弯曲直径的U形弯曲探针

在一种特定的设置下，将直径为200 11m的二氧化硅光纤(NA＝0.37，FT200UMT，Thorlabs Inc.，USA)切割成25cm长，并通过首先使用机械剥离器去除缓冲液在中间被去包层。随后，聚合物包层被丁烷火焰爆燃，随后用丙酮湿纸巾擦拭去包层的部分，以除去任何残留的包层或烟灰。使用纤维切割器切割远端，以获得足够平坦和光滑的末端，用于与光源或检测器的有效光学耦合。然后将纤维安装在弯曲机上并弯曲以获得U形弯曲探针。在本文中，介绍了对20个探针的集合的探针几何研究。制造的探针的弯曲直径为-0.752±0.048(n＝20)mm。图5A-5J示出了机器制造具有不同弯曲直径的U形弯曲探针的能力。

探针与探针之间的差异：最初，通过比较制造的探针的折射率灵敏度来评估该探针的可重复性，主要是因为这有助于快速测试U形弯曲纤维探针的性能。如图6A和6B所示，通过记录探针对蔗糖溶液的不同折射率(1.333、1.342、1.360、1.370和1.381)的吸光度响应来进行该研究。如图6B所示，在具有相似弯曲直径值的探针中观察到RI灵敏度的显著变化。这些探针与探针之间的差异可以归因于U形弯曲区域的探针几何形状的细微变化和探针的远端处的光学耦合。

通过利用如表2中列出的条件，所述设备能够制造具有不同纤维芯直径的U形弯曲探针。图7A和图7B示出了具有400μm和600μm芯纤维的U形弯曲探针。

结论：使用CO

尽管详细的描述包含许多细节，但这些细节不应被视为对本发明范围的限制，而仅是对本发明的不同实例和方面的说明。应当理解，本发明的范围包括本文没有讨论的其他实施例。虽然已经参照某些实施例公开了本发明，但是本领域技术人员将会理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变，并且可以替换等同物。此外，在不脱离如所附权利要求中描述的本发明的范围的情况下，可以进行许多修改以适应本发明的教导的特定情况或材料。