具有温度不敏感腔体的光纤F-P声压传感器及制作方法

具有温度不敏感腔体的光纤f-p声压传感器及制作方法
技术领域
1.本发明涉及声压传感器技术领域，特别是涉及一种具有温度不敏感腔体的光纤f-p声压传感器及制作方法。


背景技术：

2.高灵敏度声压探测在环境监测、光声光谱、人机交互、医疗应用等应用领域具有迫切需求，其中光纤声压传感器因其独特的无源性、抗电磁干扰、可远程控制、分辨率高、体积小等优势而得到了广泛的研究。目前光纤声压传感器常用的结构为膜片式法布里-珀罗(f-p，fabry-perot)传声器，由平整的光纤端面和压力敏感膜片形成f-p干涉腔，在声压作用下，敏感膜片产生挠度变形，导致f-p腔长和反射光强的变化，通过对反射光信号进行解调以获取待测压力，具有灵敏度高、结构简单、解调速度快等优势。
3.在传感器的设计与制备过程中，压力敏感膜片与光纤的对准和固连是一重要环节。由于光纤传感器探头具备微型化的特点，通常需要借助陶瓷插芯、外部壳体等载体进行装配，并通过uv胶或环氧胶等胶体实现固连。由此，虽然膜片式光纤f-p声压传感器的灵敏度、信噪比和频响等性能在通过多种结构设计后得到了有效提升，但构成传感器的材料热膨胀系数不一致、f-p腔内密封空气的热膨胀等因素，均会造成f-p腔长随温度的变化，导致传感器的温度稳定性较差。例如，2015年li等人(lic,liuq,pengx,etal.measurementof thermalexpansioncoefficientofgraphenediaphragmusingopticalfiber fabry
–
perotinterference[j].measurementscienceandtechnology,2016,27(7):075102.)通过实验测试了以8层石墨烯为压力敏感膜片的光纤f-p传感器腔长随温度的变化大于300nm/℃，其中涉及固连用的环氧胶热形变、构成传感器的陶瓷插芯与光纤材料热膨胀系数不一致，以及f-p密封腔内的空气热膨胀等影响。为此，选用纯硅材质对传感器进行制备可提升温度稳定性。例如，2019年ma等人(maw,jiangy,gaoh.miniatureall-fiberextrinsicfabry
–
p
é
rot interferometricsensorforhigh-pressuresensingunderhigh-temperature conditions[j].measurementscienceandtechnology,2019,30(2):025104.)制备了一种纯硅材质构成的压力传感器，其腔长随温度的变化率为0.267nm/℃，不过硅膜片厚度为3.8μm，将灵敏度限制在70.8nm/mpa，较低的灵敏度在一定程度上限制了硅基光纤f-p结构在声压传感器领域的发展。为提高声压传感器的灵敏度，目前光纤f-p声压传感器中常用的压力敏感膜片材料为金属、聚合物和以石墨烯为代表的二维材料，膜片材料的多样性、结构的复杂性也给f-p传感器温度稳定性的提升设计增加了相应的难度。
[0004]
因此，设计一种具有温度不敏感腔体的光纤f-p声压传感器及制作方法，从结构设计的角度，对提升膜片式光纤f-p声压传感器的温度稳定性，使其广泛适用于多种压力敏感膜片，对优化光纤f-p声压传感器的温度稳定性具有重要的实际意义和应用价值。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的是提供一种具有温度不敏感腔体的光纤f-p声压传感器及制作方法，能够降低其受温度的影响，提升工作性能及应用优势。
[0006]
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
[0007]
一种具有温度不敏感腔体的光纤f-p声压传感器，包括：连接套管、短插芯、压力敏感膜片、长插芯及单模光纤，所述连接套管的一侧设置所述短插芯，所述短插芯的侧端面中心处设置有第一通孔，位于连接套管内部的短插芯侧端面中心设置所述压力敏感膜片，所述连接套管的另一侧设置所述长插芯，所述长插芯的侧端面中心对应所述第一通孔设置有第二通孔，且所述第二通孔的内部设置所述单模光纤，位于连接套管内部的单模光纤端面与压力敏感膜片构成f-p空腔，所述连接套管的侧部设置有套管侧壁开孔。
[0008]
可选的，所述短插芯及长插芯的材料为熔融石英。
[0009]
可选的，所述连接套管的材料为熔融石英，所述连接套管的内径根据短插芯及长插芯的外径确定，所述连接套管的套管侧壁开孔由激光加工制成。
[0010]
本发明还提供了一种具有温度不敏感腔体的光纤f-p声压传感器制作方法，应用于上述的具有温度不敏感腔体的光纤f-p声压传感器，包括如下步骤：
[0011]
步骤1：制作压力敏感膜片，并以短插芯的侧端面为基底对压力敏感膜片进行转移；
[0012]
步骤2：设置连接套管与短插芯、连接套管与长插芯之间的配合固定；
[0013]
步骤3：确定f-p空腔的干涉长度，并通过二氧化碳激光将长插芯和单模光纤进行固连，完成具有温度不敏感腔体的光纤f-p声压传感器的制作。
[0014]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的具有温度不敏感腔体的光纤f-p声压传感器及制作方法，该传感器包括连接套管、短插芯、压力敏感膜片、长插芯及单模光纤，采用熔融石英的材质，极大限度的提高了传感器材料热膨胀系数的一致性，避免了固连用胶体在其中产生的影响，使得传感器对受温度影响小，稳定性好，在较宽的温度范围内拥有稳定的工作性能，该传感器结构简单、体积小，便于制备和使用，该传感器将f-p腔释放为开放腔，降低了压力敏感膜片的背压膜阻尼，具有扩展声压频响范围的优势。
附图说明
[0015]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0016]
图1为本发明实施例具有温度不敏感腔体的光纤f-p声压传感器结构剖视图；
[0017]
图2为本发明实施例具有温度不敏感腔体的光纤f-p声压传感器制备流程示意图；
[0018]
图3为本发明实施例具有温度不敏感腔体的光纤f-p声压传感器结构立体图；
[0019]
图4为以石墨烯薄膜为压力敏感膜片的具有温度不敏感腔体的光纤f-p声压传感器在25-50℃的温度范围内的干涉谱线变化图。
[0020]
附图标记：1、短插芯；2、连接套管；3、套管侧壁开孔；4、压力敏感膜片；5、f-p空腔；
6、长插芯；7、单模光纤；8、二氧化碳激光。
具体实施方式
[0021]
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。
[0022]
本发明的目的是提供一种具有温度不敏感腔体的光纤f-p声压传感器及制作方法，能够降低其受温度的影响，提升工作性能及应用优势。
[0023]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0024]
如图1及图3所示，本发明实施例提供的具有温度不敏感腔体的光纤f-p声压传感器，包括：连接套管2、短插芯1、压力敏感膜片4、长插芯6及单模光纤7，所述连接套管2的一侧设置所述短插芯1，所述短插芯1的侧端面中心处设置有第一通孔，位于连接套管2内部的短插芯1侧端面中心设置所述压力敏感膜片4，所述连接套管2的另一侧设置所述长插芯6，所述长插芯6的侧端面中心对应所述第一通孔设置有第二通孔，且所述第二通孔的内部设置所述单模光纤7，位于连接套管内部的单模光纤7端面与压力敏感膜片4构成f-p空腔5，所述连接套管2的侧部设置有套管侧壁开孔3。
[0025]
所述短插芯1及长插芯6的材料为熔融石英，所述短插芯1的长度为2.5mm，外径为1.8mm，第一通孔的内径为125μm，所述长插芯6的长度为6.5mm，外径为1.8mm，第二通孔的内径为125μm。
[0026]
所述连接套管2的材料为熔融石英，所述连接套管2的内径根据短插芯1及长插芯6的外径确定，为1.81mm，长度为7mm，外径为3.5mm，所述连接套管2的套管侧壁开孔3宽为0.5mm，由激光加工制成。
[0027]
所述单模光纤7的包层外径为125μm，纤芯直径为10μm，所述f-p空腔5的长度为60μm。
[0028]
所述压力敏感膜片4可选用石墨烯薄膜及其他任何用于压力敏感的薄膜，例如，金属薄膜、复合物膜片、其他二维材料膜片等。所述压力敏感膜片可为圆形、方形及矩形等等，其中，本发明以圆形为例进行说明，若选用其他形状的敏感膜片，则需要对第一通孔临近左侧端面的部分进行对应的设计修改。所述压力敏感膜片4为圆形，悬浮于第一通孔上方的敏感直径为125μm，厚度为3.35nm。
[0029]
如图2所示，本发明提供了一种具有温度不敏感腔体的光纤f-p声压传感器制作方法，应用于上述的具有温度不敏感腔体的光纤f-p声压传感器，包括如下步骤：
[0030]
步骤1：制作压力敏感膜片，并以短插芯的侧端面为基底对压力敏感膜片进行转移；
[0031]
步骤2：设置连接套管与短插芯、连接套管与长插芯之间的配合固定；
[0032]
步骤3：确定f-p空腔的干涉长度，并通过二氧化碳激光将长插芯和单模光纤进行固连，完成具有温度不敏感腔体的光纤f-p声压传感器的制作。
[0033]
以石墨烯薄膜为例，详细对上述步骤进行说明；
[0034]
步骤1中，制作压力敏感膜片，并对压力敏感膜片进行悬浮转移，具体包括如下步骤：
[0035]
步骤101：选取铜基多层石墨烯，通过剪裁处理至所选尺寸，其中，其直径不小于125μm；
[0036]
步骤102：将处理好的铜基石墨烯浸入40％浓度的三氯化铁溶液中，浸泡1小时，清除其铜基底，得到石墨烯薄膜；
[0037]
步骤103：将短插芯以一定角度浸入三氯化铁溶液中，通过短插芯将石墨烯薄膜从三氯化铁溶液捞出，且石墨烯薄膜在范德华力作用下附着在短插芯的插芯端面上；
[0038]
步骤104：将附着有石墨烯薄膜的短插芯浸入去离子水中，去除三氯化铁的残留，之后将其放入烘干箱，在50℃的温度下干燥10分钟。
[0039]
步骤2中，设置连接套管与短插芯、连接套管与长插芯之间的配合固定，具体为：
[0040]
将短插芯及长插芯设置在连接套管的内部，且短插芯的右侧端面与连接套管的右侧端面齐平，短插芯的左侧端面与长插芯的右侧端面相距1mm，具体说明：
[0041]
短插芯与长插芯通过连接套管进行固连，三者材料均选用熔融石英材质，短插芯与长插芯具有同样的内外径尺寸，连接套管的内径根据短插芯与长插芯的外径进行过盈配合加工，使得连接套管与短插芯和长插芯实现配合固定，套管侧壁开孔通过激光加工获得，使得f-p空腔内空气与外界联通，并略微扩大连接套管的内径公差，使得过盈配合更为容易，在配合时，短插芯的右端面应与连接套管的右端面大致齐平，长插芯的右端面应与短插芯的左端面距离1mm左右，以获取f-p空腔与外界联通的最佳气腔尺寸，使得f-p空腔内的空气既可自由释放，又不会在释放过程中引起单模光纤的抖动，影响传感器性能。
[0042]
步骤3中，确定f-p空腔的干涉长度，并通过二氧化碳激光将长插芯和单模光纤进行固连，完成具有温度不敏感腔体的光纤f-p声压传感器的制作，具体包括如下步骤：
[0043]
步骤301：将端面切割平整的去涂覆层的单模光纤从长插芯的左端的第二通孔处插入，单模光纤的端面与压力敏感膜片之间形成f-p空腔，通过光谱仪确定f-p干涉长度，其中，本发明的f-p干涉长度为～60μm。需要说明的是，具体干涉长度需兼顾高光学灵敏度，但均属于本发明专利保护的范围；
[0044]
步骤302：使用二氧化碳激光对准长插芯与单模光纤拟固连的位置，其中，该位置与长插芯和单模光纤的轴心误差在10μm以下，释放80w的二氧化碳激光，时长3秒，且作用于长插芯，使长插芯吸收热量并熔融产生形变，挤压住内部的单模光纤，冷却后，实现与单模光纤的固连，完成具有温度不敏感腔体的光纤f-p声压传感器的制作。
[0045]
利用本发明实现的一个实施例的工作过程为：在声场作用下，压力敏感膜片产生挠度变形，并导致f-p腔长的变化，同时引起干涉光强的变化，单模光纤将此变化传输给后续光电探测器，将光强变化转变为电压变化，实现对声压的探测。上述熔融石英材质的结构使得具有温度不敏感腔体的光纤f-p声压传感器材料具备高度一致性，并且通过连接套管的侧壁开孔实现f-p腔内密封空气的释放，从而抑制传感器对温度的敏感。
[0046]
另外，在25～50℃温度范围内，以5℃的步长进行升、降温循环，则本发明提供的以石墨烯薄膜为压力敏感膜片的具有温度不敏感腔体的光纤f-p声压传感器的干涉谱线变化如图4所示。
[0047]
本发明提供的具有温度不敏感腔体的光纤f-p声压传感器及制作方法，该传感器
包括连接套管、短插芯、压力敏感膜片、长插芯及单模光纤，采用熔融石英的材质，通过提高传感器材料热膨胀系数的一致性，避免了固连用胶体在其中产生的热变形影响，使得传感器受温度影响小，稳定性好，在较宽的温度范围内拥有稳定的工作性能，该传感器结构简单、体积小，便于制备和使用，该传感器将f-p腔释放为开放腔，降低了压力敏感膜片的背压膜阻尼，具有扩展声压频响范围的优势。
[0048]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种具有温度不敏感腔体的光纤f-p声压传感器，其特征在于，包括：连接套管、短插芯、压力敏感膜片、长插芯及单模光纤，所述连接套管的一侧设置所述短插芯，所述短插芯的侧端面中心处设置有第一通孔，位于连接套管内部的短插芯侧端面中心设置所述压力敏感膜片，所述连接套管的另一侧设置所述长插芯，所述长插芯的侧端面中心对应所述第一通孔设置有第二通孔，且所述第二通孔的内部设置所述单模光纤，位于连接套管内部的单模光纤端面与压力敏感膜片构成f-p空腔，所述连接套管的侧部设置有套管侧壁开孔。2.根据权利要求1所述的具有温度不敏感腔体的光纤f-p声压传感器，其特征在于，所述短插芯及长插芯的材料为熔融石英。3.根据权利要求2所述的具有温度不敏感腔体的光纤f-p声压传感器，其特征在于，所述连接套管的材料为熔融石英，所述连接套管的内径根据短插芯及长插芯的外径确定，所述连接套管的套管侧壁开孔由激光加工制成。4.一种具有温度不敏感腔体的光纤f-p声压传感器制作方法，应用于权利要求1-3任一所述的具有温度不敏感腔体的光纤f-p声压传感器，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：制作压力敏感膜片，并以短插芯的侧端面为基底对压力敏感膜片进行转移；步骤2：设置连接套管与短插芯、连接套管与长插芯之间的配合固定；步骤3：确定f-p空腔的干涉长度，并通过二氧化碳激光将长插芯和单模光纤进行固连，完成具有温度不敏感腔体的光纤f-p声压传感器的制作。

技术总结
本发明提供了一种具有温度不敏感腔体的光纤F-P声压传感器及制作方法，该传感器包括：连接套管、短插芯、压力敏感膜片、长插芯及单模光纤，所述连接套管的一侧设置所述短插芯，所述短插芯的侧端面中心处设置有第一通孔，位于连接套管内部的短插芯侧端面中心设置压力敏感膜片，所述连接套管的另一侧设置所述长插芯，所述长插芯的侧端面中心对应所述第一通孔设置有第二通孔，且所述第二通孔的内部设置所述单模光纤，位于连接套管内部的单模光纤端面与压力敏感膜片构成F-P空腔，所述连接套管的侧部设置有套管侧壁开孔。本发明提供的具有温度不敏感腔体的光纤F-P声压传感器及制作方法，能够降低其受温度的影响，明显提升工作性能及应用优势。能及应用优势。能及应用优势。


技术研发人员：李成 董书萱 刘洋
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.07.18
技术公布日：2023/10/20