諧振式法布裡-珀羅光纖傳感器及製造和氣壓檢測方法

2024-01-27 19:42:15

諧振式法布裡-珀羅光纖傳感器及製造和氣壓檢測方法
【專利摘要】本發明提供了一種諧振式法布裡-珀羅光纖傳感器，包括傳感器體以及貫穿傳感器體的通孔；通孔的一端貼設有用於傳感待測氣壓的石墨烯薄膜；另一端設有貫穿至通孔內並與通孔適配的傳輸光纖。本發明的諧振式法布裡-珀羅光纖傳感器，通過氣體對石墨烯薄膜的阻尼引起石墨烯薄膜諧振頻率的變化計算氣體氣壓；因此無需密封的法布裡-珀羅腔，降低了製作難度；而且用諧振替代原有測量薄膜形變量進而測量氣壓，有效降低了膜片反覆形變導致的薄膜材料蠕變；而且傳感器檢測後輸出的是經探測光轉換的數字式頻率信號，相比幹涉傳感器的光波信號更加便於結果分析；而且通過單根傳輸光纖進行激發和探測，可實現遠程氣壓測量，大大提高了傳感器的適用性。
【專利說明】諧振式法布裡-珀羅光纖傳感器及製造和氣壓檢測方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於氣壓測量裝置【技術領域】，具體涉及一種石墨烯薄膜的諧振式法布裡-珀羅光纖傳感器及其製造和氣壓檢測方法。
【背景技術】
[0002]現有的氣壓測量裝置大多採用結構簡單、檢測準確的光纖法布裡-珀羅光纖傳感器進行，其是光纖壓力傳感器的一種，通常包括由光纖端面和膜片端面構成法布裡-珀羅腔，當法布裡-珀羅腔內的氣體被激發膨脹產生氣壓作用於彈性膜片上時，膜片發生形變，從而改變法布裡-珀羅腔的腔長，通過檢測腔長變化所引起的反射光幹涉光譜變化，便可以實現氣壓測量。但是，通過上述原理進行檢測，要求法布裡-珀羅微諧振腔被膜片完全的密封。因此目前大部分光纖法布裡-珀羅氣壓傳感器通過探測氣壓引起的膜片形變來探測氣壓，要求法布裡-珀羅腔被膜片完全密封住。常用的密封方法有膠封或CO2加熱，但是嚴格密封的生產過程增加了傳感器生產製造的複雜度和難度；同時，薄膜反覆的形變可導致膜片材料在使用中發生蠕變，從而在一段時間後降低傳感器機械穩定性；在信號解調方面，所用的測量光譜變化的方法不利於快速和簡單的獲取氣壓信號，因此上述缺陷導致在採用光纖法布裡-珀羅光纖傳感器進行測量時會產生偏差導致測量結果不準確。

【發明內容】

[0003]本發明實施例的目的在於克服現有技術的上述不足，提供一種通過石墨烯薄膜與氣體諧振原理進行測量、無需密封的光纖法布裡-珀羅光纖傳感器及其製造和檢測方法。
[0004]為了實現上述發明目的，本發明實施例的技術方案如下:
[0005]一種諧振式法布裡-珀羅光纖傳感器，包括傳感器體以及貫穿該傳感器體的通孔；所述通孔的一端貼設有用於傳感待測氣壓的石墨烯薄膜；所述通孔內還設有從該通孔的另一端貫穿至該通孔內並與該通孔適配的傳輸光纖。
[0006]採用本發明的諧振式法布裡-珀羅光纖傳感器，通過傳感器體重的通孔、石墨烯薄膜、和傳輸光纖三者形成微諧振腔，通過氣體對石墨烯薄膜的阻尼程度引起石墨烯薄膜諧振頻率的變化計算氣體氣壓；因此無需密封的光纖法布裡-珀羅腔，降低製作難度和複雜度；用諧振替代原有通過測量薄膜的形變量進而測量氣壓的方法，有效降低了膜片反覆形變導致的薄膜材料蠕變；而且傳感器檢測後輸出的是經探測光轉換的數字式頻率信號，相比幹涉傳感器的光波信號更加便於結果分析；而且通過單根傳輸光纖進行激發和探測，可實現遠程氣壓測量，大大提高了傳感器的適用性。
[0007]本發明進一步還提出一種諧振式法布裡-珀羅光纖傳感器的製造方法，包括以下步驟:
[0008]製備石墨烯薄膜；
[0009]在傳感器體原料上加工通孔，並將石墨烯薄膜貼設於所述通孔的一端；
[0010]將傳輸光纖經通孔的另一端貫穿至通孔內，調整傳輸光纖與石墨烯薄膜的距離，並對傳輸光纖進行固定，即可得到諧振式法布裡-珀羅光纖傳感器。
[0011]採用本發明的上述諧振式法布裡-珀羅光纖傳感器的製造方法，其生產工藝簡單，相比現有的傳感器無需進行精確的密封，製作難度和複雜度大大減低；而且傳輸光纖可以根據測量的需求進行長度設置，因此可以大大提高各種遠程監測的需求，大大提高了法布裡-珀羅光纖傳感器的適應性。
[0012]本發明進一步還提出一種諧振式法布裡-珀羅光纖傳感器的氣壓檢測方法，包括如下步驟:
[0013]將待測氣體填充至傳感器體通孔的石墨烯薄膜與傳輸光纖之間；
[0014]通過傳輸光纖向石墨烯薄膜上發出激發光，激發石墨烯薄膜產生諧振；
[0015]再通過傳輸光纖向石墨烯薄膜發出探測光，並通過傳輸光纖接受石墨烯薄膜在諧振中被待測氣體阻尼後將探測光反射形成的反射光；
[0016]解調反射光的光信號，獲取待測氣體氣壓。
[0017]採用本發明的諧振式法布裡-珀羅光纖傳感器的氣壓檢測方法，其以本發明的上述法布裡-珀羅光纖傳感器的上述微諧振腔的結構為基礎，利用待測氣體氣壓對石墨烯薄膜的阻尼引起石墨烯薄膜諧振頻率的變化計算氣體氣壓；因此無需密封的光纖法布裡-珀羅腔，降低製作難度和複雜度；用諧振頻率替代原有通過測量薄膜的形變量進而測量氣壓的方法，有效降低了膜片反覆形變導致的薄膜材料蠕變；而且傳感器檢測後輸出的是經探測光轉換的數字式頻率信號，相比幹涉傳感器的光波信號更加便於結果分析；而且通過單根傳輸光纖進行激發和探測，可實現遠程氣壓測量，大大提高了傳感器的適用性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中:
[0019]圖1為本發明實施例諧振式法布裡-珀羅光纖傳感器的結構示意圖；
[0020]圖2為本發明實施例諧振式法布裡-珀羅光纖傳感器具有石墨烯薄膜端面示意圖；
[0021]圖3為本發明實施例諧振式法布裡-珀羅光纖傳感器氣體檢測方法中信號解調示意圖；
[0022]圖4為本發明諧振式法布裡-珀羅光纖傳感器測得的石墨烯薄膜振動頻譜響應曲線圖；
[0023]圖5為本發明諧振式法布裡-珀羅光纖傳感器測得的石墨烯薄膜諧振頻率隨氣壓變化的曲線圖。
【具體實施方式】
[0024]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
[0025]本發明實例提供了一種石墨烯薄膜的諧振式法布裡-珀羅光纖傳感器。參見圖1，圖1為本發明實施例諧振式法布裡-珀羅光纖傳感器的結構示意圖，本發明實施例的石墨烯薄膜的諧振式法布裡-珀羅光纖傳感器，包括具有一通孔11的傳感器體10、石墨烯薄膜20、傳輸光纖30 ;其中，石墨烯薄膜20貼設於通孔11的一端將通孔11的一端封閉，傳輸光纖30從傳感器體10外經通孔11的另一端貫穿至通孔11內，傳輸光纖30插入通孔的11的插入端的端面與石墨烯薄膜20之間構成法布裡-珀羅微諧振腔，那麼形成傳輸光纖30的插入端的端面、石墨烯薄膜20與傳輸光纖30相對的表面分別為法布裡-珀羅微諧振腔的兩個反射面。
[0026]上述傳感器體10的通孔11優選設計成圓形的通孔，加工方便，而且與傳輸光纖30的通用圓柱形形狀適配，可以形成比較好的吻合；根據使用中的氣體檢測的需要，上述傳感器體10可以選用氧化鋯或者石英材質，並進一步加工形成上述通孔11，通孔的直徑根據法布裡-珀羅微諧振腔測量的需求，優選設計成127 μ m,這一孔徑的在測量過程中，光傳輸的精度使得傳感器測量的結果準確性更好。傳輸光纖30採用單模光纖或者是多模光纖切割而成。將傳輸光纖30插入至上述通孔11中，然後採用在光譜儀的監測下，進一步調整傳輸光纖30與石墨烯薄膜20的距離，至法布裡-珀羅微諧振腔的長度合適。最後採用環氧樹脂膠將傳輸光纖30在通孔11中固定，便可以進行氣體檢測。
[0027]其中，本發明上述傳感器體10是傳感器的支撐結構，用於承載石墨烯薄膜20，並引導和固定傳輸光纖30。傳感器體10的形狀可以是圓柱形或者長方形。為了便於加工方便和形狀穩定，在傳感器體10的軸向方向上加工形成上述通孔11，通孔11其中一端設計成錐形凹槽形，以方便傳輸光纖30的插入。
[0028]傳輸光纖30用於傳輸氣體測量過程中所需的入射光和反射光。
[0029]進一步地,在上述實施方式中，石墨烯薄膜20採用納米級厚度,其納米級的厚度對所引起的震動能更加的敏感。
[0030]本發明的上述諧振式法布裡-珀羅光纖傳感器的測試過程和原理與現有的法布裡-珀羅幹涉傳感不同；將待測氣體充入上述微諧振腔中，當一束激發光通過傳輸光纖30照射至石墨烯薄膜20上時，會使得石墨烯薄膜20被激發產生諧振，當調製激發光的頻率和石墨烯薄膜20自身的諧振頻率相同時，石墨烯產生最大的振幅；在石墨烯薄膜20振動的過程中，法布裡-珀羅微諧振腔中的待測氣體會對石墨烯薄膜20的振動存在阻尼作用，被阻尼的程度與待測氣體的氣壓有關，通過解析石墨烯薄膜20被阻尼的程度，便可以計算出待測氣體的氣壓。鑑於這一原理，測量過程中首先採用一束強度進行調製過的雷射作為激發光，通過傳輸光纖30引導照射到石墨烯薄膜20的內表面，加熱並激發石墨烯薄膜20諧振振動，並選擇調製雷射的頻率與諧振頻率相同的雷射使石墨烯薄膜20的諧振振幅最大。當然，在諧振的過程中其振幅和頻率會被微諧振腔的氣體阻尼，然後石墨烯薄膜20阻尼後的振動幅度和頻率再通過另一束不同波長的雷射也就是探測光進行測量最大振幅被待測氣體阻尼的程度，那麼通過探測氣壓經光照射變化所引起的石墨烯薄膜20被阻尼導致振幅的變化量，氣壓信號就能夠被解調出來。在測量過程中，激發光和探測光可以均在傳輸光纖中傳播，然後在探測端通過一個光帶通濾波器進行分離即可。
[0031]採用本發明的上述諧振式法布裡-珀羅光纖傳感器，其特殊的結構和與現有的幹涉測量方法不同的步驟和過程完成氣體測量，測量的過程中通過氣體對石墨烯薄膜20的阻尼程度進而計算氣體氣壓；因此傳感器結構中無需密封的光纖法布裡-珀羅腔，降低製作難度和複雜度；而且在測量的過程中膜片不是產生較大形變，而是自身在光激發下產生諧振，替代原有通過測量薄膜材料蠕變的形變量進而測量氣壓的方法，這樣有效降低了膜片在氣壓作用下反覆形變所導致的薄膜材料蠕變，同時降低了器件的製作要求；而且傳感器本身檢測後輸出的是數字式頻率信號，相比現有的幹涉傳感器所輸出的光波信號更加便於分析，可以簡化信號解調系統；而且本身石墨烯薄膜的機械振動通過單根傳輸光纖進行激發和探測，可實現遠程氣壓測量，大大提高了傳感器的適用性。
[0032]本發明進一步還提出一種上述諧振式法布裡-珀羅光纖傳感器的製造方法，包括如下步驟:
[0033]步驟S10、在金屬基底上生成石墨烯薄膜；
[0034]步驟S20、在上述金屬基底的石墨烯薄膜的表面旋塗PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)膠，並進行烘乾之後放入金屬蝕刻液中，將金屬基底被蝕刻除去。去除掉金屬基底後，將帶有PMMA膠層的石墨烯薄膜轉移至去離子水中，清洗掉殘餘的金屬離子；
[0035]步驟S30、將步驟S20中獲得的帶有膠層的石墨烯薄膜堆疊至另一金屬基底的石墨烯薄膜的表面上，於80-120°C的烘箱中加熱30-60分鐘，然後烘乾之後再次進行蝕刻處理除去金屬基底，得到厚度加倍的石墨烯薄膜；
[0036]步驟S40、通過重複S10-S30的上述步驟，直至獲得的石墨烯薄膜的厚度為納米級；
[0037]步驟S50、將S40中所得的石墨烯薄膜用丙酮清洗三次到五次去除石墨烯薄膜表面附著的PMMA膠，最後在80-120°C的烘箱中烘乾後，便可以用於光纖法布裡-珀羅光纖傳感器上；
[0038]步驟S60、原材料氧化鋯或者石英玻璃塊加工成上述具有通孔11的傳感器體10，將步驟S50所得的石墨烯薄膜貼設至通孔11的一端，再將傳輸光纖30從通孔11的另一端插入通孔11後，調整傳輸光纖30的插入端的端面與石墨烯薄膜的距離。
[0039]步驟S70、在傳感器體10的通孔11供傳輸光纖30插入的一端塗環氧樹脂膠固定傳輸光纖，並於60-90°C的加熱臺上熱固化1-2小時或者在室溫下固化12-24小時，即可得到本發明的上述諧振式法布裡-珀羅光纖傳感器。
[0040]並且在上述實施方式中，步驟SlO中進行石墨烯薄膜以金屬基材進行生成的方式較多，比如採用CN103183337A號專利基於Ni膜退火和氯氣反應的SiC襯底上製備石墨烯的方法，或者現有的通過基材生成石墨烯的方法均可，在本發明步驟S10/S30中採用的金屬基材，優選可以採用銅片或者鎳片。進一步地，在步驟SlO中，為了使得工藝的生產加速，可以將金屬基材的雙表面上均製備上述石墨烯薄膜，相比僅僅只在單片上進行石墨烯生成的方式速度可以加快。而且為了保證進一步維持石墨烯薄膜的性質，在石墨烯薄膜上用旋塗的方式塗布PMMA膠，用於保護表層石墨烯起固定作用的，避免石墨烯會分散到溶液中而不能進行後續的器件表徵；當然除類似的功能原理，本領域技術人員在實施過程中上述PMMA也可以採用PDMS膠進行替換，也可以實現類似或者相同的保護表層石墨烯和固定作用。
[0041]步驟S60中將石墨烯薄膜貼設至通孔11 一端的過程中，石墨烯薄膜通過水中附著的方式轉移至通孔11 一端上，通過水中附著的方式進行貼設，可以保證石墨烯薄膜的形狀貼設的準確。同時，進行水中附著方式貼設薄膜後，對石墨烯薄膜進行乾燥，除去殘留的水分，以防止水分的重量導致石墨烯薄膜檢測過程中發生諧振收到水分重量的影響導致檢測出現誤差。[0042]而且在上述步驟S70中，調整傳輸光纖30的插入端的端面與石墨烯薄膜的距離，可以通過在光譜儀的監測下，通過移平臺來實現，由於法布裡-珀羅微諧振腔的大小和光纖的尺寸比較精細，採用光譜儀檢測可以保證對調節過程進行輔助，比較利於調節過程的進行。在這一過程中，調整傳輸光纖30的插入端的端面與石墨烯薄膜的距離控制以能保證檢測過程中激發光和探測光從能插入端的端面照射至石墨烯薄膜，並且能夠接收石墨烯薄膜反射形成的反射探測光為準。距離的大小可以在上述條件下進行調節，然後當雷射的強度衰減最低時，進行傳輸光纖固定，那麼測量過程中效果和結果的準確度最佳。
[0043]進一步地，再將石墨烯薄膜20貼設至通孔11上之後，還可以通過飛秒雷射或者聚焦等離子束進一步加工成條形結構，如圖2所示，由於採用本發明的諧振式傳感器和傳感與案例，諧振腔可以不需進行完全封閉，石墨烯薄膜的形狀加工以形狀更加利于振動為準，也可以根據需要加工成其他形狀。這樣切除多餘的部分，使得石墨烯薄膜的更加利於諧振。
[0044]本發明進一步還提出一種利用上述生產方法所生產出的諧振式法布裡-珀羅光纖傳感器進行測量的方法，進一步參見圖3，圖3為本發明實施例諧振式法布裡-珀羅光纖傳感器氣 體檢測方法中信號解調示意圖，具體包括步驟如下:
[0045]S100、利用發出波長為λ I的DFB (Distributed Feed Back)激發器301發出的激發光經過強度調製器303被調製為周期性脈衝光，與發出波長為λ 2的DFB雷射器304發出的探測光306,通過一光稱合器305稱合到環形器306的入射端。
[0046]S200、波長為λ I的激發光和波長為λ 2的探測光，經過環形器306入射到傳感器體10上的石墨烯薄膜20上。
[0047]S300、被石墨烯薄膜20反射回的反射激發光和反射探測光，通過光環形器305到達光帶通濾波器307。
[0048]S400、光帶通濾波器307濾掉反射光中的反射激發光成分後，剩下的反射探測光經過光探測器308轉換成電信號，即可直接輸出。
[0049]其中，上述電信號可以直接用於表示待測氣體的氣壓，當然為了直觀，還可以將其含有的頻率與氣壓進行函數轉化、數字運算成氣壓值即可。上述過程的細節原理為，先採激發光對傳感器頭上的石墨烯薄膜進行激發，傳感頭100上的石墨烯薄膜吸收周期調製的激發光(λ I)之後發生形變，並產生振動，其振動頻率和激發光(λ I)的調製頻率相同。石墨烯薄膜的振動幅度通過入射到石墨烯膜的探測光(λ 2)進行檢測。當石墨烯薄膜振動時，會改變光纖法布裡-珀羅微諧振腔的腔長進而引起探測光的反射譜的變化，最終導致反射探測光(λ 2)反射強度的變化。當石墨烯薄膜的振幅也就是光探測器308的輸出信號達到最大值時，強度調製器303處所施加的調製頻率即為石墨烯薄膜的諧振頻率。除採用上述方法外，石墨烯膜的諧振頻率也可以通過PGC解調方法檢測。對於條形石墨烯膜，其諧振頻率f和氣壓P的關係可以用如下公式表示:
【權利要求】
1.一種諧振式法布裡-珀羅光纖傳感器，其特徵在於，包括傳感器體以及貫穿該傳感器體的通孔；所述通孔的一端貼設有用於傳感待測氣壓的石墨烯薄膜；所述通孔內還設有從該通孔的另一端貫穿至該通孔內並與該通孔適配的傳輸光纖。
2.如權利要求1所述的諧振式法布裡-珀羅光纖傳感器，其特徵在於，所述通孔的直徑為 127 μ m。
3.如權利要求1或2所述的諧振式法布裡-珀羅光纖傳感器，其特徵在於，所述石墨烯薄膜的厚度為納米級； 和/或所述石墨烯薄膜呈條形形狀。
4.一種權利要求1至3任一項所述諧振式法布裡-珀羅光纖傳感器的製造方法，其特徵在於，包括以下步驟: 製備石墨烯薄膜； 在傳感器體原料上加工通孔，並將石墨烯薄膜貼設於所述通孔的一端； 將傳輸光纖經通孔的另一端貫穿至通孔內，調整傳輸光纖與石墨烯薄膜的距離，並對傳輸光纖進行固定，即可得到諧振式法布裡-珀羅光纖傳感器。
5.如權利要求4所述的諧振式法布裡-珀羅光纖傳感器的製造方法，其特徵在於，所述製備納米級厚度的石墨烯薄膜步驟包括: 在金屬基底上生成石墨 烯薄膜； 在石墨烯薄膜上塗布保護膠層，烘乾後進行蝕刻處理去除金屬基底； 將去除金屬基底後的石墨烯薄膜疊至另一金屬基底的石墨烯薄膜上，再次進行烘乾、蝕刻處理除去金屬基底，形成厚度加倍的石墨烯薄膜； 重複上述步驟至所得的石墨烯薄膜厚度為納米級，並除去石墨烯薄膜中的保護膠層。
6.如權利要求4或5所述的諧振式法布裡-珀羅光纖傳感器的製造方法，其特徵在於，所述對傳輸光纖進行固定的步驟中，在通孔被傳輸光纖貫穿的埠上塗布環氧樹脂膠後進行固化使傳輸光纖固定； 和/或所述將製取的石墨烯薄膜貼設於通孔的一端步驟中，將製取的石墨烯薄膜通過水中附著的方式貼設至通孔的一端後乾燥。
7.如權利要求4或5所述的諧振式法布裡-珀羅光纖傳感器的製造方法，其特徵在於，將石墨烯薄膜貼設於所述通孔的一端步驟之後，還包括: 將石墨烯薄膜用飛秒雷射形狀加工。
8.如權利要求5所述的諧振式法布裡-珀羅光纖傳感器的製造方法，其特徵在於，所述進行蝕刻處理去除金屬基底的過程中，將蝕刻處理之後的石墨烯薄膜進行清洗去除殘餘金屬基底離子； 和/或所述除去石墨烯薄膜中的保護膠層步驟中，採用丙酮清洗除去除保護膠層。
9.一種權利要求1至4任一項所述諧振式法布裡-珀羅光纖傳感器的氣壓檢測方法，其特徵在於，包括如下步驟: 通過傳輸光纖向石墨烯薄膜上發射激發光，激發石墨烯薄膜產生諧振； 再通過傳輸光纖向石墨烯薄膜發射探測光，並接收石墨烯薄膜在諧振中被待測氣體阻尼後將探測光反射形成的反射光； 解調反射光的光信號，獲取待測氣體氣壓。
10.如權利要求9所述的諧振式法布裡-珀羅光纖傳感器的氣體檢測方法，其特徵在於，包括如下步驟: 將從第一雷射發射器發出的激發光經強度調製器調製成周期性脈衝光，並將該脈衝光與從第二雷射發射器發出的探測光用光耦合器耦合後，通過環形器傳輸至諧振式法布裡-珀羅光纖傳感器，激發石墨烯薄膜諧振； 接收石墨烯薄膜諧振時被待測氣體阻尼後將激發光和探測光反射後形成的包含有反射激發光和反射探測光的反射光； 通過光帶通濾波器濾除反射光 中的反射激發光，並將反射探測光用光探測器解調成關於待測氣體氣壓的電信號。
【文檔編號】G01L11/02GK103994851SQ201410206090
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月15日 優先權日:2014年5月15日
【發明者】靳偉, 馬軍, 何海律 申請人:香港理工大學深圳研究院