CN109374109B - 一种共光路结构的微型光纤非本征型迈克尔逊声压传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种共光路结构的微型光纤非本征型迈克尔逊声压传感器，由声压敏感膜片、膜片支撑结构、传感器基座、第一增反膜、第二增反膜、玻璃套管、光纤准直透镜、光纤套筒、单模光纤组成，所述声压敏感膜片固定在膜片支撑结构上，所述膜片支撑结构固定在所述传感器基座的上表面，膜片支撑结构和传感器基座的外径相同，膜片支撑结构和传感器基座内部中间区域均有一个圆形的通孔，膜片支撑结构的通孔直径大于传感器基座的通孔直径。本发明通过采用共光路结构，可以在不使用法拉第旋光镜的条件下避免偏振衰落造成的传感器信号衰落，从而保证了探测结果的稳定性，具有良好的加工一致性。

Description

一种共光路结构的微型光纤非本征型迈克尔逊声压传感器

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种共光路结构的微型光纤非本征型迈克尔逊加速度传感器。

背景技术

膜片式光纤声压传感器具有体积小、质量轻、灵敏度高、不受电气干扰等优势，近年来获得了快速发展，在超声检测、水声探测、航空航天等领域取得了广泛应用。目前常见的膜片式光纤声压传感器通常都是以法布里-珀罗干涉型结构为主，其结构特征为利用光纤端面同膜片内表面组成法布里-珀罗腔。这种结构主要问题是光纤端面同膜片内表面的距离不易控制，导致加工得到的传感器的腔长一致性较差。

在论文“Fiber-Optic Michelson Interferometric Acoustic Sensor Based ona PP/PET Diaphragm”和专利申请号为20151012038.9的“一种基于迈克尔逊干涉仪的声波探测器”中，将膜片及其同光纤准直器间自由空间光路置于传统光纤迈克尔逊干涉仪的光路中，构成非本征型光纤迈克尔逊干涉仪声压传感器，提高了传感器的灵敏度和设计灵活度。但是这种结构中光纤准直器同膜片之间的距离控制起来较为困难，导致迈克尔逊干涉仪的两条光路间光程差的一致性难以保证；而分光路的结构也不能防止偏振衰落的影响。

综上所述，现有技术存在光纤准直器同膜片之间的距离不易控制的问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种共光路结构的微型非本征光纤迈克尔逊声压传感器。其目的在于，利用传感器基片和膜片的反射光构成共光路结构的迈克尔逊干涉仪，消除偏振衰落的影响；迈克尔逊干涉仪的光程差由传感器基片和膜片的支撑结构厚度决定，具有良好的一致性；膜片的尺寸由其支撑结构决定，具有良好的设计灵活度；利用微机电工艺实现传感器的加工，可以有效的降低传感器的尺寸和成本。

一种共光路结构的微型光纤非本征型迈克尔逊声压传感器，由声压敏感膜片1、膜片支撑结构2、传感器基座3、第一增反膜4、第二增反膜5、玻璃套管6、光纤准直透镜7、光纤套筒8、单模光纤9组成，所述声压敏感膜片1固定在膜片支撑结构2上，所述膜片支撑结构2固定在所述传感器基座3的上表面，膜片支撑结构2和传感器基座3的外径相同，膜片支撑结构2和传感器基座3内部中间区域均有一个圆形的通孔，膜片支撑结构2的通孔直径大于传感器基座3的通孔直径，声压敏感膜片1底部有圆形的第一增反膜4，第一增反膜4的直径和传感器基座3的通孔直径相同，传感器基座3底部有环形第二增反膜5，第二增反膜5的内径和传感器基座3的通孔直径相同，传感器基座3底部与玻璃套管6固定在一起，光纤准直透镜7和光纤套筒8贴合在一起固定在玻璃套管6内部。

所述第一增反膜4和第二增反膜5的工作波长为1550nm，反射率大于95％，采用沉积工艺加工制成。

所述膜片支撑结构2的厚度取值范围为10μm-400μm，传感器支撑结构2由硅、二氧化硅、SU-8光刻胶中的一种为材料制成。

所述传感器基座3的上下表面平行光滑，传感器基座3的通孔直径取值范围为100μm-500μm，传感器基座3由硅、石英玻璃中的一种为材料制成。

所述光纤准直透镜7由工作波长为1550nm的商用G-Lens自聚焦透镜构成，光纤准直透镜7的上表面镀有增透膜，增透膜的透过率大于99.5％；光纤准直透镜7的上表面与传感器基座3的下表面的间距取值范围为3mm-7mm。

所述光纤套筒8的内径为125μm，外径为1.8mm；所述光纤套筒8与光纤准直透镜7之间利用环氧胶紧密贴合。

所述单模光纤9固定在光纤套筒8内，单模光纤9的末端与光纤套筒8的上表面平行，单模光纤9的表面镀有增透膜，增透膜的透过率大于99.5％，单模光纤9的外径为125μm。

所述玻璃套管6的内直径为1.8mm，外直径取值范围为3mm-5mm。

所述声压敏感膜片1由硅、PET、石墨烯、金、银、铝中的一种为材料制成，声压敏感膜片1的厚度不大于10μm，声压敏感膜片1的外径与膜片支撑结构2的外径相同。

本发明的有益效果在于：

本发明通过采用共光路结构，可以在不使用法拉第旋光镜的条件下避免偏振衰落造成的传感器信号衰落，从而保证了探测结果的稳定性；利用传感器基片的厚度决定迈克尔逊干涉仪两个干涉臂之间的光程差，具有良好的加工一致性；利用膜片支撑结构实现膜片同传感器基片间的分离，通过改变膜片支撑结构可以改变膜片的尺寸，从而改变其灵敏度、提高设计自由度；利用微机电加工工艺可以实现传感器结构的批量生产，因此可以有效的降低传感器的加工成本和尺寸。

附图说明

图1是本发明的传感器结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

图1中：1-由声压敏感膜片、2-膜片支撑结构、3-传感器基座、4-第一增反膜、5-第二增反膜、6-玻璃套管、7-光纤准直透镜、8-光纤套筒、9-单模光纤。

本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及一种共光路结构微型非本征光纤迈克尔逊声压传感器。

膜片式光纤声压传感器具有体积小、质量轻、灵敏度高、不受电气干扰等优势，近年来获得了快速发展，在超声检测、水声探测、航空航天等领域取得了广泛应用。目前常见的膜片式光纤声压传感器通常都是以法布里-珀罗干涉型结构为主，其结构特征为利用光纤端面同膜片内表面组成法布里-珀罗腔。这种结构主要问题是光纤端面同膜片内表面的距离不易控制，导致加工得到的传感器的腔长一致性较差。

在论文“Fiber-Optic Michelson Interferometric Acoustic Sensor Based ona PP/PET Diaphragm”和专利“一种基于迈克尔逊干涉仪的声波探测器”(申请号：20151012038.9)中，将膜片及其同光纤准直器间自由空间光路置于传统光纤迈克尔逊干涉仪的光路中，构成非本征型光纤迈克尔逊干涉仪声压传感器，提高了传感器的灵敏度和设计灵活度。但是这种结构中光纤准直器同膜片之间的距离控制起来较为困难，导致迈克尔逊干涉仪的两条光路间光程差的一致性难以保证；而分光路的结构也不能防止偏振衰落的影响。

本发明的目的在于提出一种共光路结构的微型非本征光纤迈克尔逊声压传感器。其目的在于，利用传感器基片和膜片的反射光构成共光路结构的迈克尔逊干涉仪，消除偏振衰落的影响；迈克尔逊干涉仪的光程差由传感器基片和膜片的支撑结构厚度决定，具有良好的一致性；膜片的尺寸由其支撑结构决定，具有良好的设计灵活度；利用微机电工艺实现传感器的加工，可以有效的降低传感器的尺寸和成本。

一种共光路结构的微型非本征光纤迈克尔逊声压传感器，包括声压敏感膜片、膜片支撑结构、传感器基座、增反膜、玻璃套管、光纤准直透镜、光纤套筒、单模光纤；单模光纤的出射光经过光纤准直透镜之后形成一束展宽的平行光，展开后的平行光束外侧被传感器基座下表面的增反膜反射并经光纤准直透镜耦合回单模光纤，展开收的平行光束内侧被声压敏感片上的增反膜反射并经光纤准直透镜耦合回单模光纤，两束反射光在单模光纤内发生干涉，形成共光路的迈克尔逊声压传感器；由于两束干涉光在传输过程中经历相同的偏振衰落，所以其最终干涉结果不受偏振衰落影响；

其中，声压敏感膜片固定在膜片支撑结构上，膜片的材料可以是硅、PET、石墨烯、金、银、铝等，膜片的厚度不大于10微米，膜片的外边尺寸与膜片支撑结构的外边尺寸相同；膜片支撑结构固定在传感器基座的上表面，其外尺寸同传感器基座的外尺寸相同，内部中间区域有一个圆形的通孔，通孔直径大于传感器基座内部的通孔直径，小于传感器基座的外尺寸；膜片支撑结构的厚度大于10微米小于400微米；其材料可以为硅、二氧化硅或者SU-8光刻胶等；传感器基座的上下表面是光滑平行的，其外边边长大于3×3毫米，小于5×5毫米，中间区域有一个圆形的通孔，通孔直径大于100微米，小于500微米；传感器基座的材料可以为硅、石英玻璃等；

其中，声压敏感膜片和传感器基座上的增反膜的工作波长为1550纳米，反射率大于95％，采用沉积工艺加工得到；

其中，所采用的玻璃套管的内直径为1.8毫米，外直径大于3毫米、小于5毫米；光纤套筒与光纤准直透镜之间利用环氧胶紧密贴合，并固定在玻璃套管内；光纤准直透镜采用工作波长为1550纳米的商用G-Lens自聚焦透镜构成，其上表面镀有增透膜，透过率大于99.5％；光纤准直透镜的上表面与传感器基座的下表面的间距大于3毫米小于7毫米；所采用光纤套筒的内径为125微米，外径为1.8毫米；

其中，采用的单模光纤固定在光纤套筒内，其端面与光纤套筒8的上表面平行，并镀有增透膜，透过率大于99.5％；单模光纤为商用单模光纤，外径为125微米；

本发明通过采用共光路结构，可以在不使用法拉第旋光镜的条件下避免偏振衰落造成的传感器信号衰落，从而保证了探测结果的稳定性；利用传感器基片的厚度决定迈克尔逊干涉仪两个干涉臂之间的光程差，具有良好的加工一致性；利用膜片支撑结构实现膜片同传感器基片间的分离，通过改变膜片支撑结构可以改变膜片的尺寸，从而改变其灵敏度、提高设计自由度；利用微机电加工工艺可以实现传感器结构的批量生产，因此可以有效的降低传感器的加工成本和尺寸。

图1是本发明的传感器结构示意图；

图中：1声压敏感膜片、2膜片支撑结构、3传感器基座、4增反膜、5增反膜、6玻璃套管、7光纤准直透镜、8光纤套筒、9单模光纤

下面结合附图对发明作详细的说明。

如图1所示，一种共光路结构的微型光纤非本征型迈克尔逊声压传感器，包括声压敏感膜片1、膜片支撑结构2、传感器基座3、增反膜4、增反膜5、玻璃套管6、光纤准直透镜7、光纤套筒8、单模光纤9；单模光纤9的出射光经过光纤准直透镜7之后形成一束展宽的平行光，展开后的平行光束外侧被增反膜5反射并经光纤准直透镜7耦合回单模光纤9，展开收的平行光束内侧被增反膜4反射并经光纤准直透镜7耦合回单模光纤9，两束反射光在单模光纤9内发生干涉，形成共光路的迈克尔逊声压传感器；

其中，声压敏感膜片1固定在膜片支撑结构2上，膜片的材料可以是硅、PET、石墨烯、金、银、铝等，膜片的厚度不大于10微米，膜片的外边尺寸与膜片支撑结构的外边尺寸相同；

其中增反膜3和增反膜4的工作波长为1550纳米，反射率大于95％，采用沉积工艺加工得到；

其中膜片支撑结构2固定在传感器基座3的上表面，其外尺寸同传感器基座3的外尺寸相同，内部中间区域有一个圆形的通孔，通孔直径大于传感器基座3内部的通孔直径，小于传感器基座3的外边尺寸；膜片支撑结构2的厚度大于10微米小于400微米；其材料可以为硅、二氧化硅或者SU-8光刻胶等；

其中，传感器基座3的上下表面是光滑平行的，其外边边长大于3×3毫米，小于5×5毫米，中间区域有一个圆形的通孔，通孔直径大于100微米，小于500微米；传感器基座3的材料可以为硅、石英玻璃等；

其中，玻璃套管6的内直径为1.8毫米，外直径大于3毫米、小于5毫米；

其中，光纤准直透镜7采用工作波长为1550纳米的商用G-Lens自聚焦透镜构成，其上表面镀有增透膜，透过率大于99.5％；光纤准直透镜7的上表面与传感器基座3的下表面的间距大于3毫米小于7毫米；

其中，光纤套筒8的内径为125微米，外径为1.8毫米；光纤套筒与光纤准直透镜7之间利用环氧胶紧密贴合，并固定在玻璃套管6内；

其中，采用的单模光纤9固定在光纤套筒8内，其端面与光纤套筒8的上表面平行，并镀有增透膜，透过率大于99.5％；单模光纤9为商用单模光纤，外径为125微米；

应当指出的是，上述传感器探头中的结构参数可以根据具体应用需求进行调整，这些调整都属于本发明所附权利要求的保护范围。

一种共光路结构的微型非本征光纤迈克尔逊声压传感器，包括声压敏感膜片、膜片支撑结构、传感器基座、增反膜、玻璃套管、光纤准直透镜、光纤套筒、单模光纤；利用传感器基片和膜片的反射光构成共光路结构的迈克尔逊干涉仪，消除偏振衰落的影响；由传感器基片和膜片的支撑结构厚度决定迈克尔逊干涉仪的光程差，具有良好的一致性；膜片的尺寸由其支撑结构决定，具有良好的设计灵活度；利用微机电工艺实现传感器的加工，可以有效的降低传感器的尺寸和成本。

Claims (8)

1.一种共光路结构的微型光纤非本征型迈克尔逊声压传感器，由声压敏感膜片(1)、膜片支撑结构(2)、传感器基座(3)、第一增反膜(4)、第二增反膜(5)、玻璃套管(6)、光纤准直透镜(7)、光纤套筒(8)、单模光纤(9)组成，其特征在于：所述声压敏感膜片(1)固定在膜片支撑结构(2)上，所述膜片支撑结构(2)固定在所述传感器基座(3)的上表面，膜片支撑结构(2)和传感器基座(3)的外径相同，膜片支撑结构(2)和传感器基座(3)内部中间区域均有一个圆形的通孔，膜片支撑结构(2)的通孔直径大于传感器基座(3)的通孔直径，声压敏感膜片(1)底部有圆形的第一增反膜(4)，第一增反膜(4)的直径和传感器基座(3)的通孔直径相同，传感器基座(3)底部有环形第二增反膜(5)，第二增反膜(5)的内径和传感器基座(3)的通孔直径相同，传感器基座(3)底部与玻璃套管(6)固定在一起，光纤准直透镜(7)和光纤套筒(8)贴合在一起固定在玻璃套管(6)内部；所述单模光纤(9)固定在光纤套筒(8)内，单模光纤(9)的末端与光纤套筒(8)的上表面平行，单模光纤(9)的表面镀有增透膜，增透膜的透过率大于99.5％，单模光纤(9)的外径为125μm。

2.根据权利要求1所述的一种共光路结构的微型光纤非本征型迈克尔逊声压传感器，其特征在于：所述第一增反膜(4)和第二增反膜(5)的工作波长为1550nm，反射率大于95％，采用沉积工艺加工制成。

3.根据权利要求1所述的一种共光路结构的微型光纤非本征型迈克尔逊声压传感器，其特征在于：所述膜片支撑结构(2)的厚度取值范围为10μm-400μm，膜片支撑结构(2)由硅、二氧化硅、SU-8光刻胶中的一种为材料制成。

4.根据权利要求1所述的一种共光路结构的微型光纤非本征型迈克尔逊声压传感器，其特征在于：所述传感器基座(3)的上下表面平行光滑，传感器基座(3)的通孔直径取值范围为100μm-500μm，传感器基座(3)由硅、石英玻璃中的一种为材料制成。

5.根据权利要求1所述的一种共光路结构的微型光纤非本征型迈克尔逊声压传感器，其特征在于：所述光纤准直透镜(7)由工作波长为1550nm的商用G-Lens自聚焦透镜构成，光纤准直透镜(7)的上表面镀有增透膜，增透膜的透过率大于99.5％；光纤准直透镜(7)的上表面与传感器基座(3)的下表面的间距取值范围为3mm-7mm。

6.根据权利要求1所述的一种共光路结构的微型光纤非本征型迈克尔逊声压传感器，其特征在于：所述光纤套筒(8)的内径为125μm，外径为1.8mm；所述光纤套筒(8)与光纤准直透镜(7)之间利用环氧胶紧密贴合。

7.根据权利要求1所述的一种共光路结构的微型光纤非本征型迈克尔逊声压传感器，其特征在于：所述玻璃套管(6)的内直径为1.8mm，外直径取值范围为3mm-5mm。

8.根据权利要求1所述的一种共光路结构的微型光纤非本征型迈克尔逊声压传感器，其特征在于：所述声压敏感膜片(1)由硅、PET、石墨烯、金、银、铝中的一种为材料制成，声压敏感膜片(1)的厚度不大于10μm，声压敏感膜片(1)的外径与膜片支撑结构(2)的外径相同。

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