CN111044137A - 一种基于镀金振动薄膜的光纤声振动传感器及其制作方法 - Google Patents

一种基于镀金振动薄膜的光纤声振动传感器及其制作方法 Download PDF

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刘铁根
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Abstract

本发明公开了一种基于镀金振动薄膜的光纤声振动传感器及其制作方法，其结构包括振动膜片(1)、端面含有五氧化二钽镀层的单模光纤(3)和传感头的支撑结构，所述振动膜片(1)内表面设置有金镀层(4)，所述振动膜片(1)与端面含有五氧化二钽镀层的单模光纤(3)之间设置有通孔(2)，所述传感头的支撑结构由通孔(2)、D型管(5、毛细管(6)和环氧树脂胶层(7)构成，所述端面含有五氧化二钽镀层的单模光纤(3)与振动膜片(1之间形成谐振微腔。本发明解决了在有效保证高反射率的同时，提高有效测量带宽，提升干涉信号质量的技术问题。

Description

一种基于镀金振动薄膜的光纤声振动传感器及其制作方法
技术领域
本发明涉及光纤声振动传感器技术领域，特别是涉及一种光纤声振动传感器及其制作方法。
背景技术
光纤法布里-珀罗声振动传感器是光纤声振动传感器中的一种，可以用于测量振动信号，微小位移，也可用于探测多频段声波信号等。它通常由光纤端面和膜片内表面构成法布里-珀罗微谐振腔，当外界声波压力作用在膜片上时会使膜片变形，而使得法珀腔长发生变化，由光纤端面和膜片内表面产生的反射光发生干涉并携带法珀腔长变化的信息，利用光谱法或者其他解调方法，获取干涉条纹信息，解调出法珀腔长变化，从而实现声波传感。
对于光纤声振动传感器结构的设计，近些年提出了一些设计方案，根据发生的不同的干涉类型，分为法布里-珀罗式、迈克尔逊式、马赫-曾德式和双光纤式四种。其中法布里-珀罗式利用光纤端面与反射膜片构成的谐振腔，薄膜受到振动受力弯曲引起腔长变化，由干涉信号携带振动信息，转化成对光强度的测量，因其结构简单、稳定性高、成本低、灵敏度高被广泛采用。对于反射膜片的选择，近些年有过相关研究，为了保证较好的效果，先前研究经常使用聚酯薄膜(PET)作为振动膜片，但因其是无色透明材质，反射率较低，而存在缺点。对于使用高反射率的ESR膜片因其高频响应不理想，高频信号会使振动膜片饱和而影响测量结果的准确性。振动膜片的选择会直接影响测量结果，决定测量结果是否能准确反映声音信号特征。
目前存在的光纤声振动传感器受到膜片的影响，其探测带宽比较窄，不能保证低频和高频响应曲线具有很好的表现。
发明内容
本发明旨在提出一种基于镀金振动薄膜的光纤声振动传感器及其制作方法，采用基于法布里-珀罗原理设计的反射式结构，更在结构上采用创新性双通孔结构，解决了在有效保证高反射率的同时，提高有效测量带宽，提升干涉信号质量的技术问题。
本发明的一种基于镀金振动薄膜的光纤声振动传感器，其结构包括振动膜片1、端面含有五氧化二钽镀层的单模光纤3和传感头的支撑结构，所述振动膜片1内表面设置有金镀层4，所述振动膜片1与端面含有五氧化二钽镀层的单模光纤3之间设置有通孔 2，所述传感头的支撑结构由通孔2、D型管5、毛细管6和环氧树脂胶层7构成，所述端面含有五氧化二钽镀层的单模光纤3与振动膜片1之间形成谐振微腔，利用端面含有五氧化二钽镀层的单模光纤3传输入射光和接收经金镀层4的反射光，所述D型管5 与所述毛细管6对端面含有五氧化二钽镀层的单模光纤3进行固定，所述端面含有五氧化二钽镀层的单模光纤3的端面和金镀层5平行。
本发明的一种镀金振动薄膜的光纤声振动传感器的制作方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：取已施加一定预应力的普通PPS膜片，PPS膜片厚度为1.2um、直径3mm，在光纤旋转磁控溅射镀膜仪内固定，在其内表面进行镀膜处理，先在普通PPS膜片镀厚度约为100nm的ZnO用于加强金镀层的附着，再在ZnO层的基础上镀厚度为15nm的金薄膜镀层；
步骤二：利用环氧树脂胶将已镀膜完成的镀金膜片和外层固定结构毛细管进行粘合，固定整个传感器架构，将内部D型管与外层毛细管利用环氧树脂胶进行粘合固定，用于固定和保证光纤位置，使光纤端面和膜片平行；
步骤三：用由端面经磁控溅射技术镀厚度为100nm五氧化二钽镀层的单模光纤插入D型管预留的光纤孔，保证光纤端面和膜片平行，并利用解调系统或干涉光谱法获得由含五氧化二钽镀层的光纤端面反射光和镀金薄膜层的反射光产生的干涉信号，控制光纤端面和金薄膜镀层的腔的距离，取得合适的腔长范围，使得干涉信号质量最好，用环氧树脂胶进行结构固定，即完成传感器的制作。
与现有的光纤声振动传感器相比，本发明的有益效果及优点在于：
1)在振动反射膜片内表面利用磁控溅射技术镀纳米厚度金镀层，在有效提高振动膜片反射率的同时，提高有效测量带宽，在高频和低频下均有较好的频率响应，利用对双反射面镀膜，控制干涉条纹信号对比度，提升干涉信号质量，同时提高了信噪比，提升声波探测结果的稳定度，具有较高的灵敏度和测量精度；
2)使用特定尺寸和形状的硼硅材料和环氧树脂胶做结构固定能在有效保证整个结构稳定的同时，使得初始微谐振腔的长度可以精确的控制，保证了能够准确的获取振动信号；
3)创新性双通孔的结构设计，可有效提升光纤声振动传感器的探测灵敏度。本发明制作成本低，便于批量制作，能有效提高生产效率和保证光纤声振动传感器的一致性。
附图说明
图1是本发明的一种基于镀金振动薄膜的光纤声振动传感器结构示意图；
图2是本发明的D型管5和毛细管6的结构示意图；
图3是本发明中一种基于镀金振动薄膜的光纤声振动传感器的解调系统实施例示意图；
图4是本发明中一种基于镀金振动薄膜的光纤声振动传感器接收信号解调结果示意图，其中(a)为解调结果相位示意图，(b)为(a)傅里叶变换频谱图，信噪比为75dB；
附图标记：
1、镀金振动膜片，2、通孔，3、端面含有五氧化二钽镀层的单模光纤，4、金镀层， 5、D型管，6、毛细管，7、环氧树脂胶层，8、光源，9、光纤环形器，10、基于镀金振动薄膜的光纤声振动传感器，11、解调装置，21、第一通孔，21、第二通孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。
如图1所示，是本发明的一种基于镀金振动薄膜的光纤声振动传感器结构示意图。其结构包括镀金振动膜片1、通孔2、端面含有五氧化二钽镀层的单模光纤3、金镀层4、 D型管5、毛细管6以及环氧树脂胶层7。通孔2、D型管5、毛细管6、环氧树脂胶层 7构成传感器结构支撑体，作为光纤声振动传感器的传感头的支撑结构。
所述镀金振动膜片1，由普通PPS薄膜1和利用磁控溅射技术镀在薄膜上一定面积的厚度约15nm的金薄膜4组成。
如图2所示，是本发明的本发明的D型管5和毛细管6的结构示意图。所述D型管5和所述毛细管6由硼硅材料构成，D型管5的结构上可设置第一通孔21连接外界，同时，所述毛细管6壳体靠近D型管上第一通孔21侧面打直径在0.4mm左右的圆孔形成第二通孔22，声学腔内部的气压可以通过相通的第一通孔21和第二通孔22连通起来，保证声学腔内外环境的一致性。双通孔结构设计相比于单通孔结构，优化光纤声振动传感器的内外气压连通性能，能有效提升探测稳定性和灵敏度，在极端环境下仍能够有效保证结构的稳定性。
所述传输光纤，在光纤端面经磁控溅射技术镀五氧化二钽(Ta2O5)镀层，增加光纤端面第一次反射强度，利用由端面经磁控溅射技术镀五氧化二钽(Ta2O5)镀层的单模光纤传输入射光和接收经金薄膜镀层的反射光，利用硼硅材料对光纤进行固定，保证光纤端面和金薄膜镀层平行。
本发明的一种镀金振动薄膜的光纤声振动传感器的制作方法，具体包括以下步骤：
首先对光纤声振动传感器振动膜片做镀金镀层处理，取已施加一定预应力的普通PPS薄膜，PPS膜片厚度为1.2um、直径3mm，在光纤旋转磁控溅射镀膜仪内固定，在其内表面进行镀膜处理，在镀金镀层之前，先在普通PPS膜片镀厚度约为100nm的ZnO 层用于加强金镀层的附着，再在ZnO层的基础上镀厚度为15nm的金镀层。再对光纤端面做镀五氧化二钽镀层处理，取经抛光的单模光纤，在光纤旋转磁控溅射镀膜仪内固定，在光纤端面进行镀膜处理，五氧化二钽的镀层厚度为100nm。利用环氧树脂胶将已镀膜完成的镀金膜片和外层用于固定结构毛细管进行粘合，固定整个传感器架构，毛细管打通孔做双通孔结构设计。将内部D型管与外层毛细管利用环氧树脂胶进行粘合固定，D 型管用于固定和保证光纤位置，使光纤端面和膜片平行，并可创造另一个通孔连接外界，创新双通孔结构设计不仅优化光纤声振动传感器的内外气压连通，更提高了光纤声振动传感器探测灵敏度。用端面含有五氧化二钽镀层的单模光纤插入D型管预留的光纤孔， D型管等固定结构可保证光纤端面和膜片平行，利用解调系统或干涉光谱法可获得由含五氧化二钽镀层的光纤端面反射光和金薄膜反射光产生的干涉信号，控制光纤端面和金薄膜镀层的微腔的距离，取得合适的腔长范围，使得干涉信号质量最好，用环氧树脂胶进行结构固定，即完成传感器的制作。
实施例：
如图3所示，是本发明基于镀金振动薄膜的光纤声振动传感器的解调系统实施例示意图。该系统用于实现光纤声振动传感器的腔长解调。具体过程为：中心波长为1550nm的宽带光源8，发出的光经过光纤环形器9进入光纤声振动传感器10，经过端面含有五氧化二钽镀层的单模光纤端面反射和金镀层的膜片反射光发生干涉并经传输光纤通过光纤环形器10进入解调装置11。在解调装置中，利用相关解调装置和低相干干涉原理、 DCM差分算法等可获得光纤声振动传感器的腔长信息，即可得到外界声波振动信号的振动信息。
如图4所示，是基于纳米厚度镀金薄膜的光纤声振动传感器接收信号解调结果示意图，其中(a)为解调结果相位示意图，(b)为(a)傅里叶变换频谱图，信噪比为75dB，经计算，本发明传感器的探测灵敏度为
Figure RE-GDA0002328768720000061

Claims (5)

1.一种基于镀金振动薄膜的光纤声振动传感器，其特征在于，其结构包括振动膜片(1)、端面含有五氧化二钽镀层的单模光纤(3)和传感头的支撑结构，所述振动膜片(1)内表面设置有金镀层(4)，所述振动膜片(1)与端面含有五氧化二钽镀层的单模光纤(3)之间设置有通孔(2)，所述传感头的支撑结构由通孔(2)、D型管(5)、毛细管(6)和环氧树脂胶层(7)构成，所述端面含有五氧化二钽镀层的单模光纤(3)与振动膜片(1)之间形成谐振微腔，利用端面含有五氧化二钽镀层的单模光纤(3)传输入射光和接收经金镀层(4)的反射光，所述D型管(5)与所述毛细管(6)对端面含有五氧化二钽镀层的单模光纤(3)进行固定，所述端面含有五氧化二钽镀层的单模光纤(3)的端面和金镀层(5)平行。
2.如权利要求1所述的一种基于镀金振动薄膜的光纤声振动传感器，其特征在于，所述D型管(5)和所述毛细管(6)由硼硅材料构成。
3.如权利要求1所述的一种基于镀金振动薄膜的光纤声振动传感器，其特征在于，所述D型管(5)上设置第一通孔21连接外界，同时，所述毛细管(6)壳体靠近D型管上第一通孔(21)一侧设置第二通孔(22)，声学腔内部的气压通过相通的第一通孔(21)和第二通孔(22)连通起来。
4.如权利要求1所述的一种基于镀金振动薄膜的光纤声振动传感器，其特征在于，所述D型管(5)和所述毛细管(6)由硼硅材料构成。
5.一种镀金振动薄膜的光纤声振动传感器的制作方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一：取已施加一定预应力的普通PPS膜片，PPS膜片厚度为1.2um、直径3mm，在光纤旋转磁控溅射镀膜仪内固定，在其内表面进行镀膜处理，先在普通PPS膜片镀厚度约为100nm的ZnO用于加强金镀层的附着，再在ZnO层的基础上镀厚度为15nm的金薄膜镀层；
步骤二：利用环氧树脂胶将已镀膜完成的镀金膜片和外层固定结构毛细管进行粘合，固定整个传感器架构，将内部D型管与外层毛细管利用环氧树脂胶进行粘合固定，用于固定和保证光纤位置，使光纤端面和膜片平行；
步骤三：用由端面经磁控溅射技术镀厚度为100nm五氧化二钽镀层的单模光纤插入D型管预留的光纤孔，保证光纤端面和膜片平行，并利用解调系统或干涉光谱法获得由含五氧化二钽镀层的光纤端面反射光和镀金薄膜层的反射光产生的干涉信号，控制光纤端面和金薄膜镀层的腔的距离，取得合适的腔长范围，使得干涉信号质量最好，用环氧树脂胶进行结构固定，即完成传感器的制作。
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