CN112014328A - 一种光纤微气腔传感器及制备与信号检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种光纤微气腔传感器及制备与信号检测方法，本发明实施例提供的技术方案中所述光纤插入液体，所述插入液体的光纤的一端的端面上设有凹陷，所述凹陷与所述液体之间设有微气腔，所述光源由光纤另一端射入至设有凹陷的光纤端面。本发明中的光纤微气腔传感器不仅对液体环境温度、流速以及溶质等因素的抗干扰能力增强，通过改变光纤端面微结构几何参数，还可灵活控制气液界面曲率以及微气腔长度，调控传感器压力敏感特性，提升传感器性能与适用性，可满足不同应用场合对压力、声波、超声波、溶解气体检测的需要。
Description
【技术领域】
本发明涉及压力测量装置技术领域，尤其涉及一种光纤微气腔传感器及制备与信号检测方法。
【背景技术】
随着社会的发展和技术的进步，在生产过程中需要对生产的设备和生产出的产品进行更加精密的测量，而对生产的设备和生产出的产品进行更加精密的测量就需要更加精密的检测设备。
作为一种压力传感器，光纤法布里-珀罗传感器结构紧凑、灵敏度高，通常由光纤端面和弹性薄膜构成。当外界压力引起膜片机械形变，会改变法布里-珀罗腔的腔长，进而引起反射光强度的改变。通过检测反射光谱或强度的变化，即可获取压力信号。目前大部分膜片式光纤法布里-珀罗传感器结构制作涉及向微小的光纤端面转移微米甚至纳米厚度的膜片，过程复杂且工艺要求较高，并且传感器如腔长、膜厚等参数的重复性也难以保证。
【发明内容】
有鉴于此，本发明实施例提供了一种光纤微气腔传感器及制备与信号检测方法，用以解决现有技术中的光纤法布里-珀罗传感器结构制作涉及向微小的光纤端面转移微米甚至纳米厚度的膜片，过程复杂且工艺要求较高，并且传感器如腔长、膜厚等参数的重复性也难以保证的问题。
一方面本发明实施例提供了一种光纤微气腔传感器，包括：光纤，微气腔、光源；
所述光纤插入液体，所述插入液体的光纤的一端的端面上设有凹陷，所述凹陷与所述液体之间设有微气腔；
所述光源由光纤另一端射入至设有凹陷的光纤端面。
可选地，所述凹陷横截面面积小于光纤横截面面积。
可选地，所述凹陷的内表面上涂有吸光材料，所述吸光材料包括金膜、银膜、金纳米颗粒、银纳米颗粒、碳纳米管、石墨烯和黑磷，且所述吸光材料厚度在1-20nm之间；
可选地，所述光源包括连续光和脉冲光。
可选地，所述微气腔内气体不易溶于水。
可选地，所述液体包括水、水溶液、油、化学试剂和生物组织液。
另一方面，本发明实施例提供了一种光纤微气腔传感器的制备方法，包括：
在所述光纤一端面加工凹陷；
在所述凹陷内表面涂装吸光材料；
将设有所述凹陷的光纤的端面插入液体环境；
在所述凹陷与液体之间加工产生微气腔。
可选地，在所述光纤一端面加工凹陷具体包括：化学腐蚀或激光刻蚀光纤端面；或，
在所述光纤端面固定一段空心圆柱结构。
可选地，在所述凹陷与液体之间加工产生微气腔具体包括：所述光纤插入液体时所述凹陷内的空气形成微气腔；或，
利用光源发射加热光并从所述光纤另一端射入至所述吸光材料，所述吸光材料发热使液体汽化生成微气腔。
可选地，在所述凹陷与液体之间加工产生微气腔之后，所述方法还包括：
通过调控光源输出光的功率和持续时间控制微气腔的尺寸。
另一方面，本发明实施例提供了一种光纤微气腔传感器的压力检测方法，包括：
在所述光纤远离所述凹陷一端射入探测光；
利用光电探测器获取由所述微气腔光纤端面与气液界面处反射回的检测光；
对所述反射回的检测光进行解析并获取所述微气腔的腔长信息；
利用光源发射所述加热光保持所述微气腔的腔长保持不变；
获取所述加热光功率并根据所述加热光的功率获取压力值。
可选地，所述检测光为窄带连续光，波长与所述加热光波长不同。
可选地，所述对所述反射回的检测光进行解析并获取所述微气腔的腔长信息具体包括：根据反射光信号交流分量信息，检测气液界面几何形变随外界参量的变化；或检测气液界面机械谐振频率随外界参量的变化。
本发明实施例提供的技术方案中所述光纤插入液体，所述插入液体的光纤的一端的端面上设有凹陷，所述凹陷与所述液体之间设有微气腔，所述光源由光纤另一端射入至设有凹陷的光纤端面。本发明中的光纤微气腔传感器不仅对液体环境温度、流速以及溶质等因素的抗干扰能力增强，通过改变光纤端面微结构几何参数，还可灵活控制气液界面曲率以及微气腔长度，调控传感器压力敏感特性，提升传感器性能与适用性，可满足不同应用场合对压力、声波、超声波、溶解气体检测的需要。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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它的附图。
图1为本发明一实施例提供的一种光纤微气腔传感器结构图；
图3为本发明又一实施例提供的一种光纤微气腔传感器结构图；
图2为本发明一实施例提供的一种光纤微气腔传感器的制备方法流程图；
图4为本发明一实施例提供的一种光纤微气腔传感器的压力检测方法流程图。
【具体实施方式】
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，甲和/或乙，可以表示：单独存在甲，同时存在甲和乙，单独存在乙这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
图1为本发明实施例提供的一实施例提供的一种光纤1微气腔2传感器结构图，如图1所示，该传感器包括：
光纤1、微气腔2、光源3，光纤1插入液体4，插入液体4的光纤1的一端的端面上设有凹陷5，凹陷5与液体4之间设有微气腔2，光源3由光纤1另一端射入至设有凹陷5的光纤1端面。
本发明实施例中，凹陷5横截面面积小于光纤1横截面面积。
本发明实施例中，凹陷5还包括固定的空心圆柱结构6。
本发明实施例中，凹陷5的内表面上涂有吸光材料，所述吸光材料包括金膜、银膜、金纳米颗粒、银纳米颗粒、碳纳米管、石墨烯和黑磷，且所述吸光材料厚度在1-20nm之间。
本发明实施例中，光源3包括连续光和脉冲光。
本发明实施例中，微气腔2内气体不易溶于水。
本发明实施例中，液体4包括水、水溶液、油、化学试剂和生物组织液。
作为一种可选方案，液体4具备容易汽化的特性，本发明实施例不做限定。
本发明实施例提供的技术方案中所述光纤插入液体，所述插入液体的光纤的一端的端面上设有凹陷，所述凹陷与所述液体之间设有微气腔，所述光源由光纤另一端射入至设有凹陷的光纤端面。本发明中的光纤微气腔传感器不仅对液体环境温度、流速以及溶质等因素的抗干扰能力增强，通过改变光纤端面微结构几何参数，还可灵活控制气液界面曲率以及微气腔长度，调控传感器压力敏感特性，提升传感器性能与适用性，可满足不同应用场合对压力、声波、超声波、溶解气体检测的需要。
本发明实施例还提供了一种光纤微气腔传感器的制备方法，如图3所示，该方法包括：
步骤101、在所述光纤一端面加工凹陷。
本发明实施例中，在所述光纤一端面加工凹陷具体包括：化学腐蚀或激光刻蚀光纤端面；或，在所述光纤端面固定一段空心圆柱结构。
作为一种可选方案，凹陷加工方法刻蚀方法包括采用电弧放电方法在光纤端面熔接一段毛细管或空心光纤；或将光纤端插入内径大于光纤外径的毛细管或陶瓷芯，然后采用胶封或激光焊接方法固定。电弧放电熔接和胶封或激光焊接较为常见，本发明实施例中不再赘述。
如图2所示，本发明实施例还包括，固定一段空心结构包括熔接或者胶接一段光纤、玻璃管透明结构。
步骤102、在所述凹陷内表面涂装吸光材料。
步骤103、将设有所述凹陷的光纤的端面插入液体环境。
步骤104、在所述凹陷与液体之间加工产生微气腔。
本发明实施例中，在所述凹陷与液体之间加工产生微气腔之后，所述方法还包括：通过调控光源输出光的功率和持续时间控制微气腔的尺寸。
作为一种可选方案，从泵浦光源发出的波长为980nm的加热光经可调谐光衰减器后，与通过环形器传输的窄带光源发出的信号探测光，通过波分复用器耦合至上述浸入液体中的光纤端面。由光纤端面出射的光被气液界面周围液体吸收后温度升高，使微气腔开始生长。被气体腔的两个界面反射回的反射光(加热光、信号探测光)，通过波分复用器后，加热光被滤除，未被滤除的信号探测光经过环形器耦合传输并耦合到光电探测器。通过光电探测器可将探测光的反射光强变化信息转化为电学信号，以该电学信号为反馈，利用可调谐光衰减器伺服控制加热光的功率，使微气腔到达稳定。
作为一种可选方案，泵浦光源、可调谐光衰减器、环形器、波分复用器、光电探测器均为常规装置。
图4为本发明实施例提供的一实施例提供的一种光纤微气腔传感器的压力检测方法流程图，如图4所示，该方法包括：
步骤201、在所述光纤远离所述凹陷一端射入探测光。
本发明实施例中，所述检测光为窄带连续光，波长与所述加热光波长不同，作为一种可选方案，加热光的波长为980nm。
步骤202、利用光电探测器获取由所述微气腔光纤端面与气液界面处反射回的检测光。
本发明实施例中，对所述反射回的检测光进行解析并获取所述微气腔的腔长信息具体包括：根据反射光信号交流分量信息，检测气液界面几何形变随外界参量的变化；或检测气液界面机械谐振频率随外界参量的变化。
步骤203、对所述反射回的检测光进行解析并获取所述微气腔的腔长信息。
本发明实施例中，将返回的检测光通过光电检测器将反射的光强的变化转化为电学信号，通过对电学信号的测量获取微气腔的腔长的变化。
步骤204、利用光源发射所述加热光保持所述微气腔的腔长保持不变。
本发明实施例中，调节加热光的功率值，使得加热光光强变化，使得微气腔的腔长稳定。
步骤205、获取所述加热光功率并根据所述加热光的功率获取压力值。
本发明实施例中，由于不同的外界压力，对应不同的微气腔的腔长改变，因此用于维持微气腔的腔长不变所需的加热光功率也不同。根据外界压力与加热光功率的对应关系，即可获取压力幅值信息。
本发明实施例中，作为一种可选方案，本发明中的光纤微气腔传感器还可用于超声波检测，被气体腔的两个界面反射回的反射光，通过波分复用器后，加热光被滤除，未被滤除的信号探测光经过环形器耦合传输并耦合到光电探测器。通过光电探测器可将探测光的反射光强变化信息转化为电学信号。当声波或超声波作用于气体腔时，气体腔的气液界面会发生形变，导致气体腔的腔长发生改变，进而会引起反射光强的动态变化，若声波或超声波频率为f，则光电探测器输出的电学信号包含直流成分与频率为f的交流成分。其中，直流成分反映的是气体腔的腔长缓慢变化，作为反馈信号，利用可调谐光衰减器伺服控制加热光的功率，使气体腔到达稳定；频率为f的交流成分则对应声波或超声波信号。根据频率为f的交流成分电压值，即可获得声波或超声波信号的幅值。
本发明实施例中，作为一种可选方案本发明中的光纤微气腔传感器还可用于溶解气体量检测，从泵浦光源发出的λ_1波长加热光经可调谐光衰减器到达波分复用器的λ_1波长输入端口；窄带激光器发出的λ_2波长探测光与可调谐窄带激光器发出的λ_3波长泵浦光，经耦合器后，从环形器的第一端口传输到第二端口，到达波分复用器的λ_2,λ_3波长输入端口；加热光、探测光、泵浦光通过波分复用器合束并耦合至气体腔中；
气体腔的两个界面反射回的λ_1波长、λ_2波长和λ_3波长反射光，通过波分复用器后，λ_2波长探测光和λ_3波长泵浦光经环形器的第二端口传输到第三端口，再经光滤波器滤除λ_3波长泵浦光，剩下的λ_2波长探测光经过光电探测器后转换成电信号，通过锁相放大器测量；
其中，两个界面分别为传输光纤的端面与气体腔界面、气体腔与液体界面。
在上述实施方式中，耦合至气体腔的λ_1波长加热光其作用是为了稳定气体腔。λ_2波长探测光经光滤波器传输至光电探测器；光电探测器的直流输出作为反馈控制信号，用于伺服控制可调谐光衰减器输出的加热光功率，调节气体腔的干涉谱，一方面使气体腔干涉谱斜率最大处对应窄带激光器发出的λ_2波长探测光的中心波长，获得最佳光声信号灵敏度，一方面使气体腔的反射光干涉谱不随环境因素如温度、压力等扰动而发生漂移。
上述步骤中，可调谐窄带激光器发出的λ_3波长泵浦光通过调节驱动电流，实现波长-强度调制。该波长-强度调制具体通过在正弦变化(f0)的电流驱动信号上叠加一个缓慢变化的斜坡信号实现。λ_3波长泵浦光入射到浸入水槽的气体腔。当泵浦光的波长λ_3扫描至气体的吸收峰，气体腔内的气体吸收λ_3波长泵浦光后产生光声信号。为抑制环境噪声影响，采用锁相放大器提取光声信号的二次谐波信号。
上述声波探测过程的细节原理为，气体产生的光声信号，对气体腔气-液界面产生物理形变，该形变对于气体腔的腔长发生改变。由于气体腔与光纤端面构成法布里-珀罗干涉仪，光声信号引起的腔长变化会引起干涉仪相位差变化，通过λ_2波长探测光将该相位变化转换为光强度变化，并最终由光电探测器与锁相放大器转换为电信号，可获取光声信号幅值。因此，当液体中的溶解气体浓度改变，扩散进入气体腔的气体浓度及其对泵浦光的吸收强弱相应地发生改变，并反映为光声信号幅度变化而被检测出来。
本发明实施例中，所涉及装置皆为常规装置，此处不再详细描述。
本发明实施例提供的光纤微气腔传感器中，在所述光纤远离所述凹陷一端射入探测光，利用光电探测器获取由所述微气腔的光纤端面与气液界面处反射回的检测光，对所述反射回的检测光进行解析并获取所述微气腔的腔长信息，利用光源发射所述加热光保持所述微气腔的腔长保持不变，获取所述加热光功率并根据所述加热光的功率获取压力值。本发明中的光纤微气腔传感器不仅对液体环境温度、流速以及溶质等因素的抗干扰能力增强，通过改变光纤端面微结构几何参数，还可灵活控制气液界面曲率以及微气腔长度，调控传感器压力敏感特性，提升传感器性能与适用性，可满足不同应用场合对压力、声波、超声波、溶解气体检测的需要。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
Claims (13)
1.一种光纤微气腔传感器，其特征在于，包括：光纤、微气腔、光源；
所述光纤插入液体，所述插入液体的光纤的一端的端面上设有凹陷，所述凹陷与所述液体之间设有微气腔；
所述光源由光纤另一端射入至设有凹陷的光纤端面。
2.根据权利要求1所述的光纤微气腔传感器，其特征在于，所述凹陷横截面面积小于光纤横截面面积。
3.根据权利要求1所述的光纤微气腔传感器，其特征在于，所述凹陷的内表面上涂有吸光材料，所述吸光材料包括金膜、银膜、金纳米颗粒、银纳米颗粒、碳纳米管、石墨烯和黑磷，且所述吸光材料厚度在1-20nm之间。
4.根据权利要求1所述的光纤微气腔传感器，其特征在于，所述光源包括连续光和脉冲光。
5.根据权利要求1所述的光纤微气腔传感器，其特征在于，所述微气腔内气体不易溶于水。
6.根据权利要求1所述的光纤微气腔传感器，其特征在于，所述液体包括水、水溶液、油、化学试剂和生物组织液。
7.一种光纤微气腔传感器的制备方法，其特征在于，包括：
在所述光纤一端面加工凹陷；
在所述凹陷内表面涂装吸光材料；
将设有所述凹陷的光纤的端面插入液体环境；
在所述凹陷与液体之间加工产生微气腔。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述光纤一端面加工凹陷具体包括：化学腐蚀或激光刻蚀光纤端面；或，
在所述光纤端面固定一段空心圆柱结构。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述凹陷与液体之间加工产生微气腔具体包括：所述光纤插入液体时所述凹陷内的空气形成微气腔；或，
利用光源发射加热光并从所述光纤另一端射入至所述吸光材料，所述吸光材料发热使液体汽化生成微气腔。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述凹陷与液体之间加工产生微气腔之后，所述方法还包括：
通过调控光源输出光的功率和持续时间控制微气腔的尺寸。
11.一种光纤微气腔传感器的压力检测方法，其特征在于，包括：
在所述光纤远离所述凹陷一端射入探测光；
利用光电探测器获取由所述微气腔光纤端面与气液界面处反射回的检测光；
对所述反射回的检测光进行解析并获取所述微气腔的腔长信息；
利用光源发射所述加热光保持所述微气腔的腔长保持不变；
获取所述加热光功率并根据所述加热光的功率获取压力值。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述检测光为窄带连续光，波长与所述加热光波长不同。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述对所述反射回的检测光进行解析并获取所述微气腔的腔长信息具体包括：根据反射光信号交流分量信息，检测气液界面几何形变随外界参量的变化；或检测气液界面机械谐振频率随外界参量的变化。
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