CN112526202A - 一种基于超声波检测电压的光纤传感装置及实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明专利提供了一种基于超声波检测电压的光纤传感装置及实现方法，它包括ASE光源、光纤耦合器、传感单元、超声波转换装置、光电转换器、信号处理模块。本发明专利通过光纤进行传感，利用法珀腔原理，使ASE光源发出的光在法珀腔中产生干涉光谱，通过对干涉光谱的检测，测量电压，并且通过信号处理模块，实现数字输出，达到可以在计算机上显示的目的。本发明对超声波换能装置进行了结构设计，提高了效率，使超声波的频带加宽，实现了监测电压的目的。同时可以在主机上输出，实现了电压的实时监测。

Description

一种基于超声波检测电压的光纤传感装置及实现方法
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于超声波检测电压的光纤传感装置及实现方法。
背景技术
目前，光纤传感技术逐渐完善，光纤传感的监测装置也随之越来越完善，其中在光纤传感装置中，介质材料和传感装置的结构都会光纤传感产生很大的影响。目前，采用光学方法实现超声波检测的装置和方法有很多。
张慧等人(张慧，李志，郑冠儒等；空气耦合电容式微超声波换能器设计[J]声学学报.2019年01期.第116-142页)提出了一种空气耦合电容式微超声换能器的方法，该方法是在上下电极之间同时接入直流偏置电压恒和交流激励电压，振膜在静电力作用下振动，辐射超声波。Fu等人(Fu,YD；Sun,S；Zhuo,CW；et al.Piezoelectric MicromachinedUltrasonic Transducer with Superior Acoustic Outputs for Pulse-Echo ImagingApplication[J].IEEE Electron,2020.3018310)提出了一种新型结构的基于硝酸铝薄膜的压电微机械超声换能器，通过在夹层结构中加厚底部电极，较厚的底部电极实现了导电连接，并沿压电层以外的夹芯结构的中性表面向下移动，通过加压振动，借助开关使超声波发出。胡氢等人(胡氢，王辉.夹心式复合换能器的研制[J].现代制造工程，2007(06):121-123.)提出了一种压电陶瓷机械加工用大振幅夹心式复合换能器，这种复合换能器是纵向振动模式，压电陶瓷极化方向、电场方向及机械振动方向三者在一条直线上。
虽然上述研究者采用加电压在电极之间使膜片振动辐射超声波，或者增加电极片的厚度，减小电容损失，通过膜片的振动增大超声波的方法，或者是设计的复合换能器，与传统的超声波监测装置相比在测量范围、测量精度以及装置的便携度上有了很大的改善；Fu等人提出的基于硝酸铝薄膜的压电微机械超声换能器只通过单个振动元件传输的超声压力只能达到几十帕斯卡/伏特，太小，需要很多个单元才能满足超声波装置的发射需求。胡氢等人提出的夹心式复合换能器当胶合层在大振幅的情况下，会出现在拉伸阶段遭到破坏，因此针对现有技术的灵敏度不高、效率低、易受外部环境影响等问题，提出了一种灵敏度更高、稳定性好、效率更高的超声波检测电压的光纤传感装置及实现方法。
发明内容
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案如下：
技术方案：一种基于超声波检测电压光纤传感装置及实现方法，其特征在于，它包括ASE光源(1)、光纤耦合器(2)、传感单元(3)、超声波转换装置(4)、光电转换器(5)、信号处理模块(6)；
所述传感单元(3)包括单模光纤(3-1)、玻璃插芯(3-2)、硅环(3-3)、石英膜片(3-4)、石墨烯(3-5)、金膜(3-6)，其中：
单模光纤(3-1)和石英膜片(3-4)内表面形成空气法珀腔，并且此空气法珀腔的腔长约为26μm，石英膜片(3-4)自身构成硅法珀腔，硅法珀腔的腔长为石英膜片(3-4)的厚度40μm；
硅环(3-3)使用紫外切割机切割单晶硅片切割而成；
石英膜片(3-4)是由(NH4)2SiF6净化液置于水浴锅中，搅拌加热至一定温度，加氟硅酸氨溶液和26wt％的氨水，到达反应终点时加入氨水，搅拌下陈化，过滤，滤液备用，滤饼用超纯水多次洗涤，将滤饼加入适量超纯水，升温至85℃热洗0.6h，趁热固液分离，滤饼120℃干燥2.5h，煅烧得二氧化硅，将二氧化硅放置于马弗炉中进行1310℃煅烧并保温3h使之晶化，对晶体切割则得到石英膜片；
石墨烯(3-5)采用液相剥离法制备，将天然石墨，硫酸，重铬酸钾按质量比为1.5：3：0.2均匀混合，在100℃水浴中充分反应，随后反应液加离子水洗涤、过滤，50℃烘干，将烘干粉末经过1200℃膨化处理10s，随后将其放入N-甲基吡咯烷酮溶剂中，低速搅拌充分混合，将悬浮液经过高压均质装置进行剥离，压力为80MPa，循环8次得到石墨烯溶液，将其冷冻干燥加压制成石墨烯薄片；
金膜(3-6)是通过电子束蒸发的方法获取，选择标准的硅片作为生长的基底，在硅片上涂抹光刻胶，采用电子束蒸发的方法在光刻胶上生长厚度为200nm的金膜，然后将金膜样品与传感装置粘连，并放置于盛有99.7％浓度分析纯的丙酮溶液中，静置13h后，光刻胶被腐蚀，金膜与硅片基底的彻底分离，镀膜完成；
传感单元(3)中单模光纤(3-1)插入玻璃插芯(3-2)中，玻璃插芯(3-2)、硅环(3-3)、石英膜片(3-4)、石墨烯(3-5)、金膜(3-6)依次叠放并粘结并封装后构成传感单元(3)；
传感单元(3)的具体制备过程包括部件的尺寸选择、部件的分割、部件的放置位置、部件的封装；
其中：部件的尺寸选择包括选择石英膜片(3-4)的厚度为61μm、直径为4mm的圆形膜片，硅环(3-3)外径3mm、内径2mm、厚度为40μm；
部件的分割包括对硅环(3-3)的切割和石英膜片(3-4)的切割，首先在硅环(3-3)的单晶硅中切割外径为3mm、内径为2mm、厚度为40μm的圆环，在厚度为22μm的两面抛光的石英膜片上切割出直径为5mm的石英膜片；
部件的放置位置包括将石英膜片(3-4)和硅环(3-3)按顺序叠放在高温加热台上，将外径为3mm的玻璃插芯(3-2)放置在硅环(3-3)上面，将玻璃插芯(3-2)与硅环(3-3)和石英膜片(3-4)、石墨烯(3-5)的中心对齐；
部件的封装包括使用粘结剂将玻璃插芯(3-2)、硅环(3-3)、石英膜片(3-4)石墨烯(3-5)密封，之后将切割平整的单模光纤(3-1)插入玻璃插芯(3-2)的合适位置，使用紫外胶进行预固定，之后再用环氧树脂进行完全的固定，静置48小时；
传感单元(3)中硅环(3-3)使用的材料为单晶硅，利用紫外切割机切割而成。
一种基于超声波检测电压的光纤传感装置及实现方法，其特征在于：
ASE光源(1)发出光束传输至光纤耦合器(2)，光纤耦合器(2)输出光束传输至传感单元(3)，光束在传感单元(3)中进行反射和透射，当传感单元(3)放置在超声波转换装置(4)中时，传感单元(3)中的金膜(3-6)、石墨烯(3-5)、石英膜片(3-4)发生形变，使硅环(3-3)产生相应的变化，空气法珀腔发生变化，影响反射光的光程，进而产生光的干涉，干涉光通过单模光纤(3-1)返回至光纤耦合器(2)并通过光纤耦合器传输至光电转换器(5)中，光电转换器(5)产生模拟信号并传输至信号处理模块(6)中进行数据处理。
进一步地，所述ASE光源(1)为宽带光源，中心波长为1550nm用于产生光信号。
进一步地，所述超声波转换装置(4)包括外壳(4-1)、谐振子(4-2)、变幅杆(4-3)、电极片(4-4)、压电晶体(4-5)，电极片(4-4)分别接电源的正负极，产生电压通过电极片(4-4)，通过输入不同的电压，使压电晶体(4-5)厚度发生变化，伸缩转换造成的振动通过变幅杆(4-3)的聚能作用将振动放大，转移到谐振子(4-2)发出超声波。
进一步地，所述信号处理模块(6)包括A/D模块(6-1)、数据缓冲模块(6-2)、IIC串口(6-3)、主机(6-4)依次相连。
进一步地，所述信号处理模块(6)由光电转换器(5)产生的模拟信号进入信号处理模块(6)中，通过信号处理模块(6)中的A/D模块(6-1)进行模拟信号与数字信号的转换，将其输出的数字信号输入到数据缓冲模块(6-2)进行数字信号的缓存，之后信号经过IIC串口(6-3)传输到主机(6-4)，并在主机(6-4)中显示数据。
结构发明：一种基于超声波检测电压的光纤传感装置及实现方法。
与现有技术相比，本发明专利的有益效果是：
本发明实现用超声波检测电压，结构方便简单，提高了设备的灵敏度和运行的周期，大大减少了检测设备低灵敏度和易受外部环境因素影响的问题。
本发明中金膜和石墨烯对超声波的声压的应变，使石英膜片发生形变，直接导致法珀腔长的变化，与粘结剂无关，提高了测量的灵敏度，本发明实施后测量的灵敏度提高30％。
本发明中超声波转换装置进行了设计，增加了电极片的数量，可以保证压电晶片的电压稳定，产生同幅度的伸缩，增加压电模块的伸缩幅度；并且变幅杆是贯穿于压电晶片和电极片之间，但是不贯穿最后一个电极片，增强了对振动幅度的传感，减小了声波在介质中传播的衰减程度，变幅杆和谐振子连接使超声波直接发出，这个结构使超声波的频带宽度增加35％，增加了测量的准确性、长期运行稳定性，本发明实施后，长期运行的稳定性提高40％。
附图说明
图1为一种基于超声波检测电压的光纤传感装置及实现方法的结构图。
图2为一种基于超声波检测电压的光纤传感装置及实现方法的传感单元结构图。
图3为一种基于超声波检测电压的光纤传感装置及实现方法的超声波转换装置结构图。
图4为一种基于超声波检测电压的光纤传感装置及实现方法的信号处理模块细节图。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明提出的一种基于超声波检测电压的光纤传感装置及实现方法的具体实现方式加以说明。
如图1所示，为本发明提供一种基于超声波检测电压的光纤传感装置及实现方法的结构图，ASE光源(1)发出光束传输至光纤耦合器(2)，光纤耦合器(2)输出光束传输至传感单元(3)，光束在传感单元(3)中进行反射和透射，当传感单元(3)放置在超声波转换装置(4)中时，在超声波转换装置(4)作用下，传感单元(3)的石英膜片(3-4)发生形变，使硅环(3-3)构成的空气法珀腔发生变化，影响反射光的光程，进而产生光的干涉，干涉光通过单模光纤(3-1)返回至光纤耦合器(2)并通过光纤耦合器(2)传输至光电转换器(5)中，光电转换器(5)产生模拟信号并传输至信号处理模块(6)中进行数据处理。
如图2所示，为本发明提供一种基于超声波检测电压的光纤传感装置及实现方法的传感单元结构图，传感单元(3)中单模光纤(3-1)插入玻璃插芯(3-2)中，玻璃插芯(3-2)、硅环(3-3)、石英膜片(3-4)、石墨烯(3-5)、金膜(3-6)依次叠放并粘结并封装后构成传感单元(3)，传感单元(3)中由石英膜片(3-4)的内表面、单模光纤(3-1)端面、硅环(3-3)和空气为空气法珀腔，检测超声波检测的变化；当光传输到单模光纤(3-1)中时，光在石英膜片(3-4)的内表面产生反射和透射，由于硅环(3-3)的作用，空气法珀腔发生变化，反射光的光程发生变化形成干涉，产生干涉光谱，石英膜片(3-4)的内表面产生的透射光，在石英膜片(3-4)中产生反射光，进而测量电压。
如图3所示，为本发明提供一种基于超声波检测电压的光纤传感装置及实现方法的超声波转换装置细节图。超声波转换装置(4)包括外壳(4-1)、谐振子(4-2)、变幅杆(4-3)、电极片(4-4)、压电晶体(4-5)，电极片(4-4)分别接电源的正负极，通过加不同的电压在电极片(4-4)上，使压电晶体(4-5)厚度发生变化，伸缩转换造成的振动通过变幅杆(4-3)的聚能作用将振动放大，转移到谐振子(4-2)发出超声波。
如图4所示，为本发明提供一种基于超声波检测电压的光纤传感装置及实现方法的信号处理模块细节图。信号处理模块(6)由光电转换器(5)产生的模拟信号进入信号处理模块(6)中，通过信号处理模块(6)中的A/D模块(6-1)进行模拟信号与数字信号的转换，将其输出的数字信号输入到数据缓冲模块(6-2)进行数字信号的缓存，之后信号经过IIC串口(6-3)传输到主机(6-4)，并在主机(6-4)中显示数据。实现主机(6-4)输出，进行实时监测。

Claims (6)

1.一种基于超声波检测电压的光纤传感装置及实现方法，其特征在于：它包括ASE光源(1)、光纤耦合器(2)、传感单元(3)、超声波转换装置(4)、光电转换器(5)、信号处理模块(6)；
所述传感单元(3)包括单模光纤(3-1)、玻璃插芯(3-2)、硅环(3-3)、石英膜片(3-4)、石墨烯(3-5)、金膜(3-6)其中：
单模光纤(3-1)和硅环(3-3)内表面形成空气法珀腔，并且此空气法珀腔的腔长约为26μm，硅环(3-3)自身构成硅法珀腔，硅法珀腔的腔长为石英膜片(3-4)的高度40μm；
硅环(3-3)使用紫外切割机切割单晶硅片切割而成；
石英膜片(3-4)是由(NH4)2SiF6净化液置于水浴锅中，搅拌加热至一定温度，加氟硅酸氨溶液和26wt％的氨水，到达反应终点时加入氨水，搅拌下陈化，过滤，滤液备用，滤饼用超纯水多次洗涤，将滤饼加入适量超纯水，升温至85℃热洗0.6h，趁热固液分离，滤饼120℃干燥2.5h，煅烧得二氧化硅，将二氧化硅放置于马弗炉中进行1310℃煅烧并保温3h使之晶化，对晶体切割则得到石英膜片；
石墨烯(3-5)采用液相剥离法制备，将天然石墨，硫酸，重铬酸钾按质量比为1.5：3：0.2均匀混合，在100℃水浴中充分反应，随后反应液加离子水洗涤、过滤，50℃烘干，将烘干粉末经过1200℃膨化处理10s，随后将其放入N-甲基吡铬烷酮溶剂中，低速搅拌充分混合，将悬浮液经过高压均质装置进行剥离，压力为80MPa，循环8次得到石墨烯溶液，将其冷冻干燥加压制成石墨烯薄片；
金膜(3-6)是通过电子束蒸发的方法获取，选择标准的硅片作为生长的基底，在硅片上涂抹光刻胶，采用电子束蒸发的方法在光刻胶上生长厚度为200nm的金膜，然后将金膜样品与传感装置粘连，并放置于盛有99.7％浓度分析纯的丙酮溶液中，静置13h后，光刻胶被腐蚀，金膜与硅片基底的彻底分离，镀膜完成；
传感单元(3)中单模光纤(3-1)插入玻璃插芯(3-2)中，玻璃插芯(3-2)、硅环(3-3)、石英膜片(3-4)、石墨烯(3-5)、金膜(3-6)依次叠放并粘结并封装后构成传感单元(3)；
传感单元(3)的具体制备过程包括部件的尺寸选择、部件的分割、部件的放置位置、部件的封装；
其中：部件的尺寸选择包括选择石英膜片(3-4)的厚度为61μm、直径为4mm的圆形膜片，硅环(3-3)外径3mm、内径2mm、厚度为40μm；
部件的分割包括对硅环(3-3)的切割和石英膜片(3-3)的切割，首先在硅环(3-3)的单晶硅中切割外径为3mm、内径为2mm、厚度为40μm的圆环，在厚度为22μm的两面抛光的石英膜片上切割出直径为5mm的石英膜片；
部件的放置位置包括将石英膜片(3-4)和硅环(3-3)按顺序叠放在高温加热台上，将外径为3mm的玻璃插芯(3-2)放置在硅环(3-3)上面，将玻璃插芯(3-2)与硅环(3-3)和石英膜片(3-4)、石墨烯(3-5)的中心对齐；
部件的封装包括使用粘结剂将玻璃插芯(3-2)、硅环(3-3)、石英膜片(3-4)石墨烯(3-5)密封，之后将切割平整的单模光纤(3-1)插入玻璃插芯(3-2)的合适位置，使用紫外胶进行预固定，之后再用环氧树脂进行完全的固定，静置48小时；
传感单元(3)中硅环(3-3)使用的材料为单晶硅，利用紫外切割机切割而成。
2.一种基于超声波检测电压的光纤传感装置及实现方法，其特征在于：
ASE光源(1)发出光束传输至光纤耦合器(2)，光纤耦合器(2)输出光束传输至传感单元(3)，光束在传感单元(3)中进行反射和透射，当传感单元(3)放置在超声波转换装置(4)中时，传感单元(3)中的金膜(3-6)、石墨烯(3-5)、石英膜片(3-4)发生形变，使硅环(3-3)产生相应的变化，空气法珀腔转换变化，影响反射光的光程，进而产生光的干涉，干涉光通过单模光纤(3-1)返回至光纤耦合器(2)并通过光纤耦合器(2)传输至光电转换器(5)中，光电转换器(5)产生模拟信号并传输至信号处理模块(6)中进行数据处理。
3.根据权利要求2所述的一种基于超声波检测电压的光纤传感装置及实现方法，其特征在于：
所述ASE光源(1)为宽带光源，中心波长为1550nm用于产生光信号。
4.根据权利要求2所述的一种基于超声波检测电压的光纤传感装置及实现方法，其特征在于：
所述超声波转换装置(4)包括外壳(4-1)、谐振子(4-2)、变幅杆(4-3)、电极片(4-4)、压电晶体(4-5)，电极片(4-4)分别接电源的正负极，通过加不同的电压在电极片(4-4)上，使压电晶体(4-5)厚度发生变化，伸缩转换造成的振动通过变幅杆(4-3)的聚能作用将振动放大，转移到谐振子(4-2)发出超声波。
5.根据权利要求2所述的一种基于超声波检测电压的光纤传感装置及实现方法，其特征在于：
所述信号处理模块(6)包括A/D模块(6-1)、数据缓冲模块(6-2)、IIC串口(6-3)、主机(6-4)依次相连。
6.根据权利要求2所述的一种基于超声波检测电压的光纤传感装置及实现方法，其特征在于：所述的信号处理模块(6)由光电转换器(5)产生的模拟信号进入信号处理模块(6)中，通过信号处理模块(6)中的A/D模块(6-1)进行模拟信号与数字信号的转换，将其输出的数字信号输入到数据缓冲模块(6-2)进行数字信号的缓存，之后信号经过IIC串口(6-3)传输到主机(6-4)，并在主机(6-4)中显示数据。
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