CN112945860A - 一种膜片式开腔fp干涉光纤声波传感器及其制作方法 - Google Patents

一种膜片式开腔fp干涉光纤声波传感器及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种膜片式开腔FP干涉光纤声波传感器及其制作方法,所述传感器包括：光纤、套管、微孔膜；所述套管的轴向方向上设有通孔，所述光纤插接在所述通孔内，所述套管的一端设有凹坑，所述微孔膜设于所述套管设有凹坑的一端的端面上，所述微孔膜上设有若干个微孔；所述光纤外表面涂覆有光学紫外胶。本发明制作过程简单、快捷、绿色环保，能够有效消除背景压力引起的传感系统工作点漂移的问题、以及由于密闭FP腔内残留空气热膨胀引起的温度‑压力交叉敏感问题，提高了光纤传感头的稳定性、可靠性。

Description

一种膜片式开腔FP干涉光纤声波传感器及其制作方法
技术领域
本发明涉及声波传感器技术领域，特别是涉及一种膜片式开腔FP干涉光纤声波传感器及其制作方法。
背景技术
光纤传感器具有电绝缘、抗电磁干扰、灵敏度高、耐高温耐腐蚀、传感器端无源，本质安全，无需信号转换和放大器即可远距离传输，以及体积小、重量轻，因而在通信、土木工程、石油化工、航空航天等领域都有广泛的应用前景，膜片式法布里-珀罗干涉光纤压力传感器因为膜片可以感知非常微小的压力因而在低压环境具有巨大的应用潜力。近年来，随着这种膜片式光纤传感器的深入研究和应用，在液位、大坝渗压等领域已经开始应用，但是在诸如声波等动态压力信号监测领域，由于受到背景压力对信号测量的影响因而受到较大限制，同时也吸引科研人员在这方面的研究，成为人们的一个关注点。
对于动态压力信号的监测，当外界环境(温度、压力等)产生微小波动时，传感器FP(Fabry-Pero，法布里-珀罗)腔的腔长将发生相应的变化，此时传感器的O点(工作点)对应地发生漂移。因此，为了获得最大灵敏度以及线性响应、条纹变化方向不模糊，要求在实际应用时O点位置保持在线性区间的中点上，否则会造成传感器测量误差的增加、灵敏度下降、输出信号失真、性能下降甚至是条纹变化方向模糊而失效等，因此，传感器在实际应用中必须要保证O点不随环境因素(缓慢变化的压力波动、温度变化等因素)发生漂移，这是FP干涉光纤压力传感器测量动态信号时的关键问题。
因此，有必要提供一种膜片式开腔FP干涉光纤声波传感器及其制作方法以解决O点漂移的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种膜片式开腔FP干涉光纤声波传感器及其制作方法，以解决现有技术中存在的技术问题，制作过程简单、快捷、绿色环保，能够有效消除背景压力引起的传感系统工作点漂移的问题、以及由于密闭FP腔内残留空气热膨胀引起的温度-压力交叉敏感问题，提高了光纤传感头的稳定性、可靠性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种膜片式开腔FP干涉光纤声波传感器，包括：光纤、套管、微孔膜；所述套管的轴向方向上设有通孔，所述光纤插接在所述通孔内，所述套管的一端设有凹坑，所述微孔膜设于所述套管设有凹坑的一端的端面上，所述微孔膜上设有若干个微孔；所述光纤外表面涂覆有光学紫外胶。
优选地，所述套管采用熔石英玻璃套管。
优选地，所述微孔膜采用壳聚糖微孔膜。
优选地，所述凹坑的内径所对应的微孔膜区域内，微孔的数量不大于两个；所述凹坑的中心位置所对应的微孔膜上不存在微孔。
本发明还提供一种膜片式开腔FP干涉光纤声波传感器的制作方法，包括如下步骤：
S1、获取一端设有凹坑的套管，并对所述套管进行磨砂抛光以及清洗处理；
S2、基于壳聚糖与醋酸溶液制备预设浓度的壳聚糖溶液；
S3、获取预设颗粒大小的海藻酸钠；
S4、基于步骤S2中制备好的壳聚糖溶液以及步骤S3中获取的不同颗粒大小的海藻酸钠，制备壳聚糖-海藻酸钠混合溶液，并对所述壳聚糖-海藻酸钠混合溶液进行烘干处理，得到壳聚糖-海藻酸钠薄膜；
S5、对所述壳聚糖-海藻酸钠薄膜进行处理后，溶出所述壳聚糖-海藻酸钠薄膜中的海藻酸钠颗粒，得到壳聚糖微孔膜；
S6、在所述套管设有凹坑一端的端面上涂覆一层经戊二醛交联的壳聚糖溶液，并将制备好的壳聚糖微孔膜粘接于所述套管设有凹坑一端的端面上；
S7、根据预设传感器FP腔的腔长，将光纤表面涂覆一层光学紫外胶，将涂覆有光学紫外胶的光纤插接到所述套管的通孔中，并进行固化处理，形成膜片式开腔FP干涉光纤声波传感器。
优选地，所述步骤S1中，所述套管设有凹坑一端的端面与所述套管的垂直误差不大于0.5°。
优选地，所述步骤S2中，预设浓度的壳聚糖溶液的制备方法包括：
称取0.75-3g壳聚糖，并将其溶解于50-200ml浓度为2％-5％的醋酸溶液中，同时加入2-5滴除泡剂，然后在室温下进行磁力搅拌，直到壳聚糖完全溶解，配制成浓度为1％-3％的壳聚糖溶液。
优选地，所述步骤S3中，所述海藻酸钠的尺寸为60-100目或30-60目。
优选地，所述步骤S4中，壳聚糖-海藻酸钠薄膜的制备方法包括：
量取预设剂量的壳聚糖溶液至烧杯，并按照预设质量比称取海藻酸钠；搅拌烧杯中的壳聚糖溶液的同时撒入所述海藻酸钠，使所述海藻酸钠的颗粒之间不粘连，得到配置好的壳聚糖-海藻酸钠混合溶液；将配置好的壳聚糖-海藻酸钠混合溶液导入培养皿，并进行烘干处理，得到壳聚糖-海藻酸钠薄膜。
优选地，所述步骤S5包括：将预设浓度的NaOH溶液加入到烘干后的壳聚糖-海藻酸钠薄膜的培养皿内，然后将所述壳聚糖-海藻酸钠薄膜取出并使用去离子水浸泡冲洗至中性，再放入沸水中热处理后，震荡所述壳聚糖-海藻酸钠薄膜，使海藻酸钠颗粒溶出，得到制备好的壳聚糖微孔膜。
本发明公开了以下技术效果：
(1)本发明所述声波传感器的整个制作过程中无需化学腐蚀工艺，绿色环保，制作过程简单、快捷；
(2)本发明通过开腔结构以及套管一端的薄膜上所制备的微孔，能够有效消除背景压力引起的传感系统工作点漂移的问题、以及由于密闭FP腔内残留空气热膨胀引起的温度-压力交叉敏感问题；同时，当外界动态压力变化作用于微孔膜时，引起法布里-珀罗腔的腔长变化，从而导致传感器输出信号的变化，同时，由于微孔膜上排气孔的存在，静态或缓慢变化的背景压力作用于膜片时，对膜片的形变没有贡献，因此不会引起传感器输出信号的变化，有效提高了光纤传感头的稳定性、可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明膜片式开腔FP干涉光纤声波传感器结构示意图；
图2为本发明膜片式开腔FP干涉光纤声波传感器制备方法流程图；
图3为本发明实施例中微孔膜上的微孔示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1所示，本实施例提供一种膜片式开腔FP干涉光纤声波传感器，包括：光纤、套管、微孔膜；所述套管的轴向方向上设有通孔，所述光纤插接在所述通孔内，所述套管的一端设有凹坑，所述微孔膜设于所述套管设有凹坑的一端的端面上，所述微孔膜上设有若干个微孔；所述光纤外表面涂覆有光学紫外胶。
其中，所述套管采用熔石英玻璃套管。
所述微孔膜由高分子材料制备而成，所述高分子材料对熔石英玻璃套管的端面粘性强，使传感器稳定、可靠。本实施例中，所述微孔膜采用壳聚糖微孔膜。
所述微孔膜上设有若干个微米量级直径的微孔，用作FP腔的排气孔，平衡FP腔内外的静态背景压力以及环境温度变化引起的腔内外压力差，但是对动态的声波信号压力不会产生影响。所述凹坑的内径所对应的微孔膜区域内，微孔的数量不大于两个；所述凹坑的中心位置(即以凹坑的中心为圆心，直径为0.05-0.15毫米的圆形区域内)所对应的微孔膜上不存在微孔。
参照图2所示，本发明所述膜片式开腔FP干涉光纤声波传感器的制备方法包括如下步骤：
S1、获取一端设有凹坑的套管，并对所述套管进行磨砂抛光以及清洗处理；
所述套管的外直径为0.75-3mm、长度6-8mm，凹坑为锥形凹坑，凹坑的最大深度为0.5-1.5mm；所述套管采用熔石英玻璃套管。
利用光线磨砂抛光机对所述套管设有凹坑一端的端面进行磨砂抛光处理，使所述端面与所述套管的垂直误差不大于0.5°；然后置于酒精溶液中超声波清洗2-5分钟，重复清洗2-3遍，随之100℃烘干1-2小时最后使用无水酒精将加工好的端面擦拭干净备用。
S2、基于壳聚糖与醋酸溶液制备预设浓度的壳聚糖溶液；具体包括：
称取0.75-3g壳聚糖，并将其溶解于50-200ml浓度为2％-5％的醋酸溶液中，同时加入2-5滴除泡剂，然后在室温下磁力搅拌3-5小时，直到壳聚糖完全溶解，配制成浓度为1％-3％的壳聚糖溶液，配制完成后静置，待没有气泡后备用；其中，浓度为2％-5％的醋酸溶液采用蒸馏水与36％的醋酸溶液进行配置。
S3、获取预设颗粒大小的海藻酸钠；
所述海藻酸钠的尺寸为60-100目(即海藻酸钠颗粒直径约250-150μm)或30-60目(即海藻酸钠颗粒直径约550-250μm)。
S4、基于步骤S2中制备好的壳聚糖溶液以及步骤S3中获取的不同颗粒大小的海藻酸钠，制备壳聚糖-海藻酸钠混合溶液，并对所述壳聚糖-海藻酸钠混合溶液进行烘干处理，得到壳聚糖-海藻酸钠薄膜；具体包括：
首先，量取10ml配制好的壳聚糖溶液(即含0.15g壳聚糖)至烧杯，将步骤S3中筛选出来的各种目数的海藻酸钠，按照壳聚糖与海藻酸钠10:2-10:4的质量比例称取相应重量的海藻酸钠；
其次，搅拌烧杯中的壳聚糖溶液，同时往里缓慢、均匀地撒入所选定目数的海藻酸钠，使其颗粒不粘连、在壳聚糖溶液中分布均匀，得到配置好的壳聚糖-海藻酸钠混合溶液；
再次，将配置好的壳聚糖-海藻酸钠混合溶液导入培养皿，待溶液无气泡且厚度均匀时放入干燥器皿中持续干燥24小时，或者放入红外干燥箱中50℃持续烘干5小时，得到壳聚糖-海藻酸钠薄膜。
S5、对所述壳聚糖-海藻酸钠薄膜进行处理后，溶出所述壳聚糖-海藻酸钠薄膜中的海藻酸钠颗粒，得到壳聚糖微孔膜；具体包括：
将3-6％的NaOH溶液加入到烘干后的壳聚糖-海藻酸钠薄膜的培养皿内，中和薄膜中过量的醋酸；然后将薄膜取出并使用去离子水反复浸泡冲洗至中性，再放入沸水中热处理4小时，并震荡壳聚糖-海藻酸钠薄膜，使海藻酸钠颗粒溶出，得到制备好的壳聚糖微孔膜；最后将制备好的壳聚糖微孔膜放入红外干燥箱中30℃干燥3小时后取出保存备用。
为了确保传感器的有效，微孔孔径不能太大，即海藻酸钠的颗粒直径不宜过大，否则动态压力信号可能能够快速平衡FP腔的腔内外压力，无法对动态信号有效测量；另外，海藻酸钠的颗粒直径也不能太小，否则薄膜厚度稍微厚一点就可能将海藻酸钠颗粒包裹在薄膜内部，被包裹完整的海藻酸钠不能在热水中将其洗脱出来，从而不能形成所需要的微孔。
S6、在所述套管设有凹坑一端的端面上涂覆一层经戊二醛交联的壳聚糖溶液，并将制备好的壳聚糖微孔膜粘接于所述套管设有凹坑一端的端面上；具体包括：
在锥形凹坑端面上涂上一层很薄的经戊二醛交联的壳聚糖溶液，然后迅速将微孔膜置于锥形凹坑端面并将其紧压约10-15分钟，并将粘接有微孔膜的套管移至红外干燥箱中50℃持续干燥5小时。
由于薄膜内表面的圆心区域需要对光纤的出射光束进行反射，因此，微孔位置远离锥形凹坑内径平面的中心位置，并且在凹坑内径平面上最多只有两个微孔，如图3所示。
S7、根据预设传感器FP腔的腔长，将光纤表面涂覆一层光学紫外胶，将涂覆有光学紫外胶的光纤插接到所述套管的通孔中，并进行固化处理，形成膜片式开腔FP干涉光纤声波传感器；
其中，FP腔的腔长根据实际环境的使用需求或者实验需求进行设定；将涂覆有光学紫外胶的光纤插接到所述套管的通孔的过程中，光纤达到预设腔长时停止插入光纤，通过高温固化将光纤固定到熔石英玻璃套管的通孔内；本实施例中，采用传感信号解调装置sm125来判断光纤是否达到预设腔长。另外，高温固化通过UV光辐射来实现；具体为：将UV灯设置在距离所述套管5-20厘米的位置，照射1-2小时，将光纤固定到熔石英玻璃套管的通孔内。
本发明膜片式开腔FP干涉光纤声波传感器的工作原理如下：
首先，本发明通过开腔结构确保FP腔内外的压力平衡，从而使得传感器的O点不会因为环境压力的微小波动而发生漂移；开腔式的FP腔也保证了环境温度升高时FP腔内的残留空气不会因为热膨胀而向外挤压膜片，从而消除了残留空气热膨胀引起的温度压力交叉敏感性，也消除了残留空气热膨胀向外挤压膜片引起腔长变化而导致的工作点漂移。
其次，本发明在套管一端的薄膜上制备微孔，微孔对氧气等空气粒子提供较好的透过率，当空气通过微孔进入FP腔使得膜片两侧(即FP腔的腔内腔外)的压力达到平衡时，膜片的变形量最小，腔长恢复到原始腔长，因此，通过壳聚糖微孔膜能源有效消除背景压力引起的传感系统工作点漂移的问题、以及由于密闭FP腔内残留空气热膨胀引起的温度-压力交叉敏感问题。
本发明具有如下有益效果：
本发明所述声波传感器的整个制作过程中无需化学腐蚀工艺，绿色环保，制作过程简单、快捷；另外，本发明通过开腔结构以及套管一端的薄膜上所制备的微孔，能源有效消除背景压力引起的传感系统工作点漂移的问题、以及由于密闭FP腔内残留空气热膨胀引起的温度-压力交叉敏感问题；同时，当外界动态压力变化作用于微孔膜时，引起法布里-珀罗腔的腔长变化，从而导致传感器输出信号的变化，同时，由于微孔膜上排气孔的存在，静态或缓慢变化的背景压力作用于膜片时，对膜片的形变没有贡献，因此不会引起传感器输出信号的变化，有效提高了光纤传感头的稳定性、可靠性。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种膜片式开腔FP干涉光纤声波传感器，其特征在于，包括：光纤、套管、微孔膜；所述套管的轴向方向上设有通孔，所述光纤插接在所述通孔内，所述套管的一端设有凹坑，所述微孔膜设于所述套管设有凹坑的一端的端面上，所述微孔膜上设有若干个微孔；所述光纤外表面涂覆有光学紫外胶。
2.根据权利要求1所述的膜片式开腔FP干涉光纤声波传感器，其特征在于，所述套管采用熔石英玻璃套管。
3.根据权利要求1所述的膜片式开腔FP干涉光纤声波传感器，其特征在于，所述微孔膜采用壳聚糖微孔膜。
4.根据权利要求3所述的膜片式开腔FP干涉光纤声波传感器，其特征在于，所述凹坑的内径所对应的微孔膜区域内，微孔的数量不大于两个；所述凹坑的中心位置所对应的微孔膜上不存在微孔。
5.根据权利要求4所述的膜片式开腔FP干涉光纤声波传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、获取一端设有凹坑的套管，并对所述套管进行磨砂抛光以及清洗处理；
S2、基于壳聚糖与醋酸溶液制备预设浓度的壳聚糖溶液；
S3、获取预设颗粒大小的海藻酸钠；
S4、基于步骤S2中制备好的壳聚糖溶液以及步骤S3中获取的不同颗粒大小的海藻酸钠，制备壳聚糖-海藻酸钠混合溶液，并对所述壳聚糖-海藻酸钠混合溶液进行烘干处理，得到壳聚糖-海藻酸钠薄膜；
S5、对所述壳聚糖-海藻酸钠薄膜进行处理后，溶出所述壳聚糖-海藻酸钠薄膜中的海藻酸钠颗粒，得到壳聚糖微孔膜；
S6、在所述套管设有凹坑一端的端面上涂覆一层经戊二醛交联的壳聚糖溶液，并将制备好的壳聚糖微孔膜粘接于所述套管设有凹坑一端的端面上；
S7、根据预设传感器FP腔的腔长，将光纤表面涂覆一层光学紫外胶，将涂覆有光学紫外胶的光纤插接到所述套管的通孔中，并进行固化处理，形成膜片式开腔FP干涉光纤声波传感器。
6.根据权利要求5所述的膜片式开腔FP干涉光纤声波传感器的制作方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述套管设有凹坑一端的端面与所述套管的垂直误差不大于0.5°。
7.根据权利要求5所述的膜片式开腔FP干涉光纤声波传感器的制作方法，其特征在于，所述步骤S2中，预设浓度的壳聚糖溶液的制备方法包括：
称取0.75-3g壳聚糖，并将其溶解于50-200ml浓度为2％-5％的醋酸溶液中，同时加入2-5滴除泡剂，然后在室温下进行磁力搅拌，直到壳聚糖完全溶解，配制成浓度为1％-3％的壳聚糖溶液。
8.根据权利要求5所述的膜片式开腔FP干涉光纤声波传感器的制作方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述海藻酸钠的尺寸为60-100目或30-60目。
9.根据权利要求5所述的膜片式开腔FP干涉光纤声波传感器的制作方法，其特征在于，所述步骤S4中，壳聚糖-海藻酸钠薄膜的制备方法包括：
量取预设剂量的壳聚糖溶液至烧杯，并按照预设质量比称取海藻酸钠；搅拌烧杯中的壳聚糖溶液的同时撒入所述海藻酸钠，使所述海藻酸钠的颗粒之间不粘连，得到配置好的壳聚糖-海藻酸钠混合溶液；将配置好的壳聚糖-海藻酸钠混合溶液导入培养皿，并进行烘干处理，得到壳聚糖-海藻酸钠薄膜。
10.根据权利要求9所述的膜片式开腔FP干涉光纤声波传感器的制作方法，其特征在于，所述步骤S5包括：将预设浓度的NaOH溶液加入到烘干后的壳聚糖-海藻酸钠薄膜的培养皿内，然后将所述壳聚糖-海藻酸钠薄膜取出并使用去离子水浸泡冲洗至中性，再放入沸水中热处理后，震荡所述壳聚糖-海藻酸钠薄膜，使海藻酸钠颗粒溶出，得到制备好的壳聚糖微孔膜。
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