CN114414134A - 一种基于聚二甲基硅氧烷膜和游标效应增敏的光纤液压传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于聚二甲基硅氧烷膜和游标效应增敏的光纤液压传感器，属于液体压强测量技术领域。本发明结合单模光纤、多模光纤、悬浮芯光纤及石英管的特性设计了高集成度混合干涉仪(即迈克尔逊干涉仪以及法布里‑珀罗干涉仪)结构的传感头，所述石英管末端设置有PDMS膜，其具有良好的弹性和疏水性，可以实现液压变化的准确测量，且灵敏度高；同时，本发明所述传感头的高集成度设计所形成的两个干涉仪具有高集成度的级联结构，其中，法布里‑珀罗干涉仪作为传感干涉仪，迈克尔逊干涉仪作为参考干涉仪，能够实现游标效应增敏，将光纤液压传感器的灵敏度进一步提高一到两个数量级。

Description

一种基于聚二甲基硅氧烷膜和游标效应增敏的光纤液压传 感器

技术领域

本发明涉及液体压强测量技术领域，尤其涉及一种基于聚二甲基硅氧烷膜和游标效应增敏的光纤液压传感器。

背景技术

液压是深海探测、生物诊断以及环境监测等领域的重要物理参量，其变化的准确测量对上述领域至关重要。光纤液压传感器作为一种新型液压传感器，其传输功率损耗小，且可实现远距离测量，相较于电子液压传感器，光纤液压传感器抗电磁干扰，在恶劣环境下具有较强的优势。鉴于上述独特的优势，光纤液压传感器近年来发展迅速，备受研究者们关注。

目前常见的光纤液压传感器多数应用光纤光栅，其灵敏度约为0.5nm/MPa(高宇飞，刘超，牟海维；基于平膜片和悬臂梁的光纤光栅压力响应特性研究；光学仪器，2014，4：333-336)。现有技术中有报道基于石英膜的光纤液压传感器(Huang W,Zhang Z,He J,etal.Nonlinear Hydraulic Pressure Response of an Improved Fiber TipInterferometric High-Pressure Sensor.Sensors,2020,20(9):2548)，即在石英管的末端设置石英膜，以此形成法布里-珀罗干涉仪，该光纤液压传感器与基于光纤光栅的光纤液压传感器相比，灵敏度有一定程度的提高，为1.5nm/MPa，但仍无法满足一些高精度液压检测领域的需求。因此，设计一种液压传感器实现高灵敏度液压测量十分必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于聚二甲基硅氧烷膜和游标效应增敏的光纤液压传感器。本发明提供的光纤液压传感器通过设置聚二甲基硅氧烷膜以及形成游标效应增敏，能够实现高灵敏度液压测量。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种基于聚二甲基硅氧烷膜和游标效应增敏的光纤液压传感器，包括宽带光源、环形器、传感头和光谱分析仪；

所述环形器沿周向顺次设置有第一端口、第二端口和第三端口，所述宽带光源与所述第一端口连接，所述传感头与所述第二端口连接，所述光谱分析仪与所述第三端口连接；

所述传感头包括顺次熔接的单模光纤、多模光纤、悬浮芯光纤和石英管，所述石英管未熔接有悬浮芯光纤的一端的末端设置有聚二甲基硅氧烷膜；其中，所述传感头中靠近单模光纤的一端与所述第二端口连接。

优选地，所述单模光纤的内直径为8～9微米，外直径为125微米。

优选地，所述多模光纤的长度为150～200微米，内直径为60微米，外直径为125微米。

优选地，所述悬浮芯光纤包括包层、设置在所述包层中心位置的气体通孔以及内切于所述气体通孔的纤芯。

优选地，所述悬浮芯光纤的外直径为125微米，长度为150～200微米。

优选地，所述气体通孔的直径为40微米。

优选地，所述纤芯的直径为8～9微米。

优选地，所述石英管的内部纤芯为空气；所述石英管的长度为所述悬浮芯光纤长度的60％，所述石英管的内直径为50微米，外直径为125微米。

优选地，所述聚二甲基硅氧烷膜的厚度为10～20微米。

优选地，所述多模光纤与悬浮芯光纤的熔接面为反射面I，所述悬浮芯光纤与石英管的熔接面为反射面II，所述石英管中空气与聚二甲基硅氧烷膜的临界面为反射面III；其中，所述反射面I与反射面II构成迈克尔逊干涉仪，所述反射面I与反射面III构成法布里-珀罗干涉仪；

其中，所述传感头的反射光谱包络的平移量为：

Δλ_Envelope＝M·Δλ_FPI；

所述Δλ_Envelope为反射光谱包络的平移量，M为包络的放大因子，Δλ_FPI为法布里-珀罗干涉仪反射光谱平移量。

本发明提供了一种基于聚二甲基硅氧烷膜和游标效应增敏的光纤液压传感器，包括宽带光源、环形器、传感头和光谱分析仪；所述环形器沿周向顺次设置有第一端口、第二端口和第三端口，所述宽带光源与所述第一端口连接，所述传感头与所述第二端口连接，所述光谱分析仪与所述第三端口连接；所述传感头包括顺次熔接的单模光纤、多模光纤、悬浮芯光纤和石英管，所述石英管未熔接有悬浮芯光纤的一端的末端设置有聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜；其中，所述传感头中靠近单模光纤的一端与所述第二端口连接。本发明结合单模光纤、多模光纤、悬浮芯光纤及石英管的特性设计了高集成度混合干涉仪(即迈克尔逊干涉仪以及法布里-珀罗干涉仪)结构的传感头，所述石英管末端设置有PDMS膜，其具有良好的弹性和疏水性，可以实现液压变化的准确测量，且灵敏度高；同时，本发明所述传感头的高集成度设计所形成的两个干涉仪具有高集成度的级联结构，其中，法布里-珀罗干涉仪作为传感干涉仪，迈克尔逊干涉仪作为参考干涉仪，能够实现游标效应增敏，通过测量反射光谱包络的平移量来提高对环境液压变化检测的灵敏度(M倍，其为包络的放大因子，其数值范围通常为2～20，即能够将光纤液压传感器的灵敏度进一步提高一到两个数量级)。本发明提供的光纤液压传感器集成度高、灵敏度高、结构稳定，可用于高精度环境液压检测。

附图说明

图1为本发明中基于PDMS膜和游标效应增敏的光纤液压传感器的结构示意图；

图2为本发明中传感头的结构示意图；

图3为本发明中悬浮芯光纤的结构示意图；

图4为实施例1中传感头的反射光谱包络图；

图5为实施例1中反射光谱随环境液压改变的变化情况图，其中,(a)法布里-珀罗干涉仪；(b)迈克尔逊干涉仪；(c)传感头。

具体实施方式

本发明提供了一种基于聚二甲基硅氧烷膜和游标效应增敏的光纤液压传感器，包括宽带光源、环形器、传感头和光谱分析仪；

所述环形器沿周向顺次设置有第一端口、第二端口和第三端口，所述宽带光源与所述第一端口连接，所述传感头与所述第二端口连接，所述光谱分析仪与所述第三端口连接；

所述传感头包括顺次熔接的单模光纤、多模光纤、悬浮芯光纤和石英管，所述石英管未熔接有悬浮芯光纤的一端的末端设置有聚二甲基硅氧烷膜；其中，所述传感头中靠近单模光纤的一端与所述第二端口连接。

如图1所示，本发明提供的光纤液压传感器包括宽带光源、环形器、传感头和光谱分析仪；所述环形器沿周向顺次设置有第一端口、第二端口和第三端口，所述宽带光源与所述第一端口连接，所述传感头与所述第二端口连接，所述光谱分析仪与所述第三端口连接。本发明通过所述宽带光源发出宽普光作为探测光，通过所述传感头实现对环境液压变化的检测，通过所述光谱分析仪接收并显示所述传感头的反射光谱。在本发明中，所述探测光的光学路径为：探测光由所述宽带光源发出，通过所述第一端口进入环形器，经过环形器后从所述第二端口进入传感头，经所述传感头反射回的反射光再次通过所述第二端口回到环形器，并经所述第三端口进入光谱分析仪。

在本发明中，如图2所示，所述传感头包括顺次熔接的单模光纤、多模光纤、悬浮芯光纤和石英管，所述石英管未熔接有悬浮芯光纤的一端的末端设置有聚二甲基硅氧烷膜；其中，所述传感头中靠近单模光纤的一端与所述第二端口连接。

在本发明中，所述单模光纤的内直径优选为8～9微米，外直径优选为125微米；所述单模光纤主要作用为传输光信号，本发明对其长度没有特殊限定，其长度理论上可以无限延长，从而实现远距离测量。在本发明中，所述多模光纤的长度优选为150～200微米，内直径优选为60微米，外直径优选为125微米。在本发明中，所述悬浮芯光纤的外直径优选为125微米，长度优选为150～200微米。在本发明中，如图3所示，所述悬浮芯光纤优选包括包层、设置在所述包层中心位置的气体通孔(即气孔)以及内切于所述气体通孔的纤芯。本发明对所述纤芯在气体通孔中的具体位置没有特殊限定，保证内切于所述气体通孔即可。在本发明中，所述包层的材质优选为石英，制备所述包层采用的石英的折射率优选为1.445。在本发明中，所述纤芯的直径优选为8～9微米；所述纤芯的材质优选为石英，制备所述纤芯采用的石英的折射率优选为1.464。在本发明中，所述气体通孔的直径优选为40微米。

在本发明中，所述石英管的内部纤芯优选为空气；所述石英管的长度优选为所述悬浮芯光纤长度的60％，所述石英管的内直径优选为50微米，外直径优选为125微米。

在本发明中，所述聚二甲基硅氧烷膜的厚度优选为10～20微米。

在本发明中，所述多模光纤与悬浮芯光纤的熔接面为反射面I，所述悬浮芯光纤与石英管的熔接面为反射面II，所述石英管中空气与聚二甲基硅氧烷膜的临界面为反射面III；；其中，所述反射面I与反射面II构成迈克尔逊干涉仪，所述反射面I与反射面III构成法布里-珀罗干涉仪。在本发明中，如图2所示，探测光在所述传感头中的光学路径为：探测光通过单模光纤进入多模光纤，多模光纤起到扩束的作用，将探测光分为多束光；一部分探测光在反射面I处被反射，另一部分进入悬浮芯光纤，分别沿悬浮芯光纤的纤芯和气体通孔继续传输；沿所述纤芯传输的探测光在反射面II处被反射；沿所述气体通孔传输的探测光进入石英管，并在反射面III处被反射；三束反射光经单模光纤传输，并在所述单模光纤中叠加形成总反射光。本发明采用悬浮芯光纤，其中所述纤芯和包层均用于传输探测光，具体来说，所述纤芯用于形成液压传感器的迈克逊干涉仪，所述气体通孔与石英管共同形成液压传感器的法布里-珀罗干涉仪。

在本发明中，所述传感头的反射光谱包络的平移量为：

Δλ_Envelope＝M·Δλ_FPI；

所述Δλ_Envelope为反射光谱包络的平移量，M为包络的放大因子，Δλ_FPI为法布里-珀罗干涉仪反射光谱平移量。

在本发明中，当环境液压改变时，传感头的石英管末端的聚二甲基硅氧烷膜受力发生形变，使所述法布里-珀罗干涉仪腔长发生改变，所述传感头的反射光谱包络随之移动。在本发明中，所述M的取值范围通常为2～20，因此本发明基于法布里-珀罗干涉仪以及迈克尔逊干涉仪能够实现游标效应增敏，使设置有聚二甲基硅氧烷膜的光纤液压传感器的灵敏度进一步提高一到两个数量级。

在本发明中，所述传感头的制备方法优选包括以下步骤：

将单模光纤与多模光纤放入光纤熔接机用单模-多模模式进行第一熔接，之后采用光纤裁刀将所述多模光纤切割至设计的长度，得到第一光纤制件；

将所述第一光纤制件与悬浮芯光纤放入光纤熔接机进行第二熔接，之后采用光纤裁刀将所述悬浮芯光纤纤切割至设计的长度，得到第二光纤制件；所述第二熔接采用低熔接放电和短熔接时间，以防止所述悬浮芯光纤中气体通孔坍塌；

将所述第二光纤制件与石英管放入光纤熔接机进行第三熔接，之后采用光纤裁刀将所述石英管切割至设计的长度，得到第三光纤制件；

将A胶和B胶按照质量比为10：1的比例混合，得到PDMS前驱体；另取单模光纤浸入所述PDMS前驱体中，在所述单模光纤的端面形成PDMS前驱体胶帽，将带有PDMS前驱体胶帽的单模光纤与所述第三光纤制件放入光纤熔接机中，通过控制光纤熔接机的马达推进，使所述PDMS前驱体胶帽中的PDMS前驱体填充至所述第三光纤制件中石英管未熔接有悬浮芯光纤的一端的末端，之后将所得制件进行固化，在所述石英管末端形成PDMS膜，得到传感头。在本发明中，所述A胶和B胶购自道康宁(Dow Corning)，其中，所述A胶具体为Sylgard184-A，所述B胶具体为Sylgard 184-B。

在本发明中，所述PDMS膜的厚度优选通过PDMS前驱体胶帽的厚度以及填充次数来调节，保证得到所需厚度的PDMS膜即可；当需要填充多次时，优选完成所有填充操作后再进行后续固化。在本发明中，所述固化的温度优选为80℃，时间优选为2h。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明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。

实施例1

本实施例中基于PDMS膜和游标效应增敏的光纤液压传感器包括宽带光源、环形器、传感头和光谱分析仪，所述环形器沿周向顺次设置有第一端口、第二端口和第三端口，所述宽带光源与所述第一端口连接，所述传感头与所述第二端口连接，所述光谱分析仪与所述第三端口连接；所述传感头包括顺次熔接的单模光纤、多模光纤、悬浮芯光纤和石英管，所述石英管未熔接有悬浮芯光纤的一端的末端设置有聚二甲基硅氧烷膜，且所述传感头中靠近单模光纤的一端与所述第二端口连接；

其中，所述单模光纤的内直径为8～9微米，外直径为125微米；所述多模光纤的长度为150～200微米，内直径为60微米，外直径为125微米；所述悬浮芯光纤包括包层、设置在所述包层中心位置的气体通孔以及内切于所述气体通孔的纤芯，所述悬浮芯光纤的外直径为125微米，长度为150～200微米，所述气体通孔的直径为40微米，所述纤芯的直径为8～9微米；所述石英管的内部纤芯为空气，所述石英管的长度为所述悬浮芯光纤长度的60％，所述石英管的内直径为50微米，外直径为125微米；所述聚二甲基硅氧烷膜的厚度为10～20微米。

下面对本实施例所述光纤液压传感器的传感机理以及增敏机理进行详细说明。本实施例所述光纤液压传感器中，所述多模光纤与悬浮芯光纤的熔接面为反射面I，所述悬浮芯光纤与石英管的熔接面为反射面II，所述石英管中空气与聚二甲基硅氧烷膜的临界面为反射面III；当探测光进入传感头后，分别经过反射面I、反射面II和反射面III反射，反射面I与反射面II构成迈克尔逊干涉仪；反射面I与反射面III构成法布里-珀罗干涉仪，两干涉仪反射光谱函数如式(1)所示：

其中，A＝R₁ ^1/2；B＝(1-a₁)(1-R₁)R₂ ^1/2；C＝(1-a₂)(1-R₁)R₃ ^1/2；n_air和n_SMF分别为空气和单模光纤纤芯的折射率；L₁为法布里-珀罗干涉仪的腔长；L₂为迈克尔逊干涉仪的腔长；λ为探测光入射波长；a₁为探测光在法布里-珀罗干涉仪中的传输损耗；a₂为探测光在迈克尔逊干涉仪中的传输损耗；R₁、R₂、R₃分别是反射面I、反射面II、反射面III的反射系数。

两干涉仪反射光谱的自由光谱范围如式(2)所示：

当两干涉仪的自由光谱范围接近但不相等时，由于两干涉仪的双重滤波，传感头反射光谱产生周期性的游标干涉条纹，从而产生周期性包络。传感头反射光谱包络如图4所示。

传感头反射光谱包络的自由光谱范围如式(3)所示：

其中，M为包络的放大因子，其数值范围通常为2～20，将式(3)变形可得到式(4)：

当环境液压改变时，传感头末端PDMS膜受力发生形变，导致法布里-珀罗干涉仪腔长发生改变，从而导致法布里-珀罗干涉仪反射光谱移动，所述法布里-珀罗干涉仪反射光谱的波长平移量如式(5)所示：

其中，Δλ_FPI是法布里-珀罗干涉仪反射光谱的波长平移量，ΔL₁是法布里-珀罗干涉仪腔长的变化量。

当环境液压改变时，法布里-珀罗干涉仪反射光谱移动，传感头反射光谱包络随之移动，所述反射光谱包络的平移量Δλ_Envelope如式(6)所示：

由式(6)可知，当法布里-珀罗干涉仪反射光谱随环境液压变化而移动时，传感头反射光谱包络随之移动，且平移量是法布里-珀罗干涉仪反射光谱平移量的M倍。图5为反射光谱随环境液压改变的变化情况图，其中，(a)为法布里-珀罗干涉仪；(b)为迈克尔逊干涉仪；(c)为传感头。由图5可以看出，当环境液压改变时，法布里-珀罗干涉仪反射光谱移动，传感头反射光谱包络随之移动，且传感头反射光谱包络平移量是法布里-珀罗干涉仪反射光谱平移量的M倍。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于聚二甲基硅氧烷膜和游标效应增敏的光纤液压传感器，包括宽带光源、环形器、传感头和光谱分析仪；

所述环形器沿周向顺次设置有第一端口、第二端口和第三端口，所述宽带光源与所述第一端口连接，所述传感头与所述第二端口连接，所述光谱分析仪与所述第三端口连接；

所述传感头包括顺次熔接的单模光纤、多模光纤、悬浮芯光纤和石英管，所述石英管未熔接有悬浮芯光纤的一端的末端设置有聚二甲基硅氧烷膜；其中，所述传感头中靠近单模光纤的一端与所述第二端口连接。

2.根据权利要求1所述的光纤液压传感器，其特征在于，所述单模光纤的内直径为8～9微米，外直径为125微米。

3.根据权利要求1所述的光纤液压传感器，其特征在于，所述多模光纤的长度为150～200微米，内直径为60微米，外直径为125微米。

4.根据权利要求1所述的光纤液压传感器，其特征在于，所述悬浮芯光纤包括包层、设置在所述包层中心位置的气体通孔以及内切于所述气体通孔的纤芯。

5.根据权利要求1或4所述的光纤液压传感器，其特征在于，所述悬浮芯光纤的外直径为125微米，长度为150～200微米。

6.根据权利要求4所述的光纤液压传感器，其特征在于，所述气体通孔的直径为40微米。

7.根据权利要求4所述的光纤液压传感器，其特征在于，所述纤芯的直径为8～9微米。

8.根据权利要求1所述的光纤液压传感器，其特征在于，所述石英管的内部纤芯为空气；所述石英管的长度为所述悬浮芯光纤长度的60％，所述石英管的内直径为50微米，外直径为125微米。

9.根据权利要求1所述的光纤液压传感器，其特征在于，所述聚二甲基硅氧烷膜的厚度为10～20微米。

10.根据权利要求1～9任一项所述的光纤液压传感器，其特征在于，所述多模光纤与悬浮芯光纤的熔接面为反射面I，所述悬浮芯光纤与石英管的熔接面为反射面II，所述石英管中空气与聚二甲基硅氧烷膜的临界面为反射面III；其中，所述反射面I与反射面II构成迈克尔逊干涉仪，所述反射面I与反射面III构成法布里-珀罗干涉仪；

其中，所述传感头的反射光谱包络的平移量为：

Δλ_Envelope＝M·Δλ_FPI；

所述Δλ_Envelope为反射光谱包络的平移量，M为包络的放大因子，Δλ_FPI为法布里-珀罗干涉仪反射光谱平移量。

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