CN115683309A - 一种光纤声波传感探头结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤声波传感探头结构及其制作方法，结构包括：光纤；陶瓷插芯，套设在所述光纤上；毛细管，套设在所述陶瓷插芯上；薄膜，设置在所述毛细管远离所述光纤的一端的端面上；光纤的端面与毛细管以及薄膜之间形成法布里‑珀罗腔；薄膜包括薄膜本体以及设置在薄膜本体上的悬臂梁，悬臂梁与毛细管的端面连接，且薄膜本体、悬臂梁与毛细管的端面形成连通所述法布里‑珀罗腔与外界的通道。本发明通过具有通道的薄膜与毛细管连接，不仅可以实现腔内外气压平衡，不需要在支撑结构中额外设计排气孔，且可以减少薄膜与毛细管的接触面积，使得薄膜在受到声波作用时，可以产生更大的变形量，从提高光纤声波传感器的灵敏度与测量范围。

Description

一种光纤声波传感探头结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及的是一种光纤声波传感探头结构及其制作方法。

背景技术

光纤声波传感器是一种声波测量技术。目前，研究最为广泛的、灵敏度最高的光纤声波传感探头结构为膜片式非本征法布里-珀罗腔结构。在膜片式非本征法布里-珀罗腔结构中，光纤端面反射光和薄膜反射光会形成法布里珀罗干涉。当外界声波作用在膜片上时，薄膜会发生周期性的振动，法布里-珀罗腔长受到外界声波调制，通过检测光纤传感探头处反射回来的干涉光谱信号便可以解调出外界声波信号。

现有膜片式非本征法布里-珀罗腔光纤声波传感器的薄膜的形状大部分为圆形封闭结构。圆形封闭薄膜的缺点在于：1、当薄膜受到外界声波作用时，薄膜的振动造成法布里-珀罗腔腔内体积变化，进而改变腔内气压，需要在支撑结构中额外设计排气孔来平衡法布里-珀罗腔内外的气压差；2、薄膜形变范围受限，导致光纤声波传感器的灵敏度和测量范围较低。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种光纤声波传感探头结构及其制作方法，以解决现有采用圆形封闭结构的薄膜的膜片式非本征法布里-珀罗腔光纤声波传感器需要在支撑结构中额外设计排气孔来平衡法布里-珀罗腔内外的气压差以及薄膜形变范围受限所导致光纤声波传感器的灵敏度和测量范围较低的问题。

本发明的技术方案如下：

一种光纤声波传感探头结构，其包括：

光纤；

陶瓷插芯，所述陶瓷插芯套设在所述光纤上；

毛细管，所述毛细管套设在所述陶瓷插芯上；

薄膜，所述薄膜设置在所述毛细管远离所述光纤的一端的端面上；其中，所述光纤的端面与所述毛细管以及所述薄膜之间形成法布里-珀罗腔；

所述薄膜包括薄膜本体以及设置在所述薄膜本体上的悬臂梁，所述悬臂梁与所述毛细管的端面连接，且所述薄膜本体、所述悬臂梁与所述毛细管的端面形成连通所述法布里-珀罗腔与外界的通道。

本发明的进一步设置，所述悬臂梁上间隔设置有若干沟槽。

本发明的进一步设置，所述薄膜的形状为人字型、工字型、十字形或三角型中的一种。

本发明的进一步设置，所述薄膜的形状为人字型。

本发明的进一步设置，所述光纤包括：

裸纤，所述裸纤穿设在所述陶瓷插芯内，所述光纤的一端面与所述陶瓷插芯的端面平齐，并与所述薄膜相对设置；

涂覆层，所述涂覆层套设在所述裸纤表面。

本发明的进一步设置，所述光纤与所述陶瓷插芯之间，以及所述毛细管与所述陶瓷插芯之间采用紫外光固化胶连接。

本发明的进一步设置，所述薄膜为紫外光固化胶、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、硅胶或不锈钢薄膜中的一种材料制成。

本发明的进一步设置，所述毛细管为不锈钢材料制成。

一种应用于上述所述光纤声波传感探头结构的光纤声波传感探头结构制作方法，其包括：

将所述光纤插入所述陶瓷插芯，并使所述光纤的一端的端面与所述陶瓷插芯的端面平齐，光纤另一端部分伸出所述陶瓷插芯，采用紫外光固化胶对所述光纤与所述陶瓷插芯进行固定；

在所述毛细管的端面制作所述薄膜；

将带有所述薄膜的所述毛细管套设在所述陶瓷插芯上，并采用紫外光固化胶对所述毛细管与所述陶瓷插芯进行固定。

本发明的进一步设置，所述在所述毛细管的端面制作所述薄膜的步骤包括：

对所述毛细管进行定位后，使所述毛细管的一端浸没在薄膜中，以使薄膜转移至所述毛细管的端面上；

采用飞秒激光对薄膜的形状进行加工以得到带有若干悬臂梁的薄膜；

采用飞秒激光在所述悬臂梁上制作间隔的沟槽。

本发明所提供的一种光纤声波传感探头结构及其制作方法，光纤声波传感探头结构包括：光纤；陶瓷插芯，所述陶瓷插芯套设在所述光纤上；毛细管，所述毛细管套设在所述陶瓷插芯上；薄膜，所述薄膜设置在所述毛细管远离所述光纤的一端的端面上；其中，所述光纤的端面与所述毛细管以及所述薄膜之间形成法布里-珀罗腔；所述薄膜包括薄膜本体以及设置在所述薄膜本体上的悬臂梁，所述悬臂梁与所述毛细管的端面连接，且所述薄膜本体、所述悬臂梁与所述毛细管的端面形成连通所述法布里-珀罗腔与所述外界的通道。本发明中的薄膜通过悬臂梁与毛细管的端面连接，使得薄膜本体、悬臂梁与毛细管的端面形成连通法布里-珀罗腔与外界气体的通道，以实现腔内外的气压平衡。这样，本发明通过具有通道的薄膜与毛细管连接，不仅可以实现腔内外气压平衡，不需要在支撑结构中额外设计排气孔，且可以减少薄膜与毛细管的接触面积，使得薄膜在受到声波作用时，可以产生更大的变形量，从提高光纤声波传感器的灵敏度与测量范围。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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示出的结构获得其他的附图。

图1是本发明中光纤声波传感探头结构的整体结构示意图。

图2是本发明中光纤声波传感探头结构的分解图。

图3是本发明一个实施例中薄膜的结构示意图。

图4是本发明中光纤声波传感探头结构制作方法的流程示意图。

图5是本发明中薄膜的制作流程图。

附图中各标记：1、光纤；11、裸纤；12、涂覆层；2、陶瓷插芯；3、毛细管；4、薄膜；41、薄膜本体；42、悬臂梁；421、沟槽；5、通道；6、玻璃平板；7、硅胶；8、硅胶薄膜。

具体实施方式

本发明提供一种光纤声波传感探头结构及其制作方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在实施方式和申请专利范围中，除非文中对于冠词有特别限定，否则“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

经发明人研究发现，光纤传感技术是一种以光波为信息载体，以光纤为传输介质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。光纤传感器具有抗电磁干扰、耐恶劣环境、结构简单、灵敏度高、复用性好以及光路可弯曲、对待测介质影响小等优点，可对应变、温度、压力、浓度等物理和化学量进行快速测量。声波是工业生产中需要检测的基础参量之一，高精度、高灵敏度、高分辨率的声压测量在实际应用中尤为重要。目前，膜片式非本征法布里-珀罗腔光纤声波传感器的研究主要集中在薄膜材料、薄膜支撑结构以及薄膜与支撑结构的连接方式。因此，光纤传感探头的设计和加工工艺决定了声波传感器的传感特性和整体性能。现有膜片式非本征法布里-珀罗腔光纤声波传感器的薄膜的形状大部分为圆形封闭结构，薄膜的形状创新性不足，成为限制膜片式非本征法布里-珀罗腔光纤声波传感器进一步发展的重要因素。圆形封闭薄膜的缺点在于：1、需要在支撑结构中额外设计排气孔。当薄膜受到外界声波作用时，薄膜的振动造成法布里-珀罗腔腔内体积变化，进而改变腔内气压，需要设计排气孔来平衡法布里-珀罗腔内外的气压差；2、薄膜形变范围受限，导致光纤声波传感器的灵敏度和测量范围难以进一步提高；3、薄膜制备过程中存在内应力，严重影响光纤声波传感器的声压线性度和频率响应平坦度，大声压测量范围和宽频率平坦度的光纤声波传感器难以实现。

针对上述技术问题，本发明提供了一种光纤声波传感探头结构及其制作方法，以薄膜通过悬臂梁与毛细管的端面连接的方式，使得薄膜本体、悬臂梁与毛细管的端面形成连通法布里-珀罗腔与外界气体的通道，以实现腔内外的气压平衡。这样，本发明通过具有通道的薄膜与毛细管连接，不仅可以实现腔内外气压平衡，不需要在支撑结构中额外设计排气孔，且可以减少薄膜与毛细管的接触面积，使得薄膜在受到声波作用时，可以产生更大的变形量，从提高光纤声波传感器的灵敏度与测量范围。另外，本发明通过在薄膜的悬臂梁上设置沟槽，能够在进一步提高薄膜的形变量的同时消除薄膜存在的内应力，从而提高光纤声波传感器的声压线性度与频率响应平坦度。

请同时参阅图1至图3，本发明提供了一种光纤声波传感探头结构的较佳实施例。

如图1与图2所示，本发明提供的一种光纤声波传感探头结构，其包括：光纤1、陶瓷插芯2、毛细管3与薄膜4。其中，所述陶瓷插芯2套设在所述光纤1上；所述毛细管3套设在所述陶瓷插芯2上；所述薄膜4设置在所述毛细管3远离所述光纤1的一端的端面上；其中，所述毛细管3与所述光纤1的端面以及所述薄膜4之间形成法布里-珀罗腔；所述薄膜4包括薄膜本体41以及设置在所述薄膜本体41上的悬臂梁42，所述悬臂梁42与所述毛细管3的端面连接，且所述薄膜本体41、所述悬臂梁42与所述毛细管3的端面形成连通所述法布里-珀罗腔与外界的通道5。

具体地，所述光纤1为单模光纤，光束经所述光纤1传输至光纤的端面，部分光束被反射回来形成第一反射光束，另有部分光束会进入所述法布里-珀罗腔向前传输至所述薄膜4，并经所述薄膜4反射后形成第二反射光束，所述第一反射光束与所述第二反射光束会形成法布里珀罗干涉。当外界声波作用在所述薄膜4上时，所述薄膜4会发生周期性的振动，法布里-珀罗腔长受到外界声波调制，通过检测光纤声波传感探头处反射回来的干涉光谱信号便可以调解出外界声波信号。

在上述技术方案中，本发明中的所述薄膜4通过悬臂梁42与毛细管3的端面连接，使得所述薄膜本体41、所述悬臂梁42与所述毛细管3的端面形成连通法布里-珀罗腔与外界气体的通道5，以实现腔内外的气压平衡。这样，本发明通过具有通道5的薄膜4与毛细管3连接，不仅可以实现腔内外气压平衡，不需要在支撑结构中额外设计排气孔，且可以减少薄膜4与毛细管3的接触面积，使得薄膜4在受到声波作用时，可以产生更大的变形量，从提高光纤1声波传感器的灵敏度与测量范围。

请参阅图1与图3，在一个实施例地进一步地实施方式中，所述悬臂梁42上间隔设置有若干沟槽421。

具体地，所述沟槽421可以是线形沟槽421或者弧形沟槽421，所述沟槽421的深度在3-5微米，例如，可以是4微米，宽度在10-15微米，例如可以是13微米。所述沟槽421设置有若干个，两两所述沟槽421之间的间隔为20-30微米，例如可以是25微米。在一些实施例中，所述沟槽421的数量设置有3-7个，例如可以是3个。本发明通过在所述薄膜4的悬臂梁42上设置微米级别的沟槽421，可以进一步提高所述薄膜4的形变量，同时可以消除薄膜4存在的内应力，提高光纤1声波传感器的声压线性度与频率响应平坦度。

请参阅图1与图3，在一个实施例的进一步地实现方式中，所述薄膜4的形状为人字型、工字型、十字形或三角型中的一种。

具体地，所述薄膜4的形状为非封闭式的形状，能够使得法布里珀罗腔暴露在外界环境中，使得腔内外气体连通起来，进而实现腔内外气压平衡。同时，所述薄膜4采用非封闭式的形状减少了与所述毛细管3接触的面积，使得薄膜4在受到声波作用时，可以产生更大的形变量，从而提高光纤1传感器的灵敏度与可测量的范围。在一种实现方式中，所述薄膜4的形状为人字型，人字型的薄膜4具有三个悬臂梁42，每个悬臂梁42均与所述毛细管3连接。

请参阅图1，在一个实施例的进一步地实施方式中，所述光纤1包括：裸纤11与涂覆层12。所述裸纤11穿设在所述陶瓷插芯2内，所述裸纤11的一端面与陶瓷插芯2端面平齐，并与所述薄膜4相对设置；所述涂覆层12套设在所述裸纤11表面。

具体地，插入至所述陶瓷插芯2的为裸纤11，所述裸纤11的一端面与陶瓷插芯2的端面平齐，以使光束可以经所述光纤1到达所述法布里珀罗腔内形成法布里珀罗干涉。

请参阅图1，在一个实施例的进一步地实施方式中，所述光纤1与所述陶瓷插芯2之间，以及所述毛细管3与所述陶瓷插芯2之间采用紫外光固化胶连接。

具体地，在所述陶瓷插芯2与所述光纤1装配完成，以及所述毛细管3于所述陶瓷插芯2装配完成后，可以通过采用紫外光固化胶进行粘接固定。

请参阅图1与图3，在一个实施例的进一步地实施方式中，所述薄膜4为紫外光固化胶、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、硅胶或不锈钢薄膜4中的一种材料制成。在一种实现方式中，所述薄膜4为硅胶制成。

请参阅图1，在一些实施例中，所述毛细管3为不锈钢材料制成。

请参阅图4，在一些实施例中，本发明还提供了一种应用于上述所述光纤声波传感探头结构的光纤声波传感探头结构制作方法，其包括步骤：

S100、将所述光纤插入所述陶瓷插芯，并使所述光纤的一端的端面与所述陶瓷插芯的端面平齐，以及使所述光纤的另一端部分伸出所述陶瓷插芯，采用紫外光固化胶对所述光纤与所述陶瓷插芯进行固定；

具体地，首先采用剥线钳将一段30cm长的普通单模光纤(SMF)的涂覆层剥去，并用带酒精的无尘纸清洁干净，采用光纤切割刀对剥去涂覆层的裸光纤进行切割，使其端面平整，形成光纤声波传感探头的第一个反射面。其后将裸纤端插入陶瓷插芯(外径2.5mm、内径125μm、长度18mm)，裸纤末端稍微超出陶瓷插芯端面0.5mm左右。将UV(Ultraviolet)胶点涂在陶瓷插芯尾端，然后用蘸少量酒精的棉签按压裸纤末端，使裸纤(纤芯)端面与陶瓷插芯端面平齐，此时用紫外手电筒将陶瓷插芯尾端的UV胶固化。在一些实施例中，切割后的裸纤长度控制在8-8.5mm，例如，可以是8.3mm。

S200、在所述毛细管的端面制作所述薄膜；

步骤S200具体包括：

S210、对所述毛细管进行定位后，使所述毛细管的一端浸没在薄膜中，以使薄膜转移至所述毛细管的端面上；

具体地，请结合图5，当薄膜采用硅胶7制作时，将一定量的硅胶滴在玻璃平板6上，将玻璃平板6放置在旋涂设备上。启动旋涂设备，让玻璃平板6以一定的旋转速度旋转一段时间，以在玻璃平板6上获得均匀的硅胶薄膜8。其中，控制旋转的时间和速度可以控制硅胶薄膜8的厚度。

将毛细管3(内径2.5mm、外径3mm、长度6mm)固定在垂直位移台上，控制位移台使毛细管3的端面浸没在硅胶薄膜8中。其后控制位移台的上升速度，将毛细管3缓缓提升，利用硅胶的表面张力和毛细管3的可润湿性，将硅胶薄膜8转移到毛细管3端面，以得到一定厚度的硅胶薄膜8。在一种实现方式中，硅胶薄膜8的厚度可以是10μm。

S220、采用飞秒激光对薄膜的形状进行加工以得到带有若干悬臂梁的薄膜；

具体地，带硅胶薄膜的毛细管放置在飞秒激光加工平台上，其中带硅胶薄膜一端朝上。其后利用飞秒激光热影响区域小的特点，对硅胶薄膜进行选择性刻蚀。具体为控制飞秒激光的功率以及加工平台的移动速度，将封闭的圆形薄膜加工成“人”字型悬臂梁结构的硅胶薄膜，圆内空白区域为激光刻蚀区域，飞秒激光需要将空白区域的原本的硅胶完全打穿。

S230、采用飞秒激光在所述悬臂梁上制作间隔的沟槽。

具体地，在完成硅胶薄膜的悬臂梁制作之后，降低飞秒激光的功率，在人字型悬臂梁硅胶薄膜的边缘分别刻蚀出若干道沟槽，例如3三道，沟槽的深度为3-5μm，宽度为10-15μm，沟槽之间的间隔为20-30μm。本发明利用飞秒激光制备沟槽结构可以降低薄膜在制作过程中产生的内应力，使得薄膜在受到声波作用时，可以产生更大的形变量，从而提高光纤传感器的灵敏度。同时应力的释放可以提高传感器的线性度和频率响应平坦度，提高光纤传感器的实验大动态测量范围和宽频率响应。

需要说明的是，在薄膜上制作悬臂梁或沟槽时，还可以通过离子刻蚀与化学刻蚀等方式来实现。

S300、将带有所述薄膜的所述毛细管套设在所述陶瓷插芯上，并采用紫外光固化胶对所述毛细管与所述陶瓷插芯进行固定。

具体地，将毛细管套接在获得的带尾纤的陶瓷插芯中，控制陶瓷插芯端面与硅胶薄膜的距离在100μm以内，用UV胶对不锈钢毛细管和陶瓷插芯进行固定。

需要说明的是，以上光纤声波传感探头结构制作方法的实施例是以薄膜为人字型、硅胶材料制成的薄膜为例进行说明，其他材料与形状的制作方法与人字型、硅胶材料制成的薄膜一致，在此不再赘述。

综上所述，本发明所提供的一种光纤声波传感探头结构及其制作方法，具有以下有益效果：

通过具有通道的薄膜与毛细管连接，不仅可以实现腔内外气压平衡，不需要在支撑结构中额外设计排气孔，且可以减少薄膜与毛细管的接触面积，使得薄膜在受到声波作用时，可以产生更大的变形量，从提高光纤声波传感器的灵敏度与测量范围；

通过在薄膜的悬臂梁上设置沟槽，能够在进一步提高薄膜的形变量的同时消除薄膜存在的内应力，从而提高光纤声波传感器的声压线性度与频率响应平坦度。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种光纤声波传感探头结构，其特征在于，包括：

光纤；

陶瓷插芯，所述陶瓷插芯套设在所述光纤上；

毛细管，所述毛细管套设在所述陶瓷插芯上；

薄膜，所述薄膜设置在所述毛细管远离所述光纤的一端的端面上；其中，所述毛细管与所述光纤的端面以及所述薄膜之间形成法布里-珀罗腔；

所述薄膜包括薄膜本体以及设置在所述薄膜本体上的悬臂梁，所述悬臂梁与所述毛细管的端面连接，且所述薄膜本体、所述悬臂梁与所述毛细管的端面形成连通所述法布里-珀罗腔与外界的通道。

2.根据权利要求1所述的光纤声波传感探头结构，其特征在于，所述悬臂梁上间隔设置有若干沟槽。

3.根据权利要求1所述的光纤声波传感探头结构，其特征在于，所述薄膜的形状为人字型、工字型、十字形或三角型中的一种。

4.根据权利要求3所述的光纤声波传感探头结构，其特征在于，所述薄膜的形状为人字型。

5.根据权利要求1所述的光纤声波传感探头结构，其特征在于，所述光纤包括：

裸纤，所述裸纤穿设在所述陶瓷插芯内，所述裸纤的一端面与陶瓷插芯的端面平齐，并与所述薄膜相对设置；

涂覆层，所述涂覆层套设在所述裸纤表面。

6.根据权利要求1所述的光纤声波传感探头结构，其特征在于，所述光纤与所述陶瓷插芯之间，以及所述毛细管与所述陶瓷插芯之间采用紫外光固化胶连接。

7.根据权利要求1所述的光纤声波传感探头结构，其特征在于，所述薄膜为紫外光固化胶、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、硅胶或不锈钢薄膜中的一种材料制成。

8.根据权利要求1所述的光纤声波传感探头结构，其特征在于，所述毛细管为不锈钢材料制成。

9.一种应用于权利要求1-8任一项所述光纤声波传感探头结构的光纤声波传感探头结构制作方法，其特征在于，包括：

将所述光纤插入所述陶瓷插芯，并使所述光纤的一端的端面与所述陶瓷插芯的端面平齐，以及使所述光纤的另一端部分伸出所述陶瓷插芯，采用紫外光固化胶对所述光纤与所述陶瓷插芯进行固定；

在所述毛细管的端面制作所述薄膜；

将带有所述薄膜的所述毛细管套设在所述陶瓷插芯上，并采用紫外光固化胶对所述毛细管与所述陶瓷插芯进行固定。

10.根据权利要求9所述的光纤声波传感探头结构制作方法，其特征在于，所述在所述毛细管的端面制作所述薄膜的步骤包括：

对所述毛细管进行定位后，使所述毛细管的一端浸没在薄膜中，以使薄膜转移至所述毛细管的端面上；

采用飞秒激光对薄膜的形状进行加工以得到带有若干悬臂梁的薄膜；

采用飞秒激光在所述悬臂梁上制作间隔的沟槽。

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