[發明專利]一種基于超聲波檢測頻率的光纖傳感裝置及實現方法

有效

• 申請號: 202011298538.7
• 申請日: 2020-11-19
• 公開（公告）號: CN112630530B
• 公開（公告）日: 2021-09-07
• 發明（設計）人: 沈濤;恭艾娜;陳姣姣;劉馳;王振家;黃海;姜金剛
• 申請（專利權）人: 哈爾濱理工大學
• 主分類號: G01R23/02
• 分類號: G01R23/02;G01R15/22
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于超聲波檢測頻率的光纖傳感裝置，其特征在于：它包括ASE光源(1)、光纖耦合器(2)、傳感單元(3)、超聲波發生裝置(4)、光電轉換器(5)、信號處理模塊(6)；

所述傳感單元(3)包括單模光纖(3-1)、玻璃插芯(3-2)、硅環(3-3)、石英膜片(3-4)、石墨烯(3-5)、金膜(3-6)其中：

單模光纖(3-1)和硅環(3-3)內表面形成空氣法珀腔，并且此空氣法珀腔的腔長約為26μm，硅環(3-3)自身構成硅法珀腔，硅法珀腔的腔長為石英膜片(3-4)的高度40μm；

硅環(3-3)使用紫外切割機切割單晶硅片而成；

石英膜片(3-4)是由(NH₄)₂SiF₆ 凈化液置于水浴鍋中，攪拌加熱至一定溫度，加氟硅酸氨溶液和26wt％的氨水，到達反應終點時加入氨水，攪拌下陳化，過濾，濾液備用，濾餅用超純水多次洗滌；將濾餅加入適量超純水，升溫至85℃熱洗0.6h，趁熱固液分離，濾餅120℃干燥2.5h，煅燒得二氧化硅；將二氧化硅放置于馬弗爐中進行1310℃煅燒并保溫3h使之晶化，對晶體切割則得到石英膜片；

石墨烯(3-5)采用液相剝離法制備，將天然石墨，硫酸，重鉻酸鉀按質量比為1.5：3：0.2均勻混合，在100℃水浴中充分反應，隨后反應液加離子水洗滌、過濾，50℃烘干，將烘干粉末經過1200℃膨化處理10s，隨后將其放入N-甲基吡鉻烷酮溶劑中，低速攪拌充分混合，將懸浮液經過高壓均質裝置進行剝離，壓力為80MPa，循環8次得到石墨烯溶液，將其冷凍干燥加壓制成石墨烯薄片；

金膜(3-6)是通過電子束蒸發的方法獲取，選擇標準的硅片作為生長的基底，在硅片上涂抹光刻膠，采用電子束蒸發的方法在光刻膠上生長厚度為200nm的金膜(3-6)，然后將金膜樣品與傳感裝置粘連，并放置于盛有99.7％濃度分析純的丙酮溶液中，靜置13h后，光刻膠被腐蝕，金膜(3-6)與硅片基底的徹底分離，鍍膜完成；

傳感單元(3)中單模光纖(3-1)插入玻璃插芯(3-2)中，玻璃插芯(3-2)、硅環(3-3)、石英膜片(3-4)、石墨烯(3-5)、金膜(3-6)依次疊放并粘結并封裝后構成傳感單元(3)；

傳感單元(3)的具體制備過程包括部件的尺寸選擇、部件的分割、部件的放置位置、部件的封裝；

其中：部件的尺寸選擇包括選擇石英膜片(3-4)的厚度為61μm、直徑為4mm的圓形膜片，硅環(3-3)外徑3mm、內徑2mm、厚度為40μm；

部件的分割包括對硅環(3-3)的切割和石英膜片(3-4)的切割，首先在硅環(3-3)的單晶硅中切割外徑為3mm、內徑為2mm、厚度為40μm的圓環，在厚度為22μm的兩面拋光的石英膜片上切割出直徑為5mm的石英膜片；

部件的放置位置包括將石英膜片(3-4)和硅環(3-3)按順序疊放在高溫加熱臺上，將外徑為3mm的玻璃插芯(3-2)放置在硅環(3-3)上面，將玻璃插芯(3-2)與硅環(3-3)和石英膜片(3-4)、石墨烯(3-5)的中心對齊；

部件的封裝包括使用粘結劑將玻璃插芯(3-2)、硅環(3-3)、石英膜片(3-4)石墨烯(3-5)密封，之后將切割平整的單模光纖(3-1)插入玻璃插芯(3-2)的合適位置，使用紫外膠進行預固定，之后再用環氧樹脂進行完全的固定，靜置48小時；

傳感單元(3)中硅環(3-3)使用的材料為單晶硅，利用紫外切割機切割而成。

2.根據權利要求1所述的一種基于超聲波檢測頻率的光纖傳感裝置的實現方法，其特征在于：

ASE光源(1)發出光束傳輸至光纖耦合器(2)，光纖耦合器(2)輸出光束傳輸至傳感單元(3)，光束在傳感單元(3)中進行反射和透射，當傳感單元(3)放置在超聲波發生裝置(4)中時，傳感單元(3)中的金膜(3-6)、石墨烯(3-5)、石英膜片(3-4)發生形變，使硅環(3-3)產生相應的變化，空氣法珀腔發生變化，影響反射光的光程，進而產生光的干涉，干涉光通過單模光纖(3-1)返回至光纖耦合器(2)并通過光纖耦合器(2)傳輸至光電轉換器(5)中，光電轉換器(5)產生模擬信號并傳輸至信號處理模塊(6)中進行數據處理。