一种石墨烯光纤压力传感器及制作方法与测压装置及测压方法与流程

本发明涉及一种压力传感器及测压装置，具体涉及一种石墨烯光纤压力传感器及制作方法与测压装置及测压方法。

背景技术：

石墨烯(Graphene)作为一种由单层碳原子构成的新型二维晶体碳材料，是目前已知的最薄、最理想的二维材料。与最常用的半导体材料硅相比，其具有更优异的性能：单层石墨烯薄膜厚度约为0.335nm，而硅薄膜厚度约为5～30μm，是石墨烯薄膜厚度的几千倍，高杨氏模量约为1TPa，高断裂强度约为125GPa，在室温下载流子的迁移率高达2×105cm2/(V·S)是硅的10～100倍。石墨烯的弹性模量为335N/m，应变系数只有2，这意味着在小应变扰动下，其没有电敏感。

石墨烯薄膜也具有较好光特性，在可见光到中红外频谱具有90％以上的透过率。

由于光纤法珀传感器具有传统传感器不具备的独特优势，如高灵敏度、抗电磁干扰、耐腐蚀、远程检测、功能复用等特点，其被广泛应用于工业、农业、医学、国防、航天航海等领域，法珀光纤传感器端面都镀有一层高反射薄膜，用于实现光纤内的光波干涉，薄膜的反射率的大小直接影响干涉光谱和条纹对比度的精细度，进而影响后期解调的精确度。反射膜的好坏直接影响传感器的灵敏度。石墨烯薄膜的厚度和大小可以通过多层石墨烯叠加来控制，增加膜厚可以提高反射率，促进光干涉调制。膜的厚度越薄，面积越大，膜材料响应就越快，传感器的敏感度越高。但同时膜能承受的压力就越小，量程就越低。硅薄膜能承受的最大应力远远小于石墨烯薄膜，其厚度远远大于石墨烯薄膜，尺寸更是比石墨烯大，因此在高量程、高灵敏度、纳米级环境下，石墨烯具有巨大的优势。

国际商业机器公司发明了一种石墨烯压力传感器(专利：石墨烯压力传感器，授权专利号：ZL201310124655.5)，在绝缘层上形成一个凹腔并放置在半导体衬底上，石墨烯膜悬置在凹腔之上，将两个感测电极与石墨烯接触，并分别放置在石墨烯两侧的绝缘层上，在感测电极和石墨烯的外侧包裹一层密封环，当石墨烯受到压力时，发生形变会改变其阻值，进而两侧电极测到的电压发生变化，这种结构是利用石墨烯的压阻性质测量压力。

成都凯天电子股份有限公司的专利：高真空光纤F-P压力传感器，(申请专利号：201510042261.4)，包括压力膜片、上插芯、下插芯和包覆在下插芯中的光纤，在上插芯上形成一个凹槽，在凹槽上方悬置一层SiO2压力膜片，在凹槽底部和四周覆盖一层石墨烯薄膜，用于吸附腔内气体分子，形成高真空状态，再将上插芯和下插芯连接就形成了一个高真空光纤FP腔，这种结构消除了大气压对FP腔的影响，提高了测量精度。

但上述的两种专利，一方面没有很好的消除光源光强稳定性、光路扰动等因素的影响，另一方面需要使用价格昂贵的光谱接收设备。

技术实现要素：

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可以将干涉光的反射比控制在线性区域，提高对比精细度的石墨烯光纤压力传感器及测压装置。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种石墨烯光纤压力传感器，包括光纤和石墨烯膜，所述光纤的端部设有凹腔，所述石墨烯膜覆盖光纤的端部和凹腔，所述凹腔和石墨烯膜形成法珀腔。

上述光纤为单模光纤或多模光纤。

上述凹腔的腔口直径为80-120微米，深度为30-60微米。

上述石墨烯膜的厚度为0.3-4纳米。

上述的一种石墨烯光纤压力传感器的制作方法，包括以下步骤：

S1、使用一定浓度的HF溶液腐蚀光纤的端部，制得凹腔；

S2、将石墨烯膜放入去离子水中，漂浮于去离子水面，用上述带凹腔的光

纤端面粘附石墨烯膜，制得石墨烯光纤压力传感器。

上述步骤S1中HF溶液的浓度为30-50％，腐蚀温度为20-30℃。

一种石墨烯光纤压力传感器的测压装置，包括光源装置、光分束器、光耦合器、若干光电接收器、数据处理器；

所述光分束器将光源装置射出的光按比例分光，一部分光经光耦合器传输至石墨烯光纤压力传感器的法珀腔，反射光由光耦合器接收后传输给光电接收器二；另一部分光传输至光电接收器一；光电接收器一和光电接收器二的输出端接数据处理器的输入端；

所述数据处理器的输出端接显示装置。

上述光源装置包括宽带光源，所述宽带光源和光分束器之间设有若干并联的输出端接调制器的滤波电路，所述宽带光源的输出端接滤波电路的输入端，光分束器的输入端接调制器的输出端。

上述光电接收器一和光电接收器二的输出端分别设有依次串联的一级放大电路、滤波电路和二级放大电路；所述二级放大电路的输出端接数据采集卡的输入端。

上述显示装置为显示器或/和上位机。

上述光分束器的分光比例为1:99。

上述的一种石墨烯光纤压力传感器的测压装置的测压方法，包括以下步骤：

A1、假设波长为λ1和λ2的光源，其强度分别为I1和I2，调制后其频率分别为f1和f2，然后进行合流，

A2、光分束器讲上述合流的光按比例分光，一部分光直接被光电探测器一接收，其对应的电压值为V1(f1，f2)，法珀腔对另一部分的两个波长的光的反射率分别为R(λ1)和R(λ2)，其参考电压和信号电压分别是V2(f1，f2，R(λ1),R(λ2))；

A3、对电压值V1(f1，f2)进行FFT变换，得到频谱上的两个峰M1和M2，分别对应两个频率f1和f2；同样经FFT变换，可以得到V2(f1，f2，R(λ1),R(λ2))的两个不同频率的峰值，即N1和N2；

A4、消除光源的影响：N1/M1和N2/M2，；

A5、消除对光路扰动和光电接收器参数漂移的影响：(N1/M1)/(N1/M1+N2/M2)，得到的结果只与R(λ1)和R(λ2)有关，即，而反射率变化只与腔长有关，因此上述的比值是只与腔长有关的函数，实现了整套系统的测压。

本发明的有益之处在于：

本发明的一种石墨烯光纤压力传感器，利用化学腐蚀方法得到长腔长的空气腔，利用化学气相沉积方法得到厚度小直径大的薄膜，结构简单。并且该传感器尺寸小、量程大、灵敏度高，适合高精度大量程的纳米级低压环境。

本发明的测压装置，结构简单，通过计算可消除光源稳定性和光路扰动性的影响，对光源和光路没有要求，可实施性强；由于石墨烯本身优越的性能，测量精度高；将光信号转化为电信号处理，不需要用光谱仪，节约了整个装置的成本。

本发明的一种石墨烯光纤压力传感器及测压装置，具有尺寸小，制作简单，成本低廉，灵敏度高等优点，并且公开的强度解调法，具有成本低、精度高、可控性强等优点，其测压方法具有成本低、精度高、可控性强等优点，具有广泛的适用性，和实用性。

附图说明

图1为本发明的一种石墨烯光纤压力传感器的结构示意图。

图2为本发明的一种石墨烯光纤压力传感器的测压装置的结构示意图。

附图中标记的含义如下：1、单模光纤，2、凹腔，3、石墨烯膜。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

一种石墨烯光纤压力传感器，包括端部设有凹腔的光纤，和石墨烯膜；石墨烯膜覆盖光纤的端部和凹腔，形成法珀腔。

其制作方法为：S1、使用浓度为40％的HF溶液，在室温下腐蚀光纤的端部，制得凹腔；S2、常温下，将石墨烯膜漂浮于去离子水面，用上述带凹腔的光纤端面粘附石墨烯膜，制得石墨烯光纤压力传感器。

石墨烯膜选用的厚度是根据压力测量范围、传感器的灵敏度、反射信号的强度决定，压力越小，膜越薄，传感器灵敏度越高，但是薄膜的反射率越低，反射回来的信号强度越弱。

一种石墨烯光纤压力传感器的测压装置，包括光源装置、光分束器、光耦合器、若干光电接收器、数据处理器。

光源装置包括宽带光源，宽带光源和光分束器之间设有2个并联的输出端接调制器的滤波电路，光分束器的输入端接调制器的输出端。

光分束器将光源装置射出的光按1:99的比例分光，99％的光经光耦合器传输至石墨烯光纤压力传感器的法珀腔，反射光由光耦合器接收后传输给光电接收器二；1％的光作为参考光，传输至光电接收器一。

光电接收器一和光电接收器二的输出端分别设有依次串联的一级放大电路、滤波电路和二级放大电路；2个二级放大电路的输出端通过数据采集卡接数据处理器；接数据处理器的输出端接显示器或者通过串口接上位机。

具体操作及信号流转过程如下：

1、通过调节宽带光源，根据需求选择合适波长范围的输出光源；

2、输出光源经可调滤波器，对输出光源进行滤波，根据需要，滤出特定波长的单色光；

3、单色光经调制器，改变了两束不同波长光的相位，使两束不同波长的光在耦合器中发生干涉，可以输出更好的光信号；

4、光分束器的作用对上述调制后的光，按1:99进行分光，99％的光进入石墨烯光纤压力传感器的法珀腔，反射光经耦合器由光电接收器二接收，1％的光直接由光电接收器一接收当作参考光；

5、光耦合器和法珀腔是整个系统的核心，当法珀腔受到应力，发生形变时，进入到法珀腔中的光，在耦合之后，光强会发生改变，通过解调这光强就可以知道形变的大小，进而知道测量出压力；

6、光电接收器采用高速可调宽带平衡光电接收器，将光强信号快速转化为电压信号，送到后面的电路中进行处理，避免在转化过程中出现数据重叠错误；

7、两个放大电路和一个滤波电路，一级放大电路和二级放大电路都是基于晶体管(双极型晶体管或者场效应管)放大电路集成的放大器，滤波电路采用二阶滤波器；

8、采集卡将上述放大滤波再放大后的信号进行采集，将其转化为数字信号并传输到数据处理器中进行分析处理；

9、数据处理器可采用STM32系列的单片机，其处理器是32位，自带12位的ADC，转化时间是微秒级，可以代替数据采集卡采集数据，其输出端直接连接外设显示器，也可通过串口与上位机进行通信。

具体测压方法如下：

(1)宽带光源发射出的光分别进入两个可调滤波器，两个滤波器各自滤出波长为λ₁和λ₂的两束单色光，两束单色光分别用调制器改变其相位后，然后合流，由光分束器按k₁：k₂＝1:99分光，1％的光直接由光电接收器接收到转化为电压值，作为参考，99％的光进入FP腔(法珀腔)中后进行耦合，然后再由光电接收器接收转化为电压值，两组电压值先后经过一级放大、滤波、二级放大后，用数据采集卡进行采集，最后将采集到的数据送入到数据处理器中进行处理，处理后的数据可以通过液晶显示，也可以通过串口传输到上位机中。

(2)假设波长为λ₁和λ₂的光，其强度分别为I₁和I₂，调制频率分别为f₁和f₂然后进行合流，按1:99分光，1％的光直接被光电探测器接收，其对应的电压值为V₁(f₁,f₂)，99％的光进入法珀腔，法珀腔对两个波长的光的反射率分别为R(λ₁)和R(λ₂)，其信号电压是V₂(f₁,f₂,R(λ₁),R(λ₂))。其中α、β分别为参考光和信号光通道的损耗：

V₁＝[A₁+B₁cos(2πf₁t)+A₂+B₂cos(2πf₂t)k₁α

V₁＝[A₁+B₁cos(2πf₁t)]k₂βR(λ₁)+[A₂+B₂cos(2πf₂t)k₂βR(λ₂)

对电压值V₁(f₁,f₂)进行FFT变换(傅里叶变换)，得到频谱上的两个峰M₁和M₂，分别对应两个频率f₁和f₂；同样经FFT变换，可以得到V₂(f₁,f₂,R(λ₁),R(λ₂))的两个不同频率的峰值，即N₁和N₂；

(3)下面进行消除由于受光源光强波动、光路扰动以及探测器等参数漂移而产生的影响，首先做两次相除N₁/M₁和N₂/M₂，这就消除了光源的影响，再将上面得到的两个值再做一次相除(N₁/M₁)/(N₁/M₁+N₂/M2)，得到的结果只与R(λ1)和R(λ2)有关，这就消除了对光路扰动和探测器参数漂移的影响，而反射率R＝2r(1-cos4πL/λ)，只与腔长L有关，因此上述得的比值只与腔长有关，当外界压力变化时，石墨烯薄膜产生形变，引起法珀腔的腔长改变，实现了整套系统的测压。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。