一种低压膜阻尼的光纤F-P声压传感器、使用及加工方法

一种低压膜阻尼的光纤f-p声压传感器、使用及加工方法
技术领域
1.本发明涉及声压传感技术领域，特别是一种低压膜阻尼的光纤f-p声压传感器、使用及加工方法，旨在通过结构优化提高光纤f-p声压传感器机械灵敏度。


背景技术：

2.随着时代的进步与社会的发展，越来越多产品需要具备小型化，集成化的特点。声压传感器与我们的生产生活密不可分，已经被广泛应用在了抢险救援、工业生产以及人体健康监测等领域。而由于膜片式光纤f-p声压传感器具备小型化，功耗低以及抗电磁干扰等优点，使这种声压传感器在未来具有无限的潜力和广阔的应用前景。
3.对于膜片式光纤f-p声压传感器来说，声压探测灵敏度是一项重要的技术指标，因此探究如何提高其灵敏度很有必要。目前常用的提高膜片式光纤f-p声压探测灵敏度的方法主要为：增加敏感膜片的径厚比以及选用性能优良的材料作为敏感膜片，现有技术的敏感膜片多为硅膜片和石墨烯膜片。其中硅膜片的厚度多达到较厚的微米级，且这种量级的硅膜片在较大的载荷条件下易发生断裂；石墨烯膜作为一种新型二维材料，具有优良的电学、力学性能，且厚度最薄可以到纳米级，因此目前已有研究人员将石墨烯膜用作光纤f-p声压传感器的敏感膜片。例如，2015年li等人(c.li,et al.,analyzing the applicability of miniature ultra-high sensitivity fabry-perot acoustic sensor using a nanothick graphene diaphragm.measurement science and technology,2015,26:085101.)将厚度为3.34nm,直径为125μm的石墨烯圆膜作为敏感膜片制备了光纤f-p声压传感器，该款传感器在15khz处的机械灵敏度为2.38nm/pa。
4.然而，类似结构的声压传感器具有如下技术缺陷：由于受到背腔体积的限制，当敏感膜片感受声压变化发生振动时，因为空气弹簧效应(beranek,l.l.acoustics；mcgraw-hill:new york,ny,usa,1954.)使得膜片振动阻尼较大，传感器机械灵敏度不高，而该振动阻尼通常被称作压膜阻尼(newell w e.miniaturization oftuning forks:integrated electronic circuitsprovide the incentive and the means for orders-of-magnitude reduction in size[j].science,1968,161(3848):1320-1326.)。


技术实现要素：

[0005]
本发明针对现有技术的缺陷，提供一种低压膜阻尼的光纤f-p声压传感器、使用及加工方法，完全摒弃这些常用的增敏方式，通过扩大膜片背侧气腔体积来提高传感器敏感膜片的机械灵敏度，具有一定的实际意义及应用价值。
[0006]
根据本发明一方面，提供了一种低压膜阻尼的光纤f-p声压传感器，包括：端盖(1)、后端壳体(4)、短光纤陶瓷插芯(7)、长光纤陶瓷插芯(11)、敏感膜(12)以及单模光纤；所述端盖(1)具有端盖中心孔(2)，所述短光纤陶瓷插芯(7)插入所述端盖(1)的端盖中心孔(2)；所述后端壳体(4)具有后端壳体中心孔(5)，所述长光纤陶瓷插芯(11)插入所述后端壳体中心孔(5)中；所述短光纤陶瓷插芯(7)具有短光纤陶瓷插芯中心孔(8)，所述敏感膜(12)
设于所述端盖(1)下表面中心的所述短光纤陶瓷插芯(7)的下端面并完全覆盖所述短光纤陶瓷插芯中心孔(8)，从而构成周边固支条件，用于声压信号检测；所述长光纤陶瓷插芯(11)具有长光纤陶瓷插芯中心孔(10)，所述单模光纤从所述长光纤陶瓷插芯(11)的尾端插入所述长光纤陶瓷插芯中心孔(10)内，所述单模光纤端面与所述敏感膜(12)之间构成f-p干涉腔。
[0007]
优选的，还包括凸台(3)以及后端壳体凹槽(6)，其中所述短光纤陶瓷插芯(7)的下端面与凸台(3)的端面对齐，所述长光纤陶瓷插芯(11)的上端面与所述后端壳体凹槽(6)底面对齐；所述凸台(3)与所述后端壳体凹槽(6)之间采用过渡配合。
[0008]
优选的，所述端盖(1)盖在所述后端壳体(2)上，所述凸台(3)插入所述后端壳体凹槽(6)中构成背腔(9)。
[0009]
优选的，所述短光纤陶瓷插芯(7)与所述端盖中心孔(2)过盈配合，所述长光纤陶瓷插芯(11)与所述后端壳体中心孔(5)过盈配合。
[0010]
优选的，所述单模光纤从所述长光纤陶瓷插芯(11)的尾端插入所述长光纤陶瓷插芯中心孔(10)内包括：
[0011]
剥去单模光纤一段涂覆层；
[0012]
用沾有酒精的无尘纸将单模光纤擦拭干净后，利用光纤切割刀将单模光纤端面切割平整；
[0013]
将准备好的单模光纤利用微位移平台从长光纤陶瓷插芯(11)的尾端缓慢插入长光纤陶瓷插芯中心孔(10)中；
[0014]
利用光谱仪观察f-p干涉谱，直至单模光纤端面距离敏感膜(12)65μm时，用胶封住长光纤陶瓷插芯(11)尾端的长光纤陶瓷插芯中心孔(10)。
[0015]
优选的，所述端盖(1)与所述后端壳体(4)之间的缝隙采用胶密封。
[0016]
优选的，所述端盖(1)与所述后端壳体(4)采用耐腐蚀的材料、耐磨的材料或刚性材料；所述短光纤陶瓷插芯(7)与长光纤陶瓷插芯(11)采用氧化锆陶瓷制作；所述敏感膜可选用2d膜或有机膜，包括cvd石墨烯膜、pet膜、pi膜或pvdf膜。
[0017]
优选的，将所述敏感膜(12)通过湿法转移或胶粘固定的方式设于所述端盖(1)下表面中心的所述短光纤陶瓷插芯(7)的下端面并完全覆盖所述短光纤陶瓷插芯中心孔(8)。
[0018]
本发明的目的还在于提供一种低压膜阻尼的光纤f-p声压传感器的使用方法，包括：
[0019]
步骤1，当所述光纤f-p声压传感器接收到声压变化时，所述敏感膜12发生挠度变形导致f-p干涉长度改变，引起所述光纤f-p声压传感器的单模光纤输出f-p干涉光强发生改变；
[0020]
步骤2，所述单模光纤将f-p干涉信号传递给光电探测器；
[0021]
步骤3，所述光电探测器将所述f-p干涉光强信号转换为电信号，然后通过后续处理电路或示波器获得待测声音信息。
[0022]
本发明的目的还在于提供一种低压膜阻尼的光纤f-p声压传感器的加工方法，包括：
[0023]
步骤1，加工端盖(1)，包括：
[0024]
步骤11，装夹所述端盖(1)的加工材料圆柱体的外圆；
[0025]
步骤12，利用小孔车刀加工通孔，同时利用配合加工精加工所述通孔的直径，以保证所述通孔与短光纤陶瓷插芯(7)过盈配合；
[0026]
步骤13，利用外圆车刀加工端盖(1)的外圆以及凸台(3)；
[0027]
步骤14，利用切断刀切断零件并在长度方向留出余量；
[0028]
步骤15，利用外圆刀精加工端盖(1)的端面，以保证总体长度符合设计要求；
[0029]
步骤2，加工后端壳体(4)，包括：
[0030]
步骤21，装夹所述后端壳体(4)加工材料圆柱的外圆；
[0031]
步骤22，利用小孔车刀加工通孔，同时利用配合加工精加工所述通孔的直径，以保证所述通孔与长光纤陶瓷插芯(11)过盈配合；
[0032]
步骤13，利用外圆车刀加工后端壳体(4)外圆；
[0033]
步骤14，利用小孔车刀加工后端壳体(4)的后端壳体凹槽(6)；
[0034]
步骤15，利用切断刀切断零件并在长度方向留出余量；
[0035]
步骤16，利用外圆刀精加工端盖(1)的端面，以保证总体长度符合设计要求；
[0036]
步骤3，清洗所述传感器的外表面，包括用超声清洗所述端盖(1)与所述后端壳体(4)以去除表面毛刺。
[0037]
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明提供的方法和装置可取得显著的技术进步性及实用性，并具有产业上的广泛利用价值，其至少具有下列优点：
[0038]
(1)本发明形成的传感器结构简单，体积小，制作容易；
[0039]
(2)本发明通过扩增背腔体积，降低背腔空气弹簧效应的影响来提高敏感膜的机械灵敏度，在人耳听阈以及低频超声范围内均可实现明显的增敏效果；
[0040]
(3)本发明所设计的体积扩增的背腔结构在增加背腔长度的同时没有改变传统膜片式光纤f-p声压传感器的f-p干涉腔长，解决了一直以来因为f-p干涉长度的限制造成背腔长度难以增大的难点；
[0041]
(4)本发明所设计的体积扩增的背腔结构可以在不受敏感膜直径影响的前提下增加腔体直径，解决了一直以来类似于石墨烯这种超薄2d材料悬浮直径受限造成背腔直径难以被增大的难点；
[0042]
(5)本发明所设计的背腔尺寸可以根据需要自行选择，从而实现敏感膜机械灵敏度的可调节；
[0043]
(6)本发明所使用的材料可选择范围广，其中传感器外壳可在保证加工精度与耐腐蚀的前提下根据需要自行选择，如不锈钢、铝合金以及陶瓷材料等；敏感膜片可根据需要选择为常见2d膜，有机膜等；
[0044]
(7)本发明中的敏感膜在背腔内部，可有效避免灰尘等微小杂质附着在敏感膜片表面对探头性能造成影响，提高了探头的稳定性。
[0045]
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图,详细说明如下。
附图说明
[0046]
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。本发明的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显，附图中：
[0047]
图1为根据本发明实施例的一种低压膜阻尼的光纤f-p声压传感器端盖的结构示意图。
[0048]
图2为根据本发明实施例的一种低压膜阻尼的光纤f-p声压传感器后端壳体的结构示意图。
[0049]
图3为根据本发明实施例的一种低压膜阻尼的光纤f-p声压传感器剖面图。
[0050]
图中附图标记含义为：1为端盖，2为端盖中心孔，3为凸台，4为后端壳体，5为后端壳体中心孔，6为后端壳体凹槽，7为短光纤陶瓷插芯，8为短光纤陶瓷插芯中心孔，9为背腔，10为长光纤陶瓷插芯中心孔，11为长光纤陶瓷插芯，12为敏感膜。
具体实施方式
[0051]
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的具体实施方式、方法、步骤及其功效，详细说明如后。
[0052]
通过具体实施方式的说明,当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得一更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。
[0053]
参见图1-3，提供了一种低压膜阻尼的光纤f-p声压传感器，包括：端盖1、后端壳体4、短光纤陶瓷插芯7、长光纤陶瓷插芯11以及敏感膜12。
[0054]
端盖1与后端壳体4采用机械加工的方式加工，包括：
[0055]
(1)将短光纤陶瓷插芯7插入端盖1的端盖中心孔2中并且短光纤陶瓷插芯7与端盖中心孔2过盈配合，使得短光纤陶瓷插芯7的下端面与凸台3的端面对齐；
[0056]
(2)将长光纤陶瓷插芯11插入后端壳体中心孔5中并且长光纤陶瓷插芯11与后端壳体中心孔5过盈配合，使得长光纤陶瓷插芯11的上端面与后端壳体凹槽6底面对齐；
[0057]
(3)将敏感膜12通过湿法转移至短光纤陶瓷插芯7的下端面，使得敏感膜完全覆盖短光纤陶瓷插芯中心孔8，将端盖1盖在后端壳体2上，使得凸台3插入后端壳体凹槽6中构成背腔9；
[0058]
(4)敏感膜12设置在端盖1下表面中心的短光纤陶瓷插芯7的端面，并覆盖短光纤陶瓷插芯中心孔8从而构成周边固支条件，用于声压信号检测；
[0059]
(5)将去除涂覆层且端面平整的单模光纤从长光纤陶瓷插芯11的尾端插入长光纤陶瓷插芯中心孔10内，单模光纤端面与敏感膜12之间构成f-p干涉腔，具体包括：剥去单模光纤一段涂覆层，用沾有酒精的无尘纸将单模光纤擦拭干净后，利用光纤切割刀将单模光纤端面切割平整，将准备好的单模光纤利用微位移平台从长光纤陶瓷插芯11尾端缓慢插入长光纤陶瓷插芯中心孔10中，利用光谱仪观察f-p干涉谱，直至单模光纤端面距敏感膜12的距离为65μm时，用环氧树脂胶封住长光纤陶瓷插芯11尾端的长光纤陶瓷插芯中心孔10。至
此，一种低压膜阻尼的光纤f-p声压传感器制作完成，该传感器可以利用f-p干涉的方式实现声压探测。
[0060]
(6)凸台3与后端壳体凹槽6之间采用过渡配合，以保证端盖1与后端壳体4之间可拆卸，方便端盖1的下表面在完成转膜后与后端壳体4对接。对接完成后，端盖1与后端壳体4之间的缝隙采用胶密封，以保证背腔的密封性，胶可选择环氧树脂胶等密封胶。
[0061]
低压膜阻尼的光纤f-p声压传感器在组装完成之后，需保证短光纤陶瓷插芯7的短光纤陶瓷插芯中心孔8与长光纤陶瓷插芯11的长光纤陶瓷插芯中心孔10同轴度误差小于10μm，以保证单模光纤出射光光斑尽可能照在周边固支敏感膜的中心，即本实施例的敏感膜12中心。
[0062]
作为优选的实施方式，所述端盖1和后端壳体4采用耐腐蚀的材料，用于防止湿法转移敏感膜以及长期保存时引起不必要的氧化腐蚀；端盖1和后端壳体4采用耐磨的材料，用于防止传感器组装过程中引起的不必要磨损；端盖1和后端壳体4采用刚性材料，声压对探头引起的变形可忽略不计。本实施例中，端盖1与后端壳体4采用6061铝镁合金，短光纤陶瓷插芯7与长光纤陶瓷插芯11采用氧化锆陶瓷制作。当然本领域技术人员还可以采用其他兼顾牢固和重量轻等特点的材料，均在本发明的保护范围内，传感器外壳可在保证加工精度与耐腐蚀的前提下根据需要自行选择，如不锈钢、铝合金以及陶瓷材料。
[0063]
作为优选的实施方式，所述敏感膜可选用2d膜或有机膜，如cvd石墨烯膜、pet膜、pi膜、pvdf膜等。敏感膜12转移至端盖1的下表面的方式可采用湿法转移或胶粘固定的方式。在本实施例中，敏感膜12选用cvd石墨烯膜，将cvd石墨烯膜转移至端盖1的下表面的方式采用湿法转移的方式。如上所述，当然，本领域技术人员也可以选择其他形式的2d膜或有机膜，如pet膜、pi膜、pvdf膜等，均在本发明的保护范围内。
[0064]
作为优选的实施方式，由于短光纤陶瓷插芯7与端盖中心孔2之间以及长光纤陶瓷插芯11与后端壳体中心孔5之间采用过盈配合，因此为满足以上加工要求，加工方式可选用配合加工。
[0065]
作为优选的实施方式，该结构可以通过机械加工以及mems加工实现,其中，所述背腔可以设计为不同直径，不同长度，实现声压探测不同程度的增敏。
[0066]
本实施例还涉及一种低压膜阻尼的光纤f-p声压传感器的使用方法，包括：
[0067]
步骤1，当所述光纤f-p声压传感器接收到声压变化时，所述敏感膜12发生挠度变形导致f-p干涉长度改变，引起所述光纤f-p声压传感器的单模光纤输出f-p干涉光强发生改变；
[0068]
步骤2，所述单模光纤将f-p干涉信号传递给光电探测器；
[0069]
步骤3，所述光电探测器将所述f-p干涉光强信号转换为电信号，然后通过后续处理电路或示波器获得待测声音信息。
[0070]
本实施例还提供一种低压膜阻尼的光纤f-p声压传感器的加工方法，其中声压传感器的端盖1和后端壳体4采用6061铝合金材料，包括：
[0071]
步骤1，加工端盖1，包括：
[0072]
步骤11，利用硬爪装夹6061铝合金圆柱的外圆；
[0073]
步骤12，利用小孔车刀加工通孔，同时利用配合加工精加工所述通孔的直径，以保证所述通孔与短光纤陶瓷插芯7过盈配合；
[0074]
步骤13，利用外圆车刀加工端盖1的外圆以及凸台3；
[0075]
步骤14，利用切断刀切断零件并在长度方向留出余量；
[0076]
步骤15，利用外圆刀精加工端盖1的端面，以保证总体长度符合设计要求；
[0077]
步骤2，加工后端壳体4，包括：
[0078]
步骤21，利用硬爪装夹6061铝合金圆柱的外圆；
[0079]
步骤22，利用小孔车刀加工通孔，同时利用配合加工精加工所述通孔的直径，以保证所述通孔与长光纤陶瓷插芯11过盈配合；
[0080]
步骤13，利用外圆车刀加工后端壳体4外圆；
[0081]
步骤14，利用小孔车刀加工后端壳体4的后端壳体凹槽6；
[0082]
步骤15，利用切断刀切断零件并在长度方向留出余量；
[0083]
步骤16，利用外圆刀精加工端盖1的端面，以保证总体长度符合设计要求；
[0084]
步骤3，清洗所述传感器的外表面，包括用超声清洗端盖1与后端壳体4以去除表面毛刺。
[0085]
本实施例给出了一组低压膜阻尼的光纤f-p声压传感器结构的敏感尺寸：
[0086]
端盖1与后端壳体4材料均为6061铝镁合金，端盖1上端面与下端面之间距离为2.5mm，端盖1外径为8mm，凸台3直径为6mm，凸台3高度为1mm，后端壳体4外径为8mm，凹槽6深度为2mm，凹槽6直径为6mm，中心孔2和5内径均为2.5mm。
[0087]
短光纤陶瓷插芯7与长光纤陶瓷插芯11材料均为氧化锆陶瓷，二者外径均为2.51mm，短光纤陶瓷插芯7长度为2.5mm，长光纤陶瓷插芯11长度为10.5mm，中心孔8和10内径均为125μm。
[0088]
敏感膜12材料为10层cvd石墨烯膜，厚度约为3.35nm。
[0089]
其中涉及各项尺寸均可大于或小于实施例中所给尺寸。
[0090]
本实施例的原理及工作过程是：所述一种低压膜阻尼的光纤f-p声压传感器结构的背腔为密封状态，外界声压穿过直径125μm，长度2.5mm的短光纤陶瓷插芯中心孔后作用于敏感膜，敏感膜产生挠度变形，该挠度变形改变了f-p干涉腔的腔长，从而产生相位调制的f-p干涉光，单模光纤将该干涉光传输给后续光电探测器，将相位调制的干涉光转变为电压变化，实现对声压的探测。上述体积扩增的背腔降低了敏感膜振动时的阻尼，从而实现敏感膜机械灵敏度的提高。
[0091]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。