一种具有对称气孔的光纤气体流量计及其制备方法和检测方法

本发明涉及光纤传感技术，尤其涉及一种具有对称气孔的光纤气体流量计及其制备方法和检测方法。

背景技术：

1、流量传感器在日常生活中起着不可或缺的作用。面对生活中不同的应用检测场所、不同的流体条件，流量传感器对其精度、检测范围、稳定性以及对极端环境的适应性要求都有所不同。在生物医疗领域，比如氨基酸发酵过程中，通入无菌空气不足会导致无法大量合成谷氨酸且生成代谢副产物，而通入过量气体则会抑制菌体生长，降低生产效率，因而对类似的微流量进行高精度检测在生物医疗领域的发展中是不可或缺的；在能源生产领域，微量易燃易爆气体的检测对工程安全问题更是具有着重要意义；在电子领域，近些年来逐渐变成研究主流的电子皮肤等各种可穿戴产品也正是通过对周边气体流量的传感进而分析模拟皮肤触感。

2、传统的基于mems工艺的流量传感器大致可以分为三类，分别是热式流量传感器、压阻式流量传感器、压电式流量传感器，其原理和结构复杂多样，在目前工业生产和国民生活众多领域得到广泛的应用。但由于传统的流量传感器检测大多数是基于电信号实现的，其在易燃易爆气体检测领域，以及注重设备微型化及抗电磁干扰性能的航天航空领域的使用，具有一定的局限性。

3、因而，研究一种检测范围宽、检测灵敏度高、高精度、微型化、能够抗电磁干扰的气体流量传感器对生物医疗、环境监测等都具有重大的作用。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术的不足，本发明提供一种具有对称气孔的光纤气体流量计，能够在常温常压下对气体流量进行检测，具有检测范围宽、检测灵敏度高、高精度、微型化、能够抗电磁干扰等优势。

2、本发明还提供上述光纤气体流量计的制备方法和检测方法。

3、本发明所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：

4、一种具有对称气孔的光纤气体流量计，包括单模光纤、空心管和谐振薄膜，所述空心管具有光学微腔以及与所述光学微腔的两端分别连通的第一端口和第二端口，所述空心管的第一端口与所述单模光纤的一端面相连接，所述空心管的第二端口与所述谐振薄膜相连接；所述谐振薄膜上开设有相互对称的多个纳米气孔。

5、进一步的，所述谐振薄膜包括外围区域和谐振区域，所述外围区域围绕在所述谐振区域外；所述外围区域与所述空心管的第二端口相连接，所述谐振区域悬浮于所述空心管的光学微腔前，且所述谐振区域与所述单模光纤的纤芯相对准；所述纳米气孔开设于所述谐振区域上。

6、进一步的，所述谐振薄膜包括相层叠的弹性薄膜和反射薄膜，所述弹性薄膜形成于所述空心管的第二端口上，所述反射薄膜形成于所述弹性薄膜背向所述空心管的一面上。

7、进一步的，所述弹性薄膜包括石墨烯薄膜，所述反射薄膜包括纳米金薄膜。

8、一种具有对称气孔的光纤气体流量计的制备方法，包括如下步骤：

9、步骤100：取一段空心管，所述空心管具有光学微腔以及与所述光学微腔的两端分别连通的第一端口和第二端口；

10、步骤200：将所述空心管的第一端口与所述单模光纤的一端面相连接；

11、步骤300：在所述空心管的第二端口上形成一谐振薄膜；

12、步骤400：对所述谐振薄膜进行刻蚀，以在所述谐振薄膜上形成相互对称的多个纳米气孔。

13、进一步的，在步骤200中，将所述空心管的第一端口与所述单模光纤的一端面相连接的步骤如下：

14、步骤210：将所述单模光纤的端面以及所述空心管的第一端口各自切平；

15、步骤220：将所述单模光纤切平后的端面与所述空心管切平后的第一端口熔接在一起；

16、步骤230：将熔接在所述单模光纤上的空心管裁切至预定长度，以使所述空心管的光学微腔在所述单模光纤的端面上形成预定腔长。

17、进一步的，所述谐振薄膜包括相层叠的弹性薄膜和反射薄膜；在步骤300中，在所述空心管的第二端口上形成所述谐振薄膜的步骤如下：

18、步骤310：在所述空心管的第二端口上形成所述弹性薄膜；

19、步骤320：在所述弹性薄膜背向所述空心管的一面上形成所述反射薄膜。

20、进一步的，所述弹性薄膜包括石墨烯薄膜，在步骤310中，在所述空心管的第二端口上形成所述弹性薄膜的步骤如下：

21、步骤311：通过气相沉积法在铜箔上生长形成所述石墨烯薄膜；

22、步骤312：采用三氯化铁溶液将所述铜箔溶解腐蚀，使所述铜箔上的石墨烯薄膜转移至所述三氯化铁溶液中；

23、步骤313：采用去离子水对转移有所述石墨烯薄膜的三氯化铁溶液进行稀释过滤，使所述三氯化铁溶液中的石墨烯薄膜转移漂浮至所述去离子水上；

24、步骤314：将所述空心管的第二端口缓慢地靠近漂浮于所述去离子水上的石墨烯薄膜，待所述空心管的第二端口接触到所述石墨烯薄膜后再缓慢地将其拉离，使所述石墨烯薄膜转移至所述空心管的第二端口上；

25、步骤315：对所述空心管上的石墨烯薄膜进行干燥处理，使所述石墨烯薄膜悬空于所述空心管上。

26、一种气体流量检测方法，包括如下步骤：

27、s1：将上述光纤气体流量计放置于密封气室中；

28、s2：将具有第一波长的激励光信号以及具有第二波长的检测光信号共同耦合进所述光纤气体流量计内，使所述激励光信号驱动所述光纤气体流量计中的谐振薄膜产生简谐振动；

29、s3：获取被所述光纤气体流量计反射回来的检测光信号，得到所述待测气体的反射频谱；

30、s4：往所述密封气室内通入所述待测气体；

31、s5：根据所述反射频谱的谐振频率，计算出所述待测气体的气体流量。

32、进一步的，在步骤s5中，所述反射频谱的谐振频率fmn和所述待测气体的气体流量qs之间，满足如下公式：

33、

34、αmn是与所述谐振薄膜的振动模态阶数有关的常数，a是所述谐振薄膜的半径，ρ是所述谐振薄膜的密度，t是所述谐振薄膜的厚度，μ是所述待测气体的动力粘度，di是所述待测气体的分子直径大小，κ是所述谐振薄膜的孔隙率。

35、进一步的，在步骤s4中，采用流量控制器控制所述待测气体被通入所述密封气室内的气体流量，并通过所述流量控制器输出得到所述气体流量的设定值；在步骤s5中，采用所述流量控制器输出得到的气体流量的设定值对所述光纤气体流量计检测得到的所述气体流量的检测值进行比较标定。

36、本发明具有如下有益效果：本专利基于光纤fpi传感技术，当所述谐振薄膜的纳米气孔的孔径大于待测气体的分子平均自由程时，所述待测气体在所述谐振薄膜的纳米气孔中的扩散运动呈现集合流形式，其扩散阻力主要为气体分子间的碰撞，其流量可引起所述谐振薄膜两侧的气压差变化，进而导致所述谐振薄膜的谐振频率发生变化，表现在所述光纤气体流量计的反射频谱中为所述谐振峰发生漂移，当所述待测气体的气体流量不同时，所述谐振峰的漂移量也不同，通过所述谐振峰的漂移量即可计算出所述待测气体的气体流量，实现在常温常压下对气体流量进行检测，具有检测范围宽、检测灵敏度高、高精度、微型化、能够抗电磁干扰等优势。