[发明专利]一种基于超声波检测电压的光纤传感装置及实现方法

权利要求书

1.一种基于超声波检测电压的光纤传感装置，其特征在于：它包括ASE光源(1)、光纤耦合器(2)、传感单元(3)、超声波转换装置(4)、光电转换器(5)、信号处理模块(6)；

所述传感单元(3)包括单模光纤(3-1)、玻璃插芯(3-2)、硅环(3-3)、石英膜片(3-4)、石墨烯(3-5)、金膜(3-6)其中：

单模光纤(3-1)和硅环(3-3)内表面形成空气法珀腔，并且此空气法珀腔的腔长约为26μm，硅环(3-3)自身构成硅法珀腔，硅法珀腔的腔长为石英膜片(3-4)的高度40μm；

硅环(3-3)使用紫外切割机切割单晶硅片切割而成；

石英膜片(3-4)是由(NH 4 ) 2 SiF 6 净化液置于水浴锅中，搅拌加热至一定温度，加氟硅酸氨溶液和26wt％的氨水，到达反应终点时加入氨水，搅拌下陈化，过滤，滤液备用，滤饼用超纯水多次洗涤，将滤饼加入适量超纯水，升温至85℃热洗0.6h，趁热固液分离，滤饼120℃干燥2.5h，煅烧得二氧化硅，将二氧化硅放置于马弗炉中进行1310℃煅烧并保温3h使之晶化，对晶体切割则得到石英膜片；

石墨烯(3-5)采用液相剥离法制备，将天然石墨，硫酸，重铬酸钾按质量比为1.5：3：0.2均匀混合，在100℃水浴中充分反应，随后反应液加离子水洗涤、过滤，50℃烘干，将烘干粉末经过1200℃膨化处理10s，随后将其放入N-甲基吡铬烷酮溶剂中，低速搅拌充分混合，将悬浮液经过高压均质装置进行剥离，压力为80MPa，循环8次得到石墨烯溶液，将其冷冻干燥加压制成石墨烯薄片；

金膜(3-6)是通过电子束蒸发的方法获取，选择标准的硅片作为生长的基底，在硅片上涂抹光刻胶，采用电子束蒸发的方法在光刻胶上生长厚度为200nm的金膜，然后将金膜样品与传感装置粘连，并放置于盛有99.7％浓度分析纯的丙酮溶液中，静置13h后，光刻胶被腐蚀，金膜与硅片基底的彻底分离，镀膜完成；

传感单元(3)中单模光纤(3-1)插入玻璃插芯(3-2)中，玻璃插芯(3-2)、硅环(3-3)、石英膜片(3-4)、石墨烯(3-5)、金膜(3-6)依次叠放并粘结并封装后构成传感单元(3)；

传感单元(3)的具体制备过程包括部件的尺寸选择、部件的分割、部件的放置位置、部件的封装；

其中：部件的尺寸选择包括选择石英膜片(3-4)的厚度为61μm、直径为4mm的圆形膜片，硅环(3-3)外径3mm、内径2mm、厚度为40μm；

部件的分割包括对硅环(3-3)的切割和石英膜片(3-4)的切割，首先在硅环(3-3)的单晶硅中切割外径为3mm、内径为2mm、厚度为40μm的圆环，在厚度为22μm的两面抛光的石英膜片上切割出直径为5mm的石英膜片；

部件的放置位置包括将石英膜片(3-4)和硅环(3-3)按顺序叠放在高温加热台上，将外径为3mm的玻璃插芯(3-2)放置在硅环(3-3)上面，将玻璃插芯(3-2)与硅环(3-3)和石英膜片(3-4)、石墨烯(3-5)的中心对齐；

部件的封装包括使用粘结剂将玻璃插芯(3-2)、硅环(3-3)、石英膜片(3-4)石墨烯(3-5)密封，之后将切割平整的单模光纤(3-1)插入玻璃插芯(3-2)的合适位置，使用紫外胶进行预固定，之后再用环氧树脂进行完全的固定，静置48小时；

传感单元(3)中硅环(3-3)使用的材料为单晶硅，利用紫外切割机切割而成。

2.根据权利要求1所述的一种基于超声波检测电压的光纤传感装置的实现方法，其特征在于：

ASE光源(1)发出光束传输至光纤耦合器(2)，光纤耦合器(2)输出光束传输至传感单元(3)，光束在传感单元(3)中进行反射和透射，当传感单元(3)放置在超声波转换装置(4)中时，传感单元(3)中的金膜(3-6)、石墨烯(3-5)、石英膜片(3-4)发生形变，使硅环(3-3)产生相应的变化，空气法珀腔转换变化，影响反射光的光程，进而产生光的干涉，干涉光通过单模光纤(3-1)返回至光纤耦合器(2)并通过光纤耦合器(2)传输至光电转换器(5)中，光电转换器(5)产生模拟信号并传输至信号处理模块(6)中进行数据处理。

3.根据权利要求2所述的一种基于超声波检测电压的光纤传感装置的实现方法，其特征在于：

所述ASE光源(1)为宽带光源，中心波长为1550nm用于产生光信号。