一种膜片增强波导结构的光纤超声传感器的制作方法

本发明涉及光学微纳传感器制备，具体涉及一种膜片增强波导结构的光纤超声传感器。

背景技术：

1、局部放电是造成电力设备绝缘故障的主要原因，因此有必要对变压器的局部放电进行实时在线检测，确保电力系统安全稳定运行，局部放电现象会产生特定频率范围内的声波信号。声波传感器同时也在多个领域发挥着关键作用，包括安防监听、结构健康监测、极端环境通信、智能电网安全检测以及医学影像等方面。随着信息技术的迅速发展，对于高灵敏度和大带宽声信号探测的需求不断增长。与电声传感技术相比，光纤超声传感器具有高灵敏度、广泛的动态范围、快速的响应速度和良好的抗电磁干扰性能等优势。光纤声传感器本身由非金属材料构成，具有绝缘性质，因此适用于电声传感器无法胜任的场景，如强电磁干扰、易燃易爆和高温高压等复杂环境。

2、光纤马赫-曾德尔干涉仪(macher-zehnder interferometer,mzi)作为一种高精度光学传感器，可以将光学元件集成于传感臂当中，通过设计光学元件结构可以实现高灵敏度和弱声探测能力。光纤马赫-曾德尔干涉仪中光源发射相干光并被3db耦合器分成2束，分别在传感臂光纤和参考臂光纤中传输，传感探头设置于信号臂中，超声波信号作用于传感臂，对传感光相位进行调制，两路光信号在第二个耦合器发生耦合干涉，光电探测器将光信号转换为电信号。马赫-曾德尔干涉仪可有效降低相干噪声。对于mzi传感器，传感探头的选择对mzi的性能至关重要。采用双光子3d打印技术可以解决常规制备方法难以控制制备参数的问题，实现对任意结构传感器进行制备，可保证在提高传感臂长度的同时器件小型化。但现有技术中，采用3d打印的光纤超声传感器的波导结构由于具有优越的弹性特性，使其对声波引起的振动响应不足，因此需要对膜片结构进一步设计，以实现光纤超声传感器对声波的高灵敏且宽频率响应。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种膜片增强波导结构的光纤超声传感器，以克服波导结构对声波引起的振动响应不足，提高光纤超声传感器对声波的灵敏度和宽频率响应。

2、为了达到上述目的，本发明提供了一种膜片增强波导结构的光纤超声传感器，包括：

3、双芯光纤，由两个单芯光纤平行放置构成；

4、波导结构，为弧形结构，其两端分别同轴连接两个所述单芯光纤的同侧端部；

5、中空圆柱形支架，设置在所述双芯光纤的端部边缘处，将所述波导结构包裹在内，且其高度和所述波导结构相同；

6、聚合物振动膜片，设置在所述中空圆柱形支架顶部端口处，且和所述波导结构顶端的弧面部分接触。

7、可选地，所述波导结构、中空圆柱形支架和聚合物振动膜片均由双光子3d打印技术制备得到。

8、可选地，所述波导结构的顶端与所述聚合物振动膜片接触的弧面部分为正弦形结构。

9、可选地，所述双芯光纤包括第一单芯光纤和第二单芯光纤，光源信号通过所述第一单芯光纤传入光纤超声传感器，并通过波导结构传输至第二单芯光纤中，由第二单芯光纤输出反射信号。

10、可选地，所述波导结构、中空圆柱形支架和聚合物振动膜片均采用光固化材料。

11、可选地，所述聚合物振动膜片为圆形，与所述双芯光纤同轴。

12、可选地，对聚合物振动膜片的外侧施加外部声压信号，外部声压信号会引起聚合物振动膜片振动，使波导结构发生形变，引起波导结构的折射率发生变化，改变光纤超声传感器输出的反射信号的光强度、相位；可通过检测反射信号的光强度变化、相位变化还原外部声压信号。

13、可选地，在3d打印时，将中空圆柱形支架和双芯光纤的端部边缘处连接，用于确保3d打印结构的稳定。

14、相对于现有技术，本发明的技术方案至少具有如下有益效果：

15、(1)本发明将波导结构与聚合物振动膜片接触的部分设计为正弦形，使得光纤超声传感器在受到外界压力时，输出第一反射信号的相位变化更加明显，提高光纤超声传感器的灵敏度。

16、(2)本发明使用双光子3d打印技术直接在双芯光纤端面制备一体化微纳超声传感器，结构尺寸小、集成度高、稳定性好。

17、(3)本发明所用光纤为双芯光纤，入射光和反射光可分别在双芯光纤的两个单芯光纤中传输，便于输出反射信号的集成和测量。

技术特征：

1.一种膜片增强波导结构的光纤超声传感器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的膜片增强波导结构的光纤超声传感器，其特征在于，所述波导结构、中空圆柱形支架和聚合物振动膜片均由双光子3d打印技术制备得到。

3.根据权利要求1所述的膜片增强波导结构的光纤超声传感器，其特征在于，所述波导结构的顶端与所述聚合物振动膜片接触的弧面部分为正弦形结构。

4.根据权利要求1所述的膜片增强波导结构的光纤超声传感器，其特征在于，所述双芯光纤包括第一单芯光纤和第二单芯光纤，光源信号通过所述第一单芯光纤传入光纤超声传感器，并通过波导结构传输至第二单芯光纤中，由第二单芯光纤输出反射信号。

5.根据权利要求1所述的膜片增强波导结构的光纤超声传感器，其特征在于，所述波导结构、中空圆柱形支架和聚合物振动膜片均采用光固化材料。

6.根据权利要求1所述的膜片增强波导结构的光纤超声传感器，其特征在于，所述聚合物振动膜片为圆形，与所述双芯光纤同轴。

7.根据权利要求1所述的膜片增强波导结构的光纤超声传感器，其特征在于，对聚合物振动膜片的外侧施加外部声压信号，外部声压信号会引起聚合物振动膜片振动，使波导结构发生形变，引起波导结构的折射率发生变化，改变光纤超声传感器输出的反射信号的光强度、相位；可通过检测反射信号的光强度变化、相位变化还原外部声压信号。

8.根据权利要求1所述的膜片增强波导结构的光纤超声传感器，其特征在于，在3d打印时，将中空圆柱形支架和双芯光纤的端部边缘处连接，用于确保3d打印结构的稳定。

技术总结本发明公开了一种膜片增强波导结构的光纤超声传感器，包括：双芯光纤，由两个单芯光纤平行放置构成；波导结构，为弧形结构，其两端分别同轴连接两个所述单芯光纤的同侧端部；中空圆柱形支架，设置在所述双芯光纤的端部边缘处，将所述波导结构包裹在内，且其高度和所述波导结构相同；聚合物振动膜片，设置在所述中空圆柱形支架顶部端口处，且和所述波导结构顶端的弧面部分接触。本发明所用光纤为双芯光纤，入射光和反射光可分别在两个单芯光纤中传输，便于输出反射信号的集成和测量；将波导结构与聚合物振动膜片接触的部分设计为正弦形，使得光纤超声传感器在受到外界压力时，输出反射信号的相位变化更加明显，提高光纤超声传感器的灵敏度。技术研发人员：孙宁,叶子,邵宇鹰,徐韵,何诚硕,杨嘉禹,李正,赵盛迪,徐溢民受保护的技术使用者：国网上海市电力公司技术研发日：技术公布日：2024/8/27