CN109782022B - 一种基于压力敏感的石墨烯谐振式光纤加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压力敏感的石墨烯谐振式光纤加速度计，包括光纤(1)、插芯(2)、弹性薄片(3)、密封塞(4)、气体密封腔(5)、石墨烯膜(6)。本发明采用石墨烯膜直接敏感腔内压力实现加速度测量的方式：安装在弹性薄片上的插芯作为主要附加质量直接感受被测加速度，带动弹性薄片产生纵向位移，引起密封腔内气体压力发生变化，压力作用于石墨烯膜以改变其面内应力，从而导致石墨烯膜谐振频率变化，通过干涉光检测解调谐振频率可实现对加速度的测量。本发明充分利用了石墨烯的力学、光学与谐振特性，从而使该加速度计具有灵敏度高、测量范围大、抗干扰能力强、易于制作和安装的突出特点。

Description

一种基于压力敏感的石墨烯谐振式光纤加速度计

技术领域

本发明涉及光电探测及微/纳机电***的技术领域，具体涉及一种基于压力敏感的石墨烯谐振式光纤加速度计。

背景技术

谐振式传感器是以谐振元件固有的谐振特性随被测量变化规律而实现的传感器，其自身为周期信号输出，只用简单的数字电路即可转换为易于微处理器接收的数字信号；同时，由于谐振敏感单元的重复性、分辨力和稳定性等非常优良，因此谐振式测量原理被广泛应用于惯性测量领域。谐振式微机械加速度计(MEMS)基于传统的加速度测量机理，通过敏感质量将加速度转化为惯性力，导致谐振敏感元件的谐振特性发生变化从而反向推算出被测加速度。相比于传统的加速度计，其具有体积微小、重量轻、成本低、能耗少的特点。目前，谐振式微机械加速度计主要采用石英或单晶硅作为谐振敏感元件，已经广泛应用于航空航天、汽车电子、武器装备、大地重力测量、地球资源勘探、工业检测等方面。然而，它们仍然具有体积较大、灵敏度较低、谐振频率较低、测量加速度范围较窄等不足，因此，采用尺寸更小、性能更优的新型材料作为谐振式微机械加速度计敏感元件以提高加速度计性能，显得十分迫切。

石墨烯是一种单层理论厚度仅为0.335nm的二维材料，是目前自然界中已知的最薄的材料。自单层石墨烯于2004年首次被发现以来，石墨烯因其优异的机械特性、电学特性、光学特性和热学性能而得到广泛关注。其杨氏模量高达1.1TPa，断裂强度达到130GPa，因此已被逐渐用于谐振式微机械加速度计的研究。目前，对于石墨烯谐振式加速度计的研究主要集中在理论分析及仿真模拟方面，通过实验探究其特性方面的研究还鲜有报道，而利用石墨烯制成加速度计样机或整体结构的研究更是处于空白，如2013年，Byun等人将金粒子附着于石墨烯膜上以作为附加质量并通过模拟仿真探究了敏感机理；2015年，Hurst等人提出了一种将SU-8胶附着于周边固支的石墨烯圆膜上以敏感加速度的方式，但其仅提供了基础的加速度敏感机理，并未涉及加速度计整体结构或样机的层面。究其原因，主要是因为现有实际工艺条件下，若将附加质量直接附着于石墨烯，则会引起石墨烯膜的破损以及缺陷，从而导致无法采用直接敏感的方式来实现对加速度的敏感过程。因此，本发明提出一种利用石墨烯膜挠度变形来敏感加速度的方式以实现加速度的测量。

对于谐振式传感器，选择不同的激励和检测方式，在一定程度上限制了其结构设计和制作工艺的实现难度。近年来国内外对石墨烯谐振器的研究大多采用电学激振/光学拾振方式，相比于电学激振方式，光学激励是一种非接触式的，可以在微米或纳米尺度上实现的激励方式，其结构简单、工艺复杂度低，也无需复杂的材料集成。此外，对于谐振式微机械加速度计，光学激励/检测可以在很大程度上结合柔性光纤和微结构谐振传感的优点。同时，由于石墨烯具有出色的光学特性，光学激励/检测方式对于探究石墨烯谐振式加速度计是较为理想的选择。因此，本发明提出了一种基于光纤式光学激励/检测的石墨烯谐振式加速度计。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术不足，充分结合光学激励检测与谐振式传感器技术优势，提供一种灵敏度高、测量范围大、抗干扰能力强、易于制作和安装的基于法布里-珀罗干涉的石墨烯谐振式加速度计。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于压力敏感的石墨烯谐振式光纤加速度计，包括光纤、插芯、弹性薄片、密封塞、气体密封腔、石墨烯膜，光纤插至距插芯下端面一定距离处，光纤前端与吸附在插芯下端面的石墨烯膜构成法布里-珀罗干涉腔；插芯与弹性薄片、弹性薄片与气体密封腔之间皆为固定封闭连接，从而实现对腔体上端的密封；填充气体通过气体密封腔下侧的进气口进入密封腔后，塞入密封塞以完成对整个腔体的密封。

其中，所述光纤可为单模光纤或多模光纤，位于插芯内部的光纤可单独使用或与毛细管光学器件熔接，以构成法布里-珀罗干涉腔。

其中，所述插芯作为固定光纤的器件，可制成不同外形或由多种光学器件组装连接而成，其内部及外部构造可根据所采用的光纤及光学器件进行调整。

其中，所述插芯作为敏感加速度的附加质量，可采用不同材料制作成具有不同外形、不同尺寸的附加质量块，其上可再外加附加质量以增加敏感质量。

其中，所述插芯与弹性薄片，弹性薄片与气体密封腔，以及密封塞与气体密封腔之间可通过螺栓连接、焊接、铆接、钉接、插接、胶接方式固定连接，以完成对整个腔体的密封。

其中，所述弹性薄片的材料及厚度可根据附加质量大小、被测加速度大小，以及与插芯的安装配合关系进行选择。

其中，所述气体密封腔的大小、外形可根据加速度测量范围、气体种类、光学***因素对应变化。

其中，所述石墨烯膜附着于插芯端面，其厚度为单层或多层石墨烯，形状及尺寸可根据所附着的插芯结构及法布里珀罗干涉腔结构进行改变。

其中，所述气体密封腔内所填充的气体可根据实际需要进行选择，如氮气或其他惰性气体。

其中，所述弹性薄片可更换为刚性部件，并将气体密封腔下端的进气口改为导压管，实现外界待测压力的谐振式检测。

本发明的原理及工作过程是：被测加速度作用于带有光纤的插芯，插芯与探头共同作为附加质量将加速度转化为集中力，使与其固定连接的弹性薄片产生与加速度方向一致的位移，此位移使密封腔的体积发生改变，导致密封腔内填充的气体受到压缩引起腔内压力变化。吸附于插芯端面的石墨烯膜受光纤导入的激励光作用，通过光热激励以一定的振动幅值处于谐振状态，与光纤端面构成特定腔长的法布里珀罗干涉腔。当石墨烯膜受到腔内压力的作用时，其面内应力产生变化，导致其谐振频率和振动幅值发生改变，进而引起干涉腔腔长的变化，最终导致检测干涉光强度改变。通过检测干涉光光强的变化，即可确定被测加速度的大小，从而实现待测加速度的测量。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明在现有技术条件下，充分结合石墨烯谐振特性与光学特性，采用光学激励检测方式，设计出了一种具有完整结构、可直接用于加速度测量的谐振式加速度计，从而避免了设计加速度计外部电路及外部敏感结构等步骤，便于加速度计的设计制作与安装。

(2)本发明采用石墨烯膜挠度变化敏感加速度的方式，作为敏感加速度的附加质量不直接附着于膜上，从而避免了附加质量引起石墨烯膜的破损或缺陷，保证了干涉腔的完整性，确保加速度检测的准确性与可靠性。

(3)本发明采用石墨烯作为谐振式加速度计的谐振敏感元件，石墨烯出色的机械特性使石墨烯谐振式加速度计的谐振频率和品质因数明显优于传统的石英、硅微加速度计。

(4)本发明采用法布里-珀罗干涉的光学激励/检测方法实现石墨烯谐振特性的测量，使谐振式加速度计具有结构简单、频带宽、灵敏度高、损耗低以及电磁抗干扰能力强的特点。

(5)本发明采用石墨烯膜作为法布里-珀罗干涉腔的反射面，石墨烯优异的机械力学特性极大提高了法布里-珀罗光学位移检测的灵敏度和精度，并可大幅提升加速度计的抗电磁、湿度等干扰的能力。

(6)本发明所设计的插芯、弹性薄片及气体密封腔等所用的材料、尺寸和外形可根据所采用的法布里-珀罗干涉腔及测量范围等因素进行调节，从而使加速度计的测量范围和测量分辨率等参数具有可调性，满足不同测试要求。

(7)本发明所设计的结构，可以通过调节结构中的零部件的材料及尺寸，改变其在传感器中的功能，从而可将加速度计用于外界压力的测量。

附图说明

图1为本发明中基于法布里-珀罗干涉的石墨烯谐振式加速度计外形图。

图2为本发明中基于法布里-珀罗干涉的石墨烯谐振式加速度计内部结构剖视图。

图中附图标记含义为：1为光纤；2为插芯；3为弹性薄片；4为密封塞；5为气体密封腔；6为石墨烯膜；7为干涉腔；8为气体。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1、图2所示，本实施例的一种基于压力敏感的石墨烯谐振式光纤加速度计，主要包括光纤1、插芯2、弹性薄片3、密封塞4、气体密封腔5、石墨烯膜6，光纤1插至距插芯2下端面一定距离处，光纤前端与吸附在插芯下端面的石墨烯膜6构成法布里-珀罗干涉腔；插芯2与弹性薄片3，以及弹性薄片3与气体密封腔5之间皆为固定封闭连接，从而实现对腔体上端的密封；填充气体通过气体密封腔5下侧的进气口进入密封腔后，塞入密封塞4以完成对整个腔体的密封。当被测加速度作用于带有光纤1的插芯2时，插芯与光纤探头共同作为附加质量将加速度转化为集中力，使与其固定连接的弹性薄片3产生与加速度方向一致的位移，此位移使密封腔的体积发生改变，导致密封腔内填充的气体受到压缩引起腔内压力变化。吸附于插芯端面的石墨烯膜6受光纤1导入的激励光作用，通过光热激励以一定的振动幅值处于谐振状态，与光纤端面构成特定腔长的法布里-珀罗干涉腔。当石墨烯膜6受到腔内压力的作用时，其面内应力产生改变，导致其谐振频率和振动幅值发生改变，并引起干涉腔腔长的变化。通过检测干涉光光强的变化，即可确定被测加速度的大小，从而实现待测加速度的测量。

本实施例给出了一组传感器结构尺寸：

光纤1采用单膜光纤，其包层直径为125μm，纤芯直径为10μm。

插芯2设计为如图1和图2所示的外形，采用陶瓷材料制成。所述的插芯2的前端突出的中心柱体用于放置并固定光纤，其外径为2.5mm，内径为125μm，长度为插芯总长度7mm；其后端较大外部柱体用于与弹性薄片3进行固定连接，并作为主要附加质量敏感加速度变化，其外径为5mm，长度为3mm。插芯2与弹性薄片3之间通过密封胶固定连接。

弹性薄片3采用弹性不锈钢制成，其外部直径为15mm，内部孔径为2.5mm，厚度为0.25mm，并与气体密封腔5通过公称直径为1mm的螺纹螺栓固定连接。

气体密封腔5由不锈钢制成，其外部直径为15mm，高度为8mm。所述的气体密封腔5的内部腔体的直径为10mm，高度为6mm；腔体壁厚为2.5mm；底部壁厚2mm；底部凸台的外径为4mm，高度为1mm，内嵌有一直径为1mm的进气孔，并贯通密封腔底部。

密封塞4采用橡胶材料制成。所述的密封塞4的塞头直径为4mm，长度为1mm；塞杆直径为1mm，长度为3mm。

石墨烯膜6的直径为125μm，厚度采用10层(约3.35nm)石墨烯薄膜。所述石墨烯膜6的有效直径与插芯2的内径一致，并作为一个反射面与光纤端面构成法布里-珀罗干涉腔，初始干涉腔腔长为200μm。

本发明的各项尺寸均可大于或小于实施例中所给尺寸。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种基于压力敏感的石墨烯谐振式光纤加速度计，包括光纤（1）、插芯（2）、弹性薄片（3）、密封塞（4）、气体密封腔（5）、石墨烯膜（6），其特征在于：光纤（1）插至距插芯（2）下端面一定距离处，光纤前端与吸附在插芯下端面的石墨烯膜（6）构成法布里-珀罗干涉腔；插芯（2）与弹性薄片（3），以及弹性薄片（3）与气体密封腔（5）之间皆为固定封闭连接，从而实现对腔体上端的密封；填充气体通过气体密封腔（5）下侧的进气口进入密封腔后，借助密封塞（4）完成对整个腔体的密封；所述插芯（2）与弹性薄片（3），弹性薄片（3）与气体密封腔（5），以及密封塞（4）与气体密封腔（5）之间可通过螺栓连接、焊接、铆接、钉接、插接或胶接方式固定连接，以完成对整个腔体的密封。

2.如权利要求1所述的一种基于压力敏感的石墨烯谐振式光纤加速度计，其特征在于：所述光纤（1）可为单模光纤或多模光纤，位于插芯（2）内部的光纤可单独使用或与毛细管光学器件熔接，以构成法布里-珀罗干涉腔。

3.如权利要求1所述的一种基于压力敏感的石墨烯谐振式光纤加速度计，其特征在于：所述插芯（2）作为固定光纤的器件，可设计为不同外形或由多种光学器件组装连接而成，其内部及外部构造可根据所采用的光纤及光学器件进行调整。

4.如权利要求1所述的一种基于压力敏感的石墨烯谐振式光纤加速度计，其特征在于：所述插芯（2）作为敏感加速度的主要附加质量，可采用不同材料制作成具有不同外形、不同尺寸的附加质量块，其上可再外加附加质量以增加敏感质量。

5.如权利要求1所述的一种基于压力敏感的石墨烯谐振式光纤加速度计，其特征在于：所述弹性薄片（3）的材料及厚度可根据附加质量大小、被测加速度大小，以及与插芯的安装配合关系进行选择。

6.如权利要求1所述的一种基于压力敏感的石墨烯谐振式光纤加速度计，其特征在于：所述气体密封腔（5）的大小、外形可根据加速度测量范围、气体种类、光学***因素对应变化。

7.如权利要求1所述的一种基于压力敏感的石墨烯谐振式光纤加速度计，其特征在于：所述石墨烯膜（6）附着于插芯端面，其厚度为单层或多层石墨烯，形状及尺寸可根据所附着的插芯结构及法布里珀罗干涉腔结构进行改变。

8.如权利要求1所述的一种基于压力敏感的石墨烯谐振式光纤加速度计，其特征在于：所述气体密封腔（5）内所填充的气体为氮气或其他惰性气体。

9.如权利要求1所述的一种基于压力敏感的石墨烯谐振式光纤加速度计，其特征在于：所述弹性薄片（3）可更换为刚性部件，并将气体密封腔（5）下端的进气口改为导压管，实现外界待测压力的谐振式检测。

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