一种基于共模结构的光纤微光液体传感器及检测系统的制作方法

1.本实用新型属于光纤检测技术领域，具体地说，涉及一种基于共模结构的光纤微光液体传感器及检测系统。


背景技术：

2.液体测量技术目前已广泛应用在工业及生产生活中，包括航空航天、工业存储等领域均有涉及。但对于高温、高电磁场、高腐蚀等液体测量场景，传统式电子式液体测量系统已无法满足需求。因此，如何准确、便捷地对液体进行多参量测量，以及成为学术界和工业界研究的重点。
3.光纤结构的光传感器具有无缘、紧凑、抗电磁干扰等优势，极其适合应用于复杂环境中。其中，基于光纤微光机电系统(mems)的法布里-珀罗干涉式光纤传感器因其高灵敏度、高精度等特性，已在温度感知、压力传感、声波探测等场景得到了广泛使用。但是现有mems光纤传感方案，在多测量参量方面仍与传统液体测量系统存在差距，通常只能单独测量液体密度或者液位信息，在多参数解耦合方面难度巨大，远无法满足实际应用的需要。


技术实现要素：

4.本实用新型针对现有技术的上述缺陷和需求，提出了一种基于共模结构的光纤微光液体传感器及检测系统，通过设置镜像对称的两法布里-珀罗干涉腔，并将其中一个设置为液体流动的液体腔，另一个设置为密封的空气腔，两个干涉腔之间采用复合型mems薄膜隔离，从而通过液体的流动造成的液压带动复合型mems薄膜对空气腔一侧进行不同的移动，从而造成腔内光谱强度的变化，从而测量出液体容器内的液体变化情况。本实用新型通过上述设置实现了复杂环境下对液体容器中液体参数的多方位精确测量。
5.本实用新型具体实现内容如下：
6.本实用新型提出了一种基于共模结构的光纤微光液体传感器，安装在液体容器中，与激光发射及检测系统连接，用于对液体容器中的液体进行测量，所述光纤微光液体传感器包括两个光纤组件和复合型mems薄膜，其中一组光纤组件为液体腔光纤组件，另一组光纤组件为空气腔光纤组件，每组光纤组件包括单模光纤、毛细玻璃管、外玻璃管；
7.所述毛细玻璃管密封设置在所述外玻璃管的一端口，所述单模光纤穿过毛细玻璃管进入外玻璃管中；所述单模光纤位于外玻璃管外侧的一端连接所述激光发射及检测系统；
8.两个光纤组件的外玻璃管未设置毛细玻璃管的一端通过复合型mems薄膜对接密封连接；
9.在为液体腔光纤组件的外玻璃管上设置有进水口和出水口；
10.所述液体腔光纤组件通过对应的单模光纤、毛细玻璃管、外玻璃管、进水口和出水口形成液体法布里-珀罗干涉腔；所述空气腔光纤组件通过对应的单模光纤、毛细玻璃管、外玻璃管形成空气法布里-珀罗干涉腔。
11.为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述复合型mems薄膜分为三层，分别为第一高折射率镀膜、氮化硅层、第二高折射率镀膜；
12.所述第一高折射率镀膜与为液体腔光纤组件的外玻璃管的管口密封连接；所述第二高折射率镀膜与为空气腔光纤组件的外玻璃管的管口密封连接。
13.为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述第一高折射率镀膜和第二高折射率镀膜的厚度为四分之一入射光波长的奇数倍。
14.为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述单模光纤、毛细玻璃管、外玻璃管、复合型mems薄膜之间中心对齐。
15.一种基于共模结构的光纤微光液体传感器检测系统，安装在液体容器中，用于对液体容器中的液体进行测量；所述光纤微光液体传感器检测系统包括扫频激光器、3db耦合器、环形器、光谱分析仪、光纤微光液体传感器；
16.所述光纤微光液体传感器设置n组，n≥1；每组光纤微光液体传感器包括包括两个光纤组件和复合型mems薄膜，其中一组光纤组件为液体腔光纤组件，另一组光纤组件为空气腔光纤组件，每组光纤组件包括单模光纤、毛细玻璃管、外玻璃管；
17.所述毛细玻璃管密封设置在所述外玻璃管的一端口，所述单模光纤穿过毛细玻璃管进入外玻璃管中；所述单模光纤位于外玻璃管外侧的一端连接所述光纤检测系统；
18.两个光纤组件的外玻璃管未设置毛细玻璃管的一端通过复合型mems薄膜对接密封连接；
19.在为液体腔光纤组件的外玻璃管上设置有进水口和出水口；
20.所述液体腔光纤组件通过对应的单模光纤、毛细玻璃管、外玻璃管、进水口和出水口形成液体法布里-珀罗干涉腔；所述空气腔光纤组件通过对应的单模光纤、毛细玻璃管、外玻璃管形成空气法布里-珀罗干涉腔；
21.所述环形器和光谱分析仪分别设置2n组，每两个环形器分别对应与一个光纤微光液体传感器的两个单模光纤连接；
22.所述光谱分析仪分别对应连接一个环形器；
23.两组对应的环形器分别连接一个3db耦合器后，通过3db耦合器与所述扫频激光器连接。
24.为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述复合型mems薄膜分为三层，分别为第一高折射率镀膜、氮化硅层、第二高折射率镀膜；
25.所述第一高折射率镀膜与为液体腔光纤组件的外玻璃管的管口密封连接；所述第二高折射率镀膜与为空气腔光纤组件的外玻璃管的管口密封连接。
26.为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述第一高折射率镀膜和第二高折射率镀膜的厚度为四分之一入射光波长的奇数倍。
27.为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述单模光纤、毛细玻璃管、外玻璃管、复合型mems薄膜之间中心对齐。
28.为了更好地实现本实用新型，进一步地，n＝3，即所述光纤微光液体传感器设置三组，分别以x、y、z三个方向为轴向安装在所述液体容器中。
29.为了更好地实现本实用新型，进一步地，三组所述光纤微光液体传感器的物体中心位于液体容器中的同一平面上。
30.本实用新型与现有技术相比具有以下优点及有益效果：
31.1)静态测量时，仅需将该共膜结构的光纤微光机电系统液体传感器置于待测液体中，通过光谱仪测量两法布里-珀罗干涉腔干涉光谱的平移情况，即可获得液体的参数。
32.2)对于空气腔而言，其光谱平移反应了液体压强的变换，用于获取液位信息；对于液体腔而言，其光谱平移是由液体压强、液体密度共同决定的，通过分析空气腔中的光谱变换即可分离出液体密度信息。
33.3)对于动态液体加速度的测量，在同一个平面上可以安装三组本传感器，分别以x、y、z三个方向为轴向安装。各个方向的传感器只对相应方向的加速度敏感，通过分析各传感单元液压的变化，即可获得液体的运动的情况。因此，本实用新型系统操作简单，传感单元小巧便于安装，可测量液体密度、液位、液体加速度等多项参数。
附图说明
34.图1是本实用新型提出的一种共膜结构的光纤微光机电系统液体传感器示意图；
35.图2是为本实用新型的信号解调系统示意图；
36.图3是本实用新型提出的液体三维加速度测量的俯视图；
37.图4是本实用新型提出的液体三维加速度测量的主视图。
38.其中：1、单模光纤，2、毛细玻璃管，3、外玻璃管，4、进水口，5、出水口，6、复合型mems薄膜，6-1、第一高折射率镀膜，6-2、氮化硅层，6-3、第二高折射率镀膜，7、光纤微光液体传感器，8、扫频激光器，9、3db耦合器，10、环形器，11、光谱分析仪。
具体实施方式
39.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术工作人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
40.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
41.实施例1：
42.本实施例提出了一种基于共模结构的光纤微光液体传感器，安装在液体容器中，与激光发射及检测系统连接，用于对液体容器中的液体进行测量；如图1所示，所述光纤微光液体传感器包括两个光纤组件和复合型mems薄膜6，其中一组光纤组件为液体腔光纤组件，另一组光纤组件为空气腔光纤组件，每组光纤组件包括单模光纤1、毛细玻璃管2、外玻璃管3；
43.所述毛细玻璃管2密封设置在所述外玻璃管3的一端口，所述单模光纤1穿过毛细玻璃管2进入外玻璃管3中；所述单模光纤1位于外玻璃管3外侧的一端连接所述激光发射及
检测系统；
44.两个光纤组件的外玻璃管3未设置毛细玻璃管2的一端通过复合型mems薄膜6对接密封连接；
45.在为液体腔光纤组件的外玻璃管3上设置有进水口4和出水口5；
46.所述液体腔光纤组件通过对应的单模光纤1、毛细玻璃管2、外玻璃管3、进水口4和出水口5形成液体法布里-珀罗干涉腔；所述空气腔光纤组件通过对应的单模光纤1、毛细玻璃管2、外玻璃管3形成空气法布里-珀罗干涉腔。
47.工作原理：本传感器包含镜像对称的两法布里-珀罗干涉腔。
48.所述法布里-珀罗干涉腔由两反射面构成，其中复合型mems薄膜6作为两干涉腔的共同反射面，而另一个反射面各自不同的单模光纤1构成。所述复合型mems薄膜两面均由外玻璃管3固定，两外玻璃管3与复合型mems薄膜6中心对齐。所述外玻璃管3内部置有毛细玻璃管2。所述毛细玻璃管2内部固定有单模光纤1，单模光纤1与复合型mems薄膜6中心对齐。
49.由于法布里-珀罗干涉腔前后两反射镜即单模光纤1和复合型mems薄膜6反射光的干涉，各个频率成分干涉光的强度如公式所示，可以发现其频谱强度会呈现出明暗相间，周期性起伏的条纹。
[0050][0051]
当法布里-珀罗干涉腔腔长发生改变时，干涉光光谱强度会发生平移，通过分析光谱的平移量，即可定量还原出腔体的结构的变化。对于本系统而言，液体流入本传感器后，其液体液压将作用于复合型mems薄膜6，导致空气腔图1右侧的法布里-珀罗干涉腔腔长变短，通过分析空气腔光谱强度的平移即可获得液位信息。对于液体腔图1左侧的法布里-珀罗干涉腔，液体的流入会让腔内折射率反射改变，导致光在两反射镜间传输时光程发生改变，间接增加了腔体腔长；此外，液压会使复合型mems薄膜6向空气腔移动，也会造成腔体变长，但由于本实用新型采用的是共膜结构，其增长量与空气腔中的缩短量一致，因此可以通过空气腔中测量的结果分离出液体腔中液压的影响，精确测量出液体折射率的情况。
[0052]
实施例2：
[0053]
本实施例在上述实施例1的基础上，为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述复合型mems薄膜6分为三层，分别为第一高折射率镀膜6-1、氮化硅层6-2、第二高折射率镀膜6-3；
[0054]
所述第一高折射率镀膜6-1与为液体腔光纤组件的外玻璃管3的管口密封连接；所述第二高折射率镀膜6-3与为空气腔光纤组件的外玻璃管3的管口密封连接。
[0055]
为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述第一高折射率镀膜6-1和第二高折射率镀膜6-3的厚度为四分之一入射光波长的奇数倍。
[0056]
为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述单模光纤1、毛细玻璃管2、外玻璃管3、复合型mems薄膜6之间中心对齐。
[0057]
本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。
[0058]
实施例3：
[0059]
本实施例提出了一种基于共模结构的光纤微光液体传感器检测系统，安装在液体容器中，用于对液体容器中的液体进行测量；如图1、图2所示，所述光纤微光液体传感器检测系统包括扫频激光器8、3db耦合器9、环形器10、光谱分析仪11、光纤微光液体传感器7；
[0060]
所述光纤微光液体传感器7设置n组，n≥1；每组光纤微光液体传感器7包括包括两个光纤组件和复合型mems薄膜6，其中一组光纤组件为液体腔光纤组件，另一组光纤组件为空气腔光纤组件，每组光纤组件包括单模光纤1、毛细玻璃管2、外玻璃管3；
[0061]
所述毛细玻璃管2密封设置在所述外玻璃管3的一端口，所述单模光纤1穿过毛细玻璃管2进入外玻璃管3中；所述单模光纤1位于外玻璃管3外侧的一端连接所述光纤检测系统；
[0062]
两个光纤组件的外玻璃管3未设置毛细玻璃管2的一端通过复合型mems薄膜6对接密封连接；
[0063]
在为液体腔光纤组件的外玻璃管3上设置有进水口4和出水口5；
[0064]
所述液体腔光纤组件通过对应的单模光纤1、毛细玻璃管2、外玻璃管3、进水口4和出水口5形成液体法布里-珀罗干涉腔；所述空气腔光纤组件通过对应的单模光纤1、毛细玻璃管2、外玻璃管3形成空气法布里-珀罗干涉腔；
[0065]
所述环形器10和光谱分析仪11分别设置2n组，每两个环形器10分别对应与一个光纤微光液体传感器7的两个单模光纤1连接；
[0066]
所述光谱分析仪11分别对应连接一个环形器10；
[0067]
两组对应的环形器10分别连接一个3db耦合器9后，通过3db耦合器9与所述扫频激光器8连接。
[0068]
工作原理：扫频激光器与3db耦合器相连，3db耦合器两分光臂与环形器1端口相连，环形器2端口与液体传感器相连，环形器3端口与光谱分析仪相连。
[0069]
本发明的工作原理是：扫频激光器8提供的扫频光，经过3db耦合器9分为两路信号，通过环形器10，分别作用于共膜结构的光纤微光机电系统液体传感器7上，其回光信号通过光谱分析仪，分析其各光谱强度的变化。当扫频光作用于传感器7的两法布里-珀罗干涉腔上时，由于法布里-珀罗干涉腔前后两反射镜即单模光纤1和复合型mems薄膜6反射光的干涉，各个频率成分干涉光的强度如公式所示，可以发现其频谱强度会呈现出明暗相间，周期性起伏的条纹。
[0070][0071]
当法布里-珀罗干涉腔腔长发生改变时，干涉光光谱强度会发生平移，通过分析光谱的平移量，即可定量还原出腔体的结构的变化。对于本系统而言，液体流入本传感器后，其液体液压将作用于复合型mems薄膜6，导致空气腔图1右侧的法布里-珀罗干涉腔腔长变短，通过分析空气腔光谱强度的平移即可获得液位信息。对于液体腔图1左侧的法布里-珀罗干涉腔，液体的流入会让腔内折射率反射改变，导致光在两反射镜间传输时光程发生改变，间接增加了腔体腔长；此外，液压会使复合型mems薄膜6向空气腔移动，也会造成腔体变长，但由于本实用新型采用的是共膜结构，其增长量与空气腔中的缩短量一致，因此可以通
过空气腔中测量的结果分离出液体腔中液压的影响，精确测量出液体折射率的情况。
[0072]
实施例4：
[0073]
本实施例在上述实施例3的基础上，为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述复合型mems薄膜6分为三层，分别为第一高折射率镀膜6-1、氮化硅层6-2、第二高折射率镀膜6-3；
[0074]
所述第一高折射率镀膜6-1与为液体腔光纤组件的外玻璃管3的管口密封连接；所述第二高折射率镀膜6-3与为空气腔光纤组件的外玻璃管3的管口密封连接。
[0075]
为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述第一高折射率镀膜6-1和第二高折射率镀膜6-3的厚度为四分之一入射光波长的奇数倍。
[0076]
为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述单模光纤1、毛细玻璃管2、外玻璃管3、复合型mems薄膜6之间中心对齐。
[0077]
本实施例的其他部分与上述实施例3相同，故不再赘述。
[0078]
实施例5：
[0079]
本实施例在上述实施例1-4任一项的基础上，如图3、图4所示，为了更好地实现本实用新型，进一步地，n＝3，即所述光纤微光液体传感器7设置三组，分别以x、y、z三个方向为轴向安装在所述液体容器中。
[0080]
为了更好地实现本实用新型，进一步地，三组所述光纤微光液体传感器7的物体中心位于液体容器中的同一平面上。
[0081]
工作原理：图3是本发明提出基于共膜结构液体传感器的液体三维加速度测量示意图，共使用了三个共膜结构液体传感器7，安装于同一水平面的三侧容器壁，并且轴向方向分别朝向x、y、z。本系统的工作原理是通过测量各个方向传感器的液压变化，以获得液体加速度的情况。以传感器7-1为例，左侧为液体腔，右侧为空气腔，当液体以水平x轴方向、向左加速运动时，液体整体会向右发生倾斜，增加的液压会使得复合型mems薄膜向空气腔移动，通过解调中心波长的移动就可以得到加速度信息。同理传感器7-2可以测得y方向上的加速度，传感器7-3可以测得z方向上的加速度。
[0082]
本实施例的其他部分与上述实施例1-4任一项相同，故不再赘述。
[0083]
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本实用新型的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于共模结构的光纤微光液体传感器，安装在液体容器中，与激光发射及检测系统连接，用于对液体容器中的液体进行测量，其特征在于，包括两个光纤组件和复合型mems薄膜（6），其中一组光纤组件为液体腔光纤组件，另一组光纤组件为空气腔光纤组件，每组光纤组件包括单模光纤（1）、毛细玻璃管（2）、外玻璃管（3）；所述毛细玻璃管（2）密封设置在所述外玻璃管（3）的一端口，所述单模光纤（1）穿过毛细玻璃管（2）进入外玻璃管（3）中；所述单模光纤（1）位于外玻璃管（3）外侧的一端连接所述激光发射及检测系统；两个光纤组件的外玻璃管（3）未设置毛细玻璃管（2）的一端通过复合型mems薄膜（6）对接密封连接；在为液体腔光纤组件的外玻璃管（3）上设置有进水口（4）和出水口（5）；所述液体腔光纤组件通过对应的单模光纤（1）、毛细玻璃管（2）、外玻璃管（3）、进水口（4）和出水口（5）形成液体法布里-珀罗干涉腔；所述空气腔光纤组件通过对应的单模光纤（1）、毛细玻璃管（2）、外玻璃管（3）形成空气法布里-珀罗干涉腔。2.如权利要求1所述的一种基于共模结构的光纤微光液体传感器，其特征在于，所述复合型mems薄膜（6）分为三层，分别为第一高折射率镀膜（6-1）、氮化硅层（6-2）、第二高折射率镀膜（6-3）；所述第一高折射率镀膜（6-1）与为液体腔光纤组件的外玻璃管（3）的管口密封连接；所述第二高折射率镀膜（6-3）与为空气腔光纤组件的外玻璃管（3）的管口密封连接。3.如权利要求2所述的一种基于共模结构的光纤微光液体传感器，其特征在于，所述第一高折射率镀膜（6-1）和第二高折射率镀膜（6-3）的厚度为四分之一入射光波长的奇数倍。4.如权利要求1或2或3所述的一种基于共模结构的光纤微光液体传感器，其特征在于，所述单模光纤（1）、毛细玻璃管（2）、外玻璃管（3）、复合型mems薄膜（6）之间中心对齐。5.一种基于共模结构的光纤微光液体传感器检测系统，安装在液体容器中，用于对液体容器中的液体进行测量，其特征在于，包括扫频激光器（8）、3db耦合器（9）、环形器（10）、光谱分析仪（11）、光纤微光液体传感器（7）；所述光纤微光液体传感器（7）设置n组，n≥1；每组光纤微光液体传感器（7）包括包括两个光纤组件和复合型mems薄膜（6），其中一组光纤组件为液体腔光纤组件，另一组光纤组件为空气腔光纤组件，每组光纤组件包括单模光纤（1）、毛细玻璃管（2）、外玻璃管（3）；所述毛细玻璃管（2）密封设置在所述外玻璃管（3）的一端口，所述单模光纤（1）穿过毛细玻璃管（2）进入外玻璃管（3）中；所述单模光纤（1）位于外玻璃管（3）外侧的一端连接所述光纤检测系统；两个光纤组件的外玻璃管（3）未设置毛细玻璃管（2）的一端通过复合型mems薄膜（6）对接密封连接；在为液体腔光纤组件的外玻璃管（3）上设置有进水口（4）和出水口（5）；所述液体腔光纤组件通过对应的单模光纤（1）、毛细玻璃管（2）、外玻璃管（3）、进水口（4）和出水口（5）形成液体法布里-珀罗干涉腔；所述空气腔光纤组件通过对应的单模光纤（1）、毛细玻璃管（2）、外玻璃管（3）形成空气法布里-珀罗干涉腔；所述环形器（10）和光谱分析仪（11）分别设置2n组，每两个环形器（10）分别对应与一个光纤微光液体传感器（7）的两个单模光纤（1）连接；
所述光谱分析仪（11）分别对应连接一个环形器（10）；两组对应的环形器（10）分别连接一个3db耦合器（9）后，通过3db耦合器（9）与所述扫频激光器（8）连接。6.如权利要求5所述的一种基于共模结构的光纤微光液体传感器检测系统，其特征在于，所述复合型mems薄膜（6）分为三层，分别为第一高折射率镀膜（6-1）、氮化硅层（6-2）、第二高折射率镀膜（6-3）；所述第一高折射率镀膜（6-1）与为液体腔光纤组件的外玻璃管（3）的管口密封连接；所述第二高折射率镀膜（6-3）与为空气腔光纤组件的外玻璃管（3）的管口密封连接。7.如权利要求6所述的一种基于共模结构的光纤微光液体传感器检测系统，其特征在于，所述第一高折射率镀膜（6-1）和第二高折射率镀膜（6-3）的厚度为四分之一入射光波长的奇数倍。8.如权利要求5或6或7所述的一种基于共模结构的光纤微光液体传感器检测系统，其特征在于，所述单模光纤（1）、毛细玻璃管（2）、外玻璃管（3）、复合型mems薄膜（6）之间中心对齐。9.如权利要求5所述的一种基于共模结构的光纤微光液体传感器检测系统，其特征在于，n=3，即所述光纤微光液体传感器（7）设置三组，分别以x、y、z三个方向为轴向安装在所述液体容器中。10.如权利要求9所述的一种基于共模结构的光纤微光液体传感器检测系统，其特征在于，三组所述光纤微光液体传感器（7）的物体中心位于液体容器中的同一平面上。

技术总结
本实用新型提出了一种基于共模结构的光纤微光液体传感器及检测系统，通过设置镜像对称的两法布里-珀罗干涉腔，并将其中一个设置为液体流动的液体腔，另一个设置为密封的空气腔，两个干涉腔之间采用复合型MEMS薄膜隔离，从而通过液体的流动造成的液压带动复合型MEMS薄膜对空气腔一侧进行不同的移动，从而造成腔内光谱强度的变化，从而测量出液体容器内的液体变化情况。本实用新型通过上述设置实现了复杂环境下对液体容器中液体参数的多方位精确测量。精确测量。精确测量。


技术研发人员：王美玲 黄攀 徐伟
受保护的技术使用者：四川泛华航空仪表电器有限公司
技术研发日：2021.11.08
技术公布日：2022/5/25