本發(fā)明涉及一種壓力傳感器及測壓裝置，具體涉及一種石墨烯光纖壓力傳感器及制作方法與測壓裝置及測壓方法。

背景技術(shù)：

石墨烯(Graphene)作為一種由單層碳原子構(gòu)成的新型二維晶體碳材料，是目前已知的最薄、最理想的二維材料。與最常用的半導(dǎo)體材料硅相比，其具有更優(yōu)異的性能：單層石墨烯薄膜厚度約為0.335nm，而硅薄膜厚度約為5～30μm，是石墨烯薄膜厚度的幾千倍，高楊氏模量約為1TPa，高斷裂強(qiáng)度約為125GPa，在室溫下載流子的遷移率高達(dá)2×105cm2/(V·S)是硅的10～100倍。石墨烯的彈性模量為335N/m，應(yīng)變系數(shù)只有2，這意味著在小應(yīng)變擾動下，其沒有電敏感。

石墨烯薄膜也具有較好光特性，在可見光到中紅外頻譜具有90％以上的透過率。

由于光纖法珀傳感器具有傳統(tǒng)傳感器不具備的獨特優(yōu)勢，如高靈敏度、抗電磁干擾、耐腐蝕、遠(yuǎn)程檢測、功能復(fù)用等特點，其被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、國防、航天航海等領(lǐng)域，法珀光纖傳感器端面都鍍有一層高反射薄膜，用于實現(xiàn)光纖內(nèi)的光波干涉，薄膜的反射率的大小直接影響干涉光譜和條紋對比度的精細(xì)度，進(jìn)而影響后期解調(diào)的精確度。反射膜的好壞直接影響傳感器的靈敏度。石墨烯薄膜的厚度和大小可以通過多層石墨烯疊加來控制，增加膜厚可以提高反射率，促進(jìn)光干涉調(diào)制。膜的厚度越薄，面積越大，膜材料響應(yīng)就越快，傳感器的敏感度越高。但同時膜能承受的壓力就越小，量程就越低。硅薄膜能承受的最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于石墨烯薄膜，其厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于石墨烯薄膜，尺寸更是比石墨烯大，因此在高量程、高靈敏度、納米級環(huán)境下，石墨烯具有巨大的優(yōu)勢。

國際商業(yè)機(jī)器公司發(fā)明了一種石墨烯壓力傳感器(專利：石墨烯壓力傳感器，授權(quán)專利號：ZL201310124655.5)，在絕緣層上形成一個凹腔并放置在半導(dǎo)體襯底上，石墨烯膜懸置在凹腔之上，將兩個感測電極與石墨烯接觸，并分別放置在石墨烯兩側(cè)的絕緣層上，在感測電極和石墨烯的外側(cè)包裹一層密封環(huán)，當(dāng)石墨烯受到壓力時，發(fā)生形變會改變其阻值，進(jìn)而兩側(cè)電極測到的電壓發(fā)生變化，這種結(jié)構(gòu)是利用石墨烯的壓阻性質(zhì)測量壓力。

成都凱天電子股份有限公司的專利：高真空光纖F-P壓力傳感器，(申請專利號：201510042261.4)，包括壓力膜片、上插芯、下插芯和包覆在下插芯中的光纖，在上插芯上形成一個凹槽，在凹槽上方懸置一層SiO2壓力膜片，在凹槽底部和四周覆蓋一層石墨烯薄膜，用于吸附腔內(nèi)氣體分子，形成高真空狀態(tài)，再將上插芯和下插芯連接就形成了一個高真空光纖FP腔，這種結(jié)構(gòu)消除了大氣壓對FP腔的影響，提高了測量精度。

但上述的兩種專利，一方面沒有很好的消除光源光強(qiáng)穩(wěn)定性、光路擾動等因素的影響，另一方面需要使用價格昂貴的光譜接收設(shè)備。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種可以將干涉光的反射比控制在線性區(qū)域，提高對比精細(xì)度的石墨烯光纖壓力傳感器及測壓裝置。

為了實現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

一種石墨烯光纖壓力傳感器，包括光纖和石墨烯膜，所述光纖的端部設(shè)有凹腔，所述石墨烯膜覆蓋光纖的端部和凹腔，所述凹腔和石墨烯膜形成法珀腔。

上述光纖為單模光纖或多模光纖。

上述凹腔的腔口直徑為80-120微米，深度為30-60微米。

上述石墨烯膜的厚度為0.3-4納米。

上述的一種石墨烯光纖壓力傳感器的制作方法，包括以下步驟：

S1、使用一定濃度的HF溶液腐蝕光纖的端部，制得凹腔；

S2、將石墨烯膜放入去離子水中，漂浮于去離子水面，用上述帶凹腔的光

纖端面粘附石墨烯膜，制得石墨烯光纖壓力傳感器。

上述步驟S1中HF溶液的濃度為30-50％，腐蝕溫度為20-30℃。

一種石墨烯光纖壓力傳感器的測壓裝置，包括光源裝置、光分束器、光耦合器、若干光電接收器、數(shù)據(jù)處理器；

所述光分束器將光源裝置射出的光按比例分光，一部分光經(jīng)光耦合器傳輸至石墨烯光纖壓力傳感器的法珀腔，反射光由光耦合器接收后傳輸給光電接收器二；另一部分光傳輸至光電接收器一；光電接收器一和光電接收器二的輸出端接數(shù)據(jù)處理器的輸入端；

所述數(shù)據(jù)處理器的輸出端接顯示裝置。

上述光源裝置包括寬帶光源，所述寬帶光源和光分束器之間設(shè)有若干并聯(lián)的輸出端接調(diào)制器的濾波電路，所述寬帶光源的輸出端接濾波電路的輸入端，光分束器的輸入端接調(diào)制器的輸出端。

上述光電接收器一和光電接收器二的輸出端分別設(shè)有依次串聯(lián)的一級放大電路、濾波電路和二級放大電路；所述二級放大電路的輸出端接數(shù)據(jù)采集卡的輸入端。

上述顯示裝置為顯示器或/和上位機(jī)。

上述光分束器的分光比例為1:99。

上述的一種石墨烯光纖壓力傳感器的測壓裝置的測壓方法，包括以下步驟：

A1、假設(shè)波長為λ1和λ2的光源，其強(qiáng)度分別為I1和I2，調(diào)制后其頻率分別為f1和f2，然后進(jìn)行合流，

A2、光分束器講上述合流的光按比例分光，一部分光直接被光電探測器一接收，其對應(yīng)的電壓值為V1(f1，f2)，法珀腔對另一部分的兩個波長的光的反射率分別為R(λ1)和R(λ2)，其參考電壓和信號電壓分別是V2(f1，f2，R(λ1),R(λ2))；

A3、對電壓值V1(f1，f2)進(jìn)行FFT變換，得到頻譜上的兩個峰M1和M2，分別對應(yīng)兩個頻率f1和f2；同樣經(jīng)FFT變換，可以得到V2(f1，f2，R(λ1),R(λ2))的兩個不同頻率的峰值，即N1和N2；

A4、消除光源的影響：N1/M1和N2/M2，；

A5、消除對光路擾動和光電接收器參數(shù)漂移的影響：(N1/M1)/(N1/M1+N2/M2)，得到的結(jié)果只與R(λ1)和R(λ2)有關(guān)，即，而反射率變化只與腔長有關(guān)，因此上述的比值是只與腔長有關(guān)的函數(shù)，實現(xiàn)了整套系統(tǒng)的測壓。

本發(fā)明的有益之處在于：

本發(fā)明的一種石墨烯光纖壓力傳感器，利用化學(xué)腐蝕方法得到長腔長的空氣腔，利用化學(xué)氣相沉積方法得到厚度小直徑大的薄膜，結(jié)構(gòu)簡單。并且該傳感器尺寸小、量程大、靈敏度高，適合高精度大量程的納米級低壓環(huán)境。

本發(fā)明的測壓裝置，結(jié)構(gòu)簡單，通過計算可消除光源穩(wěn)定性和光路擾動性的影響，對光源和光路沒有要求，可實施性強(qiáng)；由于石墨烯本身優(yōu)越的性能，測量精度高；將光信號轉(zhuǎn)化為電信號處理，不需要用光譜儀，節(jié)約了整個裝置的成本。

本發(fā)明的一種石墨烯光纖壓力傳感器及測壓裝置，具有尺寸小，制作簡單，成本低廉，靈敏度高等優(yōu)點，并且公開的強(qiáng)度解調(diào)法，具有成本低、精度高、可控性強(qiáng)等優(yōu)點，其測壓方法具有成本低、精度高、可控性強(qiáng)等優(yōu)點，具有廣泛的適用性，和實用性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種石墨烯光纖壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的一種石墨烯光纖壓力傳感器的測壓裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖中標(biāo)記的含義如下：1、單模光纖，2、凹腔，3、石墨烯膜。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作具體的介紹。

一種石墨烯光纖壓力傳感器，包括端部設(shè)有凹腔的光纖，和石墨烯膜；石墨烯膜覆蓋光纖的端部和凹腔，形成法珀腔。

其制作方法為：S1、使用濃度為40％的HF溶液，在室溫下腐蝕光纖的端部，制得凹腔；S2、常溫下，將石墨烯膜漂浮于去離子水面，用上述帶凹腔的光纖端面粘附石墨烯膜，制得石墨烯光纖壓力傳感器。

石墨烯膜選用的厚度是根據(jù)壓力測量范圍、傳感器的靈敏度、反射信號的強(qiáng)度決定，壓力越小，膜越薄，傳感器靈敏度越高，但是薄膜的反射率越低，反射回來的信號強(qiáng)度越弱。

一種石墨烯光纖壓力傳感器的測壓裝置，包括光源裝置、光分束器、光耦合器、若干光電接收器、數(shù)據(jù)處理器。

光源裝置包括寬帶光源，寬帶光源和光分束器之間設(shè)有2個并聯(lián)的輸出端接調(diào)制器的濾波電路，光分束器的輸入端接調(diào)制器的輸出端。

光分束器將光源裝置射出的光按1:99的比例分光，99％的光經(jīng)光耦合器傳輸至石墨烯光纖壓力傳感器的法珀腔，反射光由光耦合器接收后傳輸給光電接收器二；1％的光作為參考光，傳輸至光電接收器一。

光電接收器一和光電接收器二的輸出端分別設(shè)有依次串聯(lián)的一級放大電路、濾波電路和二級放大電路；2個二級放大電路的輸出端通過數(shù)據(jù)采集卡接數(shù)據(jù)處理器；接數(shù)據(jù)處理器的輸出端接顯示器或者通過串口接上位機(jī)。

具體操作及信號流轉(zhuǎn)過程如下：

1、通過調(diào)節(jié)寬帶光源，根據(jù)需求選擇合適波長范圍的輸出光源；

2、輸出光源經(jīng)可調(diào)濾波器，對輸出光源進(jìn)行濾波，根據(jù)需要，濾出特定波長的單色光；

3、單色光經(jīng)調(diào)制器，改變了兩束不同波長光的相位，使兩束不同波長的光在耦合器中發(fā)生干涉，可以輸出更好的光信號；

4、光分束器的作用對上述調(diào)制后的光，按1:99進(jìn)行分光，99％的光進(jìn)入石墨烯光纖壓力傳感器的法珀腔，反射光經(jīng)耦合器由光電接收器二接收，1％的光直接由光電接收器一接收當(dāng)作參考光；

5、光耦合器和法珀腔是整個系統(tǒng)的核心，當(dāng)法珀腔受到應(yīng)力，發(fā)生形變時，進(jìn)入到法珀腔中的光，在耦合之后，光強(qiáng)會發(fā)生改變，通過解調(diào)這光強(qiáng)就可以知道形變的大小，進(jìn)而知道測量出壓力；

6、光電接收器采用高速可調(diào)寬帶平衡光電接收器，將光強(qiáng)信號快速轉(zhuǎn)化為電壓信號，送到后面的電路中進(jìn)行處理，避免在轉(zhuǎn)化過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)重疊錯誤；

7、兩個放大電路和一個濾波電路，一級放大電路和二級放大電路都是基于晶體管(雙極型晶體管或者場效應(yīng)管)放大電路集成的放大器，濾波電路采用二階濾波器；

8、采集卡將上述放大濾波再放大后的信號進(jìn)行采集，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理器中進(jìn)行分析處理；

9、數(shù)據(jù)處理器可采用STM32系列的單片機(jī)，其處理器是32位，自帶12位的ADC，轉(zhuǎn)化時間是微秒級，可以代替數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)，其輸出端直接連接外設(shè)顯示器，也可通過串口與上位機(jī)進(jìn)行通信。

具體測壓方法如下：

(1)寬帶光源發(fā)射出的光分別進(jìn)入兩個可調(diào)濾波器，兩個濾波器各自濾出波長為λ₁和λ₂的兩束單色光，兩束單色光分別用調(diào)制器改變其相位后，然后合流，由光分束器按k₁：k₂＝1:99分光，1％的光直接由光電接收器接收到轉(zhuǎn)化為電壓值，作為參考，99％的光進(jìn)入FP腔(法珀腔)中后進(jìn)行耦合，然后再由光電接收器接收轉(zhuǎn)化為電壓值，兩組電壓值先后經(jīng)過一級放大、濾波、二級放大后，用數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集，最后將采集到的數(shù)據(jù)送入到數(shù)據(jù)處理器中進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)可以通過液晶顯示，也可以通過串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中。

(2)假設(shè)波長為λ₁和λ₂的光，其強(qiáng)度分別為I₁和I₂，調(diào)制頻率分別為f₁和f₂然后進(jìn)行合流，按1:99分光，1％的光直接被光電探測器接收，其對應(yīng)的電壓值為V₁(f₁,f₂)，99％的光進(jìn)入法珀腔，法珀腔對兩個波長的光的反射率分別為R(λ₁)和R(λ₂)，其信號電壓是V₂(f₁,f₂,R(λ₁),R(λ₂))。其中α、β分別為參考光和信號光通道的損耗：

V₁＝[A₁+B₁cos(2πf₁t)+A₂+B₂cos(2πf₂t)k₁α

V₁＝[A₁+B₁cos(2πf₁t)]k₂βR(λ₁)+[A₂+B₂cos(2πf₂t)k₂βR(λ₂)

對電壓值V₁(f₁,f₂)進(jìn)行FFT變換(傅里葉變換)，得到頻譜上的兩個峰M₁和M₂，分別對應(yīng)兩個頻率f₁和f₂；同樣經(jīng)FFT變換，可以得到V₂(f₁,f₂,R(λ₁),R(λ₂))的兩個不同頻率的峰值，即N₁和N₂；

(3)下面進(jìn)行消除由于受光源光強(qiáng)波動、光路擾動以及探測器等參數(shù)漂移而產(chǎn)生的影響，首先做兩次相除N₁/M₁和N₂/M₂，這就消除了光源的影響，再將上面得到的兩個值再做一次相除(N₁/M₁)/(N₁/M₁+N₂/M2)，得到的結(jié)果只與R(λ1)和R(λ2)有關(guān)，這就消除了對光路擾動和探測器參數(shù)漂移的影響，而反射率R＝2r(1-cos4πL/λ)，只與腔長L有關(guān)，因此上述得的比值只與腔長有關(guān)，當(dāng)外界壓力變化時，石墨烯薄膜產(chǎn)生形變，引起法珀腔的腔長改變，實現(xiàn)了整套系統(tǒng)的測壓。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，上述實施例不以任何形式限制本發(fā)明，凡采用等同替換或等效變換的方式所獲得的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。