一种测量压力载荷的高灵敏度光纤探针式膜片结构

摘要

本发明属于微型光电子器件设计技术领域，提供了一种测量压力载荷的高灵敏度光纤探针式膜片结构。首次提出了以SPR等效入射角的变化为机理的光纤压力载荷解决方案。设计了一种新的以镀膜的拉锥光纤环为基底的膜片化封装以配合检测原理。制作了完整的膜片式探头结构。其通过实验测试与标定实现了高灵敏度和线性的应力载荷检测和解调。它在线性区域具有较高的分辨率，有利于微压力的提取和感知。与裸光纤结构相比，该复合探针具有较高的重复性和机械稳定性，具有很大的实用潜力。

权利要求

1.一种测量压力载荷的高灵敏度光纤探针式膜片结构，其特征在于，包括镀金属膜的光纤拉锥环、PDMS、树脂玻璃膜片、外层密封胶；镀金属膜的光纤拉锥环设置于两块平行的树脂玻璃膜片之间，且镀金属膜的光纤拉锥环的环形面平行于树脂玻璃膜片；树脂玻璃膜片与镀金属膜的光纤拉锥环之间的空隙填充PDMS，两块平行的树脂玻璃膜片间的边缘缝隙处通过外层密封胶密封；所述镀金属膜的光纤拉锥环的光纤环结构是基于多模光纤(MMF)进行环绕和固定制得，其光纤拉锥结构由光纤环结构熔融拉锥制得，作为SPR敏感区，光纤环在径向上保持对称结构，锥区短半轴L1为1cm～1.5cm，锥腰中心直径D2：45μm～65μm；所述的镀金属膜为在光纤环SPR敏感区的表面利用离子溅射技术在其表面镀制的一层Au金属膜，Au金属膜在敏感波段400nm～1000nm处的有效折射率：nAu＝0.3～1.6，整个环结构的Au金属膜膜厚在各处保持一致。

2.根据权利要求1所述的测量压力载荷的高灵敏度光纤探针式膜片结构，其特征在于，多模光纤(MMF)其外径r1＝62.5μm，纤芯直径r0＝31.25μm；纤芯折射率ncore＝1.85，包层折射率ncladding＝1.45；多模光纤整体长度大于30cm。

3.根据权利要求1或2所述的测量压力载荷的高灵敏度光纤探针式膜片结构，其特征在于，Au金属膜厚DL＝20～40nm。

4.根据权利要求1或2所述的测量压力载荷的高灵敏度光纤探针式膜片结构，其特征在于，PDMS固化后的有效折射率：nPDMS＝1.42，杨氏模量：750kPa，泊松比：0.49。

5.根据权利要求1或2所述的测量压力载荷的高灵敏度光纤探针式膜片结构，其特征在于，光纤环尾端通过树脂胶环固定，尾端引线的间距L3为1mm～5mm。

6.根据权利要求1或2所述的测量压力载荷的高灵敏度光纤探针式膜片结构，其特征在于，树脂玻璃膜片的杨氏模量：1GPa，泊松比：0.38，厚度D4为4mm。

7.根据权利要求1或2所述的测量压力载荷的高灵敏度光纤探针式膜片结构，其特征在于，所述的外层密封胶为聚氨酯密封胶，该材料固化后杨氏模量：60Mpa，泊松比：0.47。

8.根据权利要求1或2所述的测量压力载荷的高灵敏度光纤探针式膜片结构，其特征在于，封装后的整体光纤探针式膜片结构，长度La:4.5cm～5.5cm，宽度Lb:2.5cm～3.5cm，厚度D3:0.85mm～0.95mm。

说明书

一种测量压力载荷的高灵敏度光纤探针式膜片结构

技术领域

[0001] 本发明属于微型光电子器件设计技术领域，涉及一种能测量压力载荷的高灵敏度光纤探针式膜片结构，主要面向于实用领域下的力载荷的光纤检测技术开发，为机械仿生学，高危环境资源勘测，化工生产等领域服务。

背景技术

[0002] 外加压力载荷(表面压力)是当前参数检测领域的一项重要技术指标。它可以直接工况环境中的应力状态，或者通过确定的物理关系间接地计算其它参数信息。因此，该参数的测量已经成为机械仿生学、资源勘查、化工生产等领域的重要组成部分。更高的压力检测精度，灵敏度和稳定性被迫切地需求在海水深度，油气压力等情况下。早期的机械式压力表目前已经逐渐被电学式压力压强芯片和仪器取代。这类传感器很好地实现了数据化采集和显示。但是它在很多强干扰和极端探测环境下有一些本质上缺陷在，限制了在前沿技术领域的使用和发展。近年来，光纤传感技术已成为检测技术发展的研究热点。与电子类的探针相比，它具有传输距离长、能耗低、本质安全、抗电磁干扰能力强等优点。因此在某些特殊环境中具有很大的应用潜力。

[0003] 目前，各类光纤结构和原理在应力载荷检测领域均有得到应用和发展。其中光强度解调方式的精度首先与光源的稳定性和光路中的一些干扰，因此无法获得重复性好的结果。波导角度解调方式可以实现更高的分辨率。但是角度的范围限制了其检测的量程，同时复杂的解调方法不利于整体系统的搭建。光纤的特征波长的解调方式由于其抗干扰性和适用性而成为主流方法。其中，光纤布拉格光栅(FBG)以其较高的特征峰质量和解调技术，因而得到广泛应用。FBG波长信号很窄，在应力测试中一般需要增敏结构来提高性能。2012年，张等人利用L型的结构的增敏结构实现了双FBG的压强测量(Zhang Q,Liu N,Fink T,et al.Fiber-Optic Pressure Sensor Based on,π-Phase-Shifted Fiber Bragg Grating on Side-Hole Fiber[J].IEEE Photonics Technology Letters,2012,24(17):1519-1522.)。但是其应力敏感性随检测范围的增大而增大，获得的线性度较差，因此不能满足等实际检测需要。2013年黄等人也采用了FBG级联结构，实现了大范围的压力负荷检测(Huang J,Zhou Z,Wen X,et al.A diaphragm-type fiber Bragg grating pressure sensor with temperature compensation[J].Measurement Journal of the International Measurement Confederation,2013,46(3):1041-1046.)。然而它在大量程下的低灵敏度往往伴随的大的传感器误差。Fabry Perot腔原理的光纤检测技术具有较高的谱线质量。2013年王等人利用FP原理制备了温度不灵敏的压力光纤探头结构(Wang W,Li S,Wen L.Ultra-low sensitivity to temperature low-cost optical fiber Fabry–Perot micro pressure sensor with a chitosan diaphragm[J].Optics Communications,2013,309(22):302-306.)。由于它的输出信号具有周期性和对称性，这将增加实际解调时的难度和速度。基于MZI干涉原理的光纤探针也处于研究中解决方案之一。2016年，冯等人使用拉锥处理的光子晶体光纤结构测试表面压强(Feng W Q,Liu Z Y,Tam H Y,et al.The pore water pressure sensor based on Sagnac interferometer with polarization-maintaining photonic crystal fiber for the geotechnical engineering[J].Measurement,2016,90:208-214.)。结果中取得了较大的检测范围和很高的线性度相比于其它的光纤结构。但是其在外裸露的环境中仍然未能取得大的灵敏度是其应用的一大劣势。2018年，杨等人使用微纳光纤结构实现了极高的应力压强敏感度。(Yang Y B,Wang D N,Xu B,et al.Optical fiber tip interferometer gas pressure sensor based on anti-resonant reflecting guidance mechanism[J].Optical Fiber Technology,2018,
42:11-17.)。不过其脆弱的力学特性使这一类的结构仍然停留在实验室的环境下。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于设计可测量压力载荷的光纤探针式膜片结构。提出一种表面镀金属膜的光纤拉锥环结构作为敏感基底。首次将光学的等离子体共振效应引入应力检测领域。结合压敏材料的填充等设计，完成了整体结构的探针式的膜片化封装。该微型膜片的正受力面(面积最大)可感受外力载荷变化并完成高灵敏度且高重复性的线性输出。

[0005] 为了达到上述目的，本发明提出了一种能测量压力载荷的高灵敏度光纤探针式膜片结构。首次提出了以SPR等效入射角的变化为机理的光纤压力载荷解决方案。设计了一种新的以镀膜的拉锥光纤环为基底的膜片化封装以配合检测原理。制作了完整的膜片式探头结构。其通过实验测试与标定实现了高灵敏度和线性的应力载荷检测和解调。

[0006] 具体技术方案为：

[0007] 一种测量压力载荷的高灵敏度光纤探针式膜片结构，包括镀金属膜的光纤拉锥环、应力弹性敏感材料(PDMS)、树脂玻璃膜片、外层密封胶；镀金属膜的光纤拉锥环设置于两块平行的树脂玻璃膜片之间，且镀金属膜的光纤拉锥环的环形面平行于树脂玻璃膜片；树脂玻璃膜片与镀金属膜的光纤拉锥环之间的空隙填充应力弹性敏感材料(PDMS)，两块平行的树脂玻璃膜片间的边缘缝隙处通过外层密封胶密封；所述镀金属膜的光纤拉锥环的光纤环结构是基于多模光纤(MMF)进行环绕和固定制得，其光纤拉锥结构由光纤环结构熔融拉锥制得，作为SPR敏感区，光纤环在径向上保持对称结构，长拉锥结构主要负责激发合适的包层模式，为SPR效应的激发提供理想的入射场角度。锥区短半轴L1为1cm～1.5cm，锥腰中心直径D2：45μm～65μm，以保证SPR的效应的充分激发；所述的镀金属膜为在光纤环SPR敏感区的表面利用离子溅射技术在其表面镀制的一层Au金属膜，该膜在敏感波段400nm～
1000nm处的有效折射率：nAu＝0.3～1.6(不同波长处有对应不同的有效折射率)，整个环结构的膜厚在各处保持一致。激发的SPR效应的光谱质量和灵敏度对于入射角和膜厚有一定要求。

[0008] 进一步地，上述多模光纤(MMF)其外径r1＝62.5μm，纤芯直径r0＝31.25μm；MMF光纤的芯径较大，通过掺杂等技术实现折射率的调制。纤芯折射率ncore＝1.85，包层折射率ncladding＝1.45；MMF不仅作为传感基底，同时也是信号的输出和导出载体。多模光纤整体长度大于30cm，给后续封装留有一定余量。

[0009] 进一步地，上述Au金属膜厚DL＝20～40nm。

[0010] 进一步地，上述应力弹性敏感材料(PDMS)固化后的有效折射率：nPDMS＝1.42，杨氏模量：750kPa，泊松比：0.49。

[0011] 进一步地，上述光纤环尾端通过树脂胶环固定，尾端引线的间距L3为1mm～5mm。

[0012] 进一步地，上述树脂玻璃膜片作为压力载荷的施加作用面。其杨氏模量：1GPa，泊松比：0.38，厚度D4为4mm。

[0013] 进一步地，上述的外层密封胶为聚氨酯密封胶，该材料固化后杨氏模量：60Mpa，泊松比：0.47。

[0014] 进一步地，上述封装后的整体光纤探针式膜片结构，外包膜片的尺寸影响了应力状态对敏感基底的传导，进而改变了光纤环输出信号的性能。根据理论分析与实验的初步结果，适合进行传感的尺寸有一定的范围。其中长度La:4.5cm～5.5cm，宽度Lb:2.5cm～3.5cm，厚度D3:0.85mm～0.95mm。

[0015] 从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

[0016] 1)本发明中，设计的光纤拉锥环结构改变了光路的走向，在传输上实现了“反射式”的信号走向。有利于在微小空间内实现探针式的信号探测。相比于透射式的光纤探测方式，其有更大的应用范围和更稳定的应力载荷环境。有利于传感器件的小型化和微型化。

[0017] 2)本发明中，在国内外首次将光纤等离子体共振效应(SPR)引入压力载荷的检测领域。利用该效应较高的检测灵敏度来提升该检测领域的响应性能。同时配合该原理设计了镀Au膜的拉锥结构以产生最合适的入射场环境。相比于电学类原理和其它光纤传感原理的器件，SPR原理特征光谱清晰易识别的波形，提取计算和解调均有很大优势。

[0018] 3)本发明中，引入了高弹性系数的敏感材料(PDMS)包裹层，增强了应力载荷的线性和均匀传导。该材料的使用产生了一个理想的表面压强场作用在光纤敏感基底上。这一缓冲和增敏设计将提高探头输出结果的重复性和线性度，相比于其他传感结构，大大提高了实用化时的稳定性。

[0019] 4)本发明中，设计了外包的膜片式封装结构，保护了内部的光纤和压敏结构。相比其他裸露的光纤探头结构机械强度更大。其使用的耐久度和长期的输出漂移均会更小。该封装配合环形的光纤引线可以配合各类光学检测系统，具有很大的规范化的量产潜力。

附图说明

[0020] 图1为测量压力载荷的高灵敏度光纤探针式膜片结构的局部剖示意图；

[0021] 图2为镀金属膜的光纤拉锥环的俯视图及其剖面；

[0022] 图3为敏感探头的膜片式封装示意图及其剖面；

[0023] 图4为在理论计算下SPR效应的入射波长和对应的入射场共振角示意图；

[0024] 图5为不同角度基准下的压力负荷敏感性的理论计算结果图；

[0025] 图6为实验条件下压力载荷下的光谱漂移示意图；

[0026] 图7为单次正向标定条件下的特征波长输出响应图(线性区域内)；

[0027] 图中，①多模光纤纤芯(光波导主传光区域)；②多模光纤包层；③光纤表面的Au膜；④光纤环的拉锥环结构；⑤固定光纤的橡胶套管；⑥引出的多模光纤信号引线；⑦应力弹性敏感材料(PDMS)；⑧树脂玻璃膜片(受压面)；⑨外层密封胶；⑩镀金属膜的光纤拉锥环。

具体实施方式

[0028] 为使本发明的目的、技术方案和优势更加清晰地表述。将结合结构设计思路并参照附图，对本发明的原理、具体结构参数以及性能特性作进一步的详细说明。

[0029] 本工作中设计了基于SPR的镀膜光纤环结构。首次将光纤SPR激发信号与压力检测联系起来。图1、图2和图3给出了整体结构的设计和封装情况。MMF(多模光纤)被使用作为光纤环的基底结构。光信号从其中一端引入后，经过检测灵敏区时可激发包层模式。受到调制的信号在另一端输出。Nm级的金属层被喷涂在拉锥的光纤环表面用以激发SPR效应。结构所在平面包裹压力敏感材料用以感受外部应力变化。金属环主平面的上下贴附了树脂玻璃板材，作为主要的受力面。侧面缝隙处使用密封胶，在环的尾端使用套胶固定。最终形成一个结构紧凑的受压膜片式结构。

[0030] 根据该结构的压力载荷检测原理依据于光纤的SPR原理。入射光经过金属SPR敏感层后部分能量被吸收掉，反映在输出光谱中为能量吸收凹谷，即共振吸收损失峰；当光波通过介电常数较高的介质时，在交界面处的ATR(衰减全反射)效应使得倏逝波能够穿透，倏逝波场分量和金属/介质界面处的损失能量(SPW)在金膜外部表面发生波矢匹配，匹配条件有：

[0031]

[0032] 式中，kEW表示匹配波矢，ω表示入射光波的光频率。同时ε0，ε1，ε2分别表示光纤包层，Au金属层和外部介质的介电常数。SPR损失谷的特征波长是受到结构入射场角度影响的。在实际的检测环境中，内外层介质是被认为是稳定的。基于此以上公式可被改写：

[0033]

[0034] 式中，θspr即表示匹配的等效入射角，n1和k1分别表示此波长对应下的折射率实部和虚部。入射场的角度和匹配的共振波长的关系被显示于图4中。SPR可被激发波段(300～1000nm)被进行了扫描计算。SPR光谱在不同波段的激发难度和质量是同样需要被考虑的。
当处于区域④(670nm～1000nm)时，更高的灵敏度可能被实现且是处于单映射波段。两条不同外界介质折射率的曲线被进行对比。这可调制SPR谐振波长当结构的入射场不发生变化时。折射率越大时(n＝1.42)，适合激发的角度变小。这些信息指导了探头结构参数的优化方向。

[0035] 将映射关系进行串联，计算压力与待提取波长的关系如图5。以60°入射角为基准的压力漂移特性对应下方两条曲线。66°入射角处于单映射区，输出波长随压力增大而蓝移。以72°入射角作为映射基础点取得了更大的灵敏度。实际光纤结构的制备需要考虑到特征波长的所处范围，综合考虑机械性能和传感表现并给出实施例

[0036] 实施例一(优选实施例)：

[0037] 完成膜片式探头结构的制备。将MMF去除涂覆层后保持伸直。氢氧焰加热光纤的局部区域进行拉伸处理。将拉锥区放置在固定端对面并中心对称，以保证受力的均匀性。锥区自然弯曲后有短半轴(L1)长：1.2cm；拉细的锥腰直径(D2)：55μm。下一步将环状结构表面涂覆金属层(Au)。使用离子溅射法实现喷涂(JS-1600离子溅射仪)。Au膜表层厚度(DL)有～30nm。

[0038] 对镀Au膜的光纤环进行膜片式封装。两边的受力板材使用树脂玻璃为基底，在受力面一侧覆盖胶膜保护受力面。在朝向光纤结构一侧直接接触压敏材料PDMS。保证适量的PDMS在膜片间的均匀分布和包裹。最终完成的结构有外包尺寸有La:5.1cm，Lb:3.1cm，D3:0.88mm。

[0039] 将探头接入实物检测系统。海洋卤素光源(LS-3000)提供宽谱光波段：400nm～1000nm。由海洋光谱仪(Maya-USV2000+)接收光纤探头结构的返回信号，解调分辨率：
0.1nm。将光谱仪的解调信号返回上位机(PC)计算。将探头放置于机械夹钳处受挤压。在施压面与探头受压面之间固定压力标定装置。本实验使用的扩散硅压力传感器：HT-19；量程：
0～200KPa；精度：0.5KPa。该传感器输出数据被作为标准输入源信号。

[0040] 一次压力标定实验的基本步骤：操作机械夹钳改变压强值。频谱修改为T通道，保存不同压强下的传输光谱数据。透射光谱的特征谷被调制到合适波段且有较大的对比度。

[0041] 结构输出的特征光谱随膜片表面压力变化的波形被记录在图5中SPR的特征谐振谷蓝移可以被清晰地观察。施加压强较小时(0～20kPa)，特征谷的线型和强度基本保持不变。波长的偏移间隔均匀。这非常有利于特征值的连续提取、解调和后续计算。当施加压强更大时(>20kPa)，特征谷的线型发生变化，且波谷的相对透射率强度减小。特征波长的偏移规律发生了一定改变。

[0042] 更密梯度的压强标定实验被完成。图7给出了单次正向标定(压力从准静态逐渐增大的过程)实验结果。提取压力标定装置示数和对应的SPR特征谐振谷值做数据点。漂移响应基本呈线性增长在0～20kPa范围内。外部压强>20kPa时，波长的响应灵敏度开始下降。随着压强增大，光谱逐渐变形。当外部压强>100kPa时，SPR损失谷的对比度变差，特征波长几乎不在发生漂移。可以称之为死区。输出性能良好且线性的部分被局部放大并作线性拟合。局部范围内的压力灵敏度取到：1.473nm/kPa。取得线性度：0.9998。

[0043] 对于优化的探头结构进行4次的完整回路实验，在0～20KPa区间每间隔2KPa进行标定。压力下降回路中各对应数据点向长波长方向漂移，有最大的平均回滞差：3.19nm。其中上升回路时有最大偏离值0.29nm。下降回路时有最大偏离值0.4nm。前4次实验过后的最大的零点漂移量：3.52nm。随着实验次数的增多，残余的应力得到释放。实验膜片进入了稳定的压力测试状态。

[0044] 实施例二：

[0045] 完成膜片式探头结构的制备。将MMF去除涂覆层后保持伸直。氢氧焰加热光纤的局部区域进行拉伸处理。将拉锥区放置在固定端对面并中心对称，以保证受力的均匀性。锥区自然弯曲后有短半轴(L1)长：1.5cm；拉细的锥腰直径(D2)：55μm。下一步将环状结构表面溅射涂覆金属层(Au)。Au膜表层厚度(DL)有～30nm。

[0046] 对镀Au膜的光纤环进行膜片式封装。两边的受力板材使用树脂玻璃为基底，在受力面一侧覆盖胶膜保护受力面。在朝向光纤结构一侧直接接触压敏材料PDMS。保证适量的PDMS在膜片间的均匀分布和包裹。最终完成的结构有外包尺寸有La:5.5cm，Lb:3.5cm，D3:0.88mm。

[0047] 将探头接入实物检测系统。相关仪器使用连接及技术参数参照实施例一。一次压力标定实验的基本步骤：操作机械夹钳改变压强值。频谱修改为T通道，保存不同压强下的传输光谱数据。

[0048] 透射光谱的特征谷被调制到合适波段且有较大的对比度。结构输出的特征光谱随膜片表面压力变化的波形被记录。其基础波形走势可参照实施例一(图6)。SPR的特征谐振谷发生蓝移。施加压强较小时(0～30KPa)，特征谷的线型和强度基本保持不变。波长的偏移间隔均匀。这非常有利于特征值的连续提取、解调和后续计算。当施加压强更大时(>30KPa)，特征谷的线型发生变化，且波谷的相对透射率强度减小，并发生略微红移。

[0049] 更密梯度的压强标定实验被完成。其基本走势可参照实施例一(图7)，得到了单次正向标定(压力从准静态逐渐增大的过程)实验结果。提取压力标定装置示数和对应的SPR特征谐振谷值做数据点。漂移响应基本呈线性增长在0～30KPa范围内。外部压强>30KPa时，波长的响应灵敏度开始下降。随着压强增大，光谱逐渐变形。当外部压强>200KPa时，SPR损失谷的对比度变差，特征波长几乎不在发生漂移。可以称之为死区。输出性能良好且线性的部分被局部放大并作线性拟合。局部范围内的压力灵敏度取到：0.357nm/kPa。取得线性度：0.9981。

[0050] 对于优化的探头结构进行4次的完整回路实验，在0～30KPa区间每间隔2KPa进行标定。压力下降回路中各对应数据点向长波长方向漂移，有最大的平均回滞差：1.02nm。其中上升回路时有最大偏离值0.3nm。下降回路时有最大偏离值0.35nm。前4次实验过后的最大的零点漂移量：2.7nm。随着实验次数的增多，残余的应力得到释放。实验膜片进入了稳定的压力测试状态。

[0051] 实施例三：

[0052] 完成膜片式探头结构的制备。将MMF去除涂覆层后保持伸直。氢氧焰加热光纤的局部区域进行拉伸处理。将拉锥区放置在固定端对面并中心对称，以保证受力的均匀性。锥区自然弯曲后有短半轴(L1)长：1.2cm；拉细的锥腰直径(D2)：65μm。下一步将环状结构表面溅射涂覆金属层(Au)。Au膜表层厚度(DL)有～40nm。

[0053] 对镀Au膜的光纤环进行膜片式封装。两边的受力板材使用树脂玻璃为基底，在受力面一侧覆盖胶膜保护受力面。在朝向光纤结构一侧直接接触压敏材料PDMS。保证适量的PDMS在膜片间的均匀分布和包裹。最终完成的结构有外包尺寸有La:5.1cm，Lb:2.9cm，D3:0.89mm。

[0054] 将探头接入实物检测系统。相关仪器使用连接及技术参数参照实施例一。一次压力标定实验的基本步骤：操作机械夹钳改变压强值。频谱修改为T通道，保存不同压强下的传输光谱数据。

[0055] 透射光谱的特征谷被调制到合适波段且有较大的对比度。结构输出的特征光谱随膜片表面压力变化的波形被记录。其基础波形走势可参照实施例一(图6)。SPR的特征谐振谷发生蓝移。施加压强较小时(0～15KPa)，特征谷的线型和强度基本保持不变。波长的偏移间隔均匀。这非常有利于特征值的连续提取、解调和后续计算。当施加压强更大时(>15KPa)，特征谷的线型发生变化，且波谷的相对透射率强度减小。

[0056] 更密梯度的压强标定实验被完成。其基本走势可参照实施例一(图7)，得到了单次正向标定(压力从准静态逐渐增大的过程)实验结果。提取压力标定装置示数和对应的SPR特征谐振谷值做数据点。漂移响应基本呈线性增长在0～15KPa范围内。外部压强>15KPa时，波长的响应灵敏度开始下降。随着压强增大，光谱逐渐变形。当外部压强>120KPa时，SPR损失谷的对比度变差，特征波长几乎不在发生漂移。可以称之为死区。输出性能良好且线性的部分被局部放大并作线性拟合。局部范围内的压力灵敏度取到：0.411nm/kPa。取得线性度：0.9991。

[0057] 对于优化的探头结构进行4次的完整回路实验，在0～15KPa区间每间隔1KPa进行标定。压力下降回路中各对应数据点向长波长方向漂移，有最大的平均回滞差：1.84nm。其中上升回路时有最大偏离值0.42nm。下降回路时有最大偏离值0.55nm。前4次实验过后的最大的零点漂移量：3.1nm。随着实验次数的增多，残余的应力得到释放。实验膜片进入了稳定的压力测试状态。

[0058] 实施例四：

[0059] 完成膜片式探头结构的制备。将MMF去除涂覆层后保持伸直。氢氧焰加热光纤的局部区域进行拉伸处理。将拉锥区放置在固定端对面并中心对称，以保证受力的均匀性。锥区自然弯曲后有短半轴(L1)长：1.1cm；拉细的锥腰直径(D2)：45μm。下一步将环状结构表面溅射涂覆金属层(Au)。Au膜表层厚度(DL)有～20nm。

[0060] 对镀Au膜的光纤环进行膜片式封装。两边的受力板材使用树脂玻璃为基底，在受力面一侧覆盖胶膜保护受力面。在朝向光纤结构一侧直接接触压敏材料PDMS。保证适量的PDMS在膜片间的均匀分布和包裹。最终完成的结构有外包尺寸有La:4.5cm，Lb:2.5cm，D3:0.95mm。

[0061] 将探头接入实物检测系统。相关仪器使用连接及技术参数参照实施例一。一次压力标定实验的基本步骤：操作机械夹钳改变压强值。频谱修改为T通道，保存不同压强下的传输光谱数据。

[0062] 透射光谱的特征谷被调制到合适波段且有较大的对比度。结构输出的特征光谱随膜片表面压力变化的波形被记录。其基础波形走势可参照实施例一(图6)。SPR的特征谐振谷发生蓝移。施加压强较小时(0～10KPa)，特征谷的线型和强度基本保持不变。波长的偏移间隔均匀。这非常有利于特征值的连续提取、解调和后续计算。当施加压强更大时(>10KPa)，特征谷的线型发生变化，且波谷的相对透射率强度减小。

[0063] 更密梯度的压强标定实验被完成。其基本走势可参照实施例一(图7)，得到了单次正向标定(压力从准静态逐渐增大的过程)实验结果。提取压力标定装置示数和对应的SPR特征谐振谷值做数据点。漂移响应基本呈线性增长在0～10KPa范围内。外部压强>10KPa时，波长的响应灵敏度开始下降。随着压强增大，光谱逐渐变形。当外部压强>75KPa时，SPR损失谷的对比度变差，特征波长几乎不在发生漂移。可以称之为死区。输出性能良好且线性的部分被局部放大并作线性拟合。局部范围内的压力灵敏度取到：2.092nm/kPa。取得线性度：0.9712。

[0064] 对于优化的探头结构进行4次的完整回路实验，在0～10KPa区间每间隔1KPa进行标定。压力下降回路中各对应数据点向长波长方向漂移，有最大的平均回滞差：4.87nm。其中上升回路时有最大偏离值0.5nm。下降回路时有最大偏离值0.68nm。前4次实验过后的最大的零点漂移量：4.4nm。随着实验次数的增多，残余的应力得到释放。实验膜片进入了稳定的压力测试状态。