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1、 光纤传感器随着光纤通信技术的实用化 有了迅速发展，且具有体积小、重量轻 、检测分辨率高、灵敏度高、测温范围 宽、保密性好、抗电磁干扰能力强、抗 腐蚀性强等明显优于传统传感器的特点 ，研制高温环境下符合测量要求的全光 纤压力传感器，以满足国防军事、航天 航空、土木工程、电力、能源、石油化 工工业和大气压力测量的需求。光纤同 具“传”、“感”两种功能。与光源耦合 的发射光纤同与光探测器耦合的接收光 纤为一根连续光纤，称为传感光纤，故 功能型光纤传感器亦称全光纤型或传感 型光纤传感器。 微光纤珐纤珐 -珀应变传应变传 感器的理论论建 模 在线型光纤珐-珀标准具的结构如图3-1(a)所示 ，它是一个
2、在光纤中自封闭的空气腔，标准具的 空气腔的长度和直径分别为L和D，两个反射面 的反射系数R1和R2 ，可以通过镀膜实现高反射 面。 光纤珐-珀标准具的结构图和剖视图 微光纤珐纤珐 -珀应变传应变传 感器的制作工艺艺流程 为了实现可以在高温环境应用的微型光纤传感器，我们 发明了一种基于157nm激光微加工制作的微珐-珀传感器 ，这种封闭式光纤FP腔的制作过程如图3-5 所示。 图3-5 自封闭型在线式F-P标准具. (a) 用157nm激光微加工机在切 割好的光纤端面加工环形微孔 (b) 然后将这段打好孔的光纤和另 一段切割好的光纤熔接在一起，就形成了在线FP腔 Micro-hole Cross
3、 section of fiber tip 1060m 157nm laser Cladding Core Micro-hole (a) Cladding Core Electrode Electrode (b) Cladding Core F-P cavity (c) 微光纤珐纤珐 -珀应变传应变传 感器的制作工艺艺流 程 首先，采用157nm激光微加工机在切割好的光 纤端面加工一个环形微孔，其典型深度为 20m；然后将这段打好孔的光纤和另一段切 割好的光纤熔接在一起，就形成了一个在线 FP腔，这种微珐-珀标准具能够在高达8000C 的高温环境下工作，并且这种自封闭结构使 得标准具牢固、稳定
4、、可靠。同时由于该标 准具中空的结构和二氧化硅很低的热膨胀系 数，使得其对温度变化不敏感。此外，使用 对称的环形微孔有助于实现偏振无关。 Wavelength (nm) 图3-6理论计算的二氧化硅的光学吸收谱 Absorption coefficient (1/cm) 微光纤珐-珀应变传感器的制作工艺流程 图3-7 微孔和珐-珀标准具的照片. (a) NT1100测试的微孔的三维结构 (b) 通过光学显微镜拍得标准具得透 射图 (c) 标准具得扫描电镜图 Cavity (b)(a) Joint (c) 这种标准具精确的制作方法是采用157nm激光微加工，其基于的原理是二氧化硅对 157nm光子
5、的强烈本征吸收。如图3-6所示，为基于量子力学理论计算的光学吸收谱 。从图中可以看出，二氧化硅对157nm光的光吸收系数很高，高于20000cm-1，这 就为在石英光纤上取得高质量的冷加工效果奠定了基础。获得一个高质量的FP腔的关 键步骤是如何在光纤的端面制作出一个具有高表面质量的环形 微孔. 微光纤珐纤珐 -珀应变传应变传 感器的制作工艺艺流 程 图3-8 珐-珀标准具的典型光谱图 (R-Intensity 代表相对强度，以后 章节不再说明) Wavelength (nm) R-Intensity (dB) P 微光纤珐纤珐 -珀应变传应变传 感器的制作工艺艺流 程 图中可以看出，这种标准具
6、条纹对比度很高，达到30dB，这比传统手工 组装制作的F-P腔的对比度高出许多，传统的典型值都不到15dB。实际测 得光谱和理论计算的光谱符合得很好。理论计算所采用的参数为A1 = A2 = 0.04, = 0.02 且1=2=0.1。如此高的对比度确保应变测量的高精度 。 封闭式微光纤珐-珀传感器的应变特性 静态应变特性 图3-9 高温应变实验装置图 1:1 Coupler Si720 OSA High-temperature Furnace 我们对该标准具的应变和温度特性在一个较宽的温度范围内进行了实验研 究。腔的实际长度为L，通过公式 来计算，这里 , 是标准具干涉谱相邻波 峰/波谷对应
7、的波长。标准具理论的敏感长度由 来决定，其在 处的典型值 为3.2mm/m/rad，这里 , 分别为标准具的应变和相位漂移。既然传 感头长度和腔长是一样的，当相位漂移38m)。激光器的波长被设置在1544nm，确保激光器运行在传 感器的线性区中心点。激光器输出光的1%被用来对光源波动进行校正，99%通 过一个1:1耦合器打入标准具实时跟踪由于动态应变引起的腔长的变化。珐- 珀标准具也被放置在高温炉中。标准具的一端固定在PZT上 (PU40 Jena)，它 的压电常数 封闭闭式微光纤珐纤珐 -珀传传感器的应变应变 特性 动态应变动态应变 特性 图3-15 8000C时传感器对4 的动态应变信号的
8、响应 (a) 低频01800Hz (b) 高频050kHz (b) 4 0 25 50 Frequency (kHz) 0 -40 -80 Pow er (dB m) Pow er (dB m) Frequency (Hz) (a) 4 23dB 60dB BW 10Hz BW 62.5Hz 在温度分别为200C, 3000C, 5000C和8000C时进行了应变响应测试。为了说 明，在图3-15 (a)仅仅绘出了温度为8000C时的测试结果，因为200C, 3000C, 5000C 和8000C时的测试结果基本是一样的。 为了获得从0Hz到50kHz的功率谱密度，滤波器的带宽设置在62.5H
9、z。为了 便于阐述，仅仅给出了8000C时的测试结果，如图3-15(b)所示。这是因为 在200C, 3000C, 5000C 和8000C的结果基本是一样的。 157nm激光一次成型的珐珐-珀应变传应变传 感器 我们提出了一种采用157nm激光直接在光子 晶体光纤（PCF）上制作的在线珐-珀标准具 。这种微型在线标准具是一种在PCF上的微型 矩形槽结构，典型尺寸为数十微米，因此可以 在高温下应用。 这种PCF传感器具有许多传统的光纤F-P传感 器所不具有的优点，如：无需组装直接成形、 优良的光学特性、高温稳定性、好的温度不敏 感特性、低成本、可批量生产等，这可能导致 应用于多种场合的新一代微
10、型光纤传感器的诞 生，因此可能引起光纤传感领域的一场革命。 157nm激光一次成型的珐珐-珀应变传应变传 感器 图3-16珐珀腔标准具的图片和反射谱图 (a)PCF珐珀腔的扫描电镜图片 (b)纵向方向珐珀标准具的图片 (c) 珐珀标准具的反射谱图 R- Intensity (dB) Wavelength (nm) (c) (a) D Laser Entrance R L Core Cladding (b) 从图3-16 (a)可以看出，加 工出的腔的两个端面是相当 光滑和平行的。腔的剖面图 如图3.16 (b)所示。 标准具的反射光谱如图3- 16(c)所示。从图中可以看出 ，这种PCF标准具
11、有26dB极 好的条纹对比度，据我们所 知，这是在没有镀膜情况下 光纤F-P应变传感器能获得的 最好的对比度之一。（一般 情况下，根据104-106, 111, 116 中报道的，不论是手工组装 ，还是HF酸腐蚀，或者是熔 接等方法制作的F-P传感器的 条纹对比度都不到15dB。） 这是因为PCF的特性使其成为 通过微加工获得光滑表面的 理想材料。 Sensor Number Cavity Length (m) 图3-17在同样的加工参数下腔长的分布 图3-18 PCF珐珀腔的温度和应变特性 (a) 不同温度下的应变特性 (b) 温度响应 Cavity Lengt h Variati on (
12、nm) Temperature () (b) A B C D E Strain () (a) Cavit y Leng th Varia tion (nm) 为了证实加工的重复性是否理想 ，我采用和前面同样的参数加工 了20个传感头。实验结果表明， 可以取得很好的重复性，如图3- 17所示。腔长的波动60nm,不到 腔长的1%。我们在一个宽的温度 范围内对PCF标准具传感器的应 变特性进行了研究。通过计算实 际腔长来测量应变，腔长计算公 式同样为114： ，这里， , 是 传感器反射谱相邻两个波谷对应 的波长。 高温温度和应变应变 同时测时测 量 高温温度和应变同时测量高温温度和应变同时测量高
13、温温度和应变同时测量高温温度和应变同时测量高温温度和应变同时测量高温温度和应变同时测量高温温度和应变同时测量 图3-20 从熔接机上获得的MEFPI （珐珀标准具）的透射照片 MEFPI cavity 157nm, 12J/cm2, 160pulses, 20Hz, Top-surface 图3-19 157nm激光加工后光纤端 面的SEM照片 采用高频CO2激光脉冲曝光在普通标准单模光纤上写入的LPFG被插入在石英毛细管中 ，石英毛细管的内径和外径分别为128um和300um。LPFG是被通过熔接的方式固定在 石英毛细管中的，确保了LPFG不受应变的影响。MEFPI是通过采用157nm 准分
14、子激光 器在单模光纤（SMF-128）端面制作的。打在光纤端面的激光脉冲的能量密度为 12J/cm2，频率为20Hz，在160个脉冲后，在光纤端面形成了一个深度30m，底部 光滑的圆孔，如图3-19再通过将其和另外一段切割好的光纤熔接在一起，孔就自封 闭在了光纤中（熔接采用商用的熔接机(S182A, Fitel, Japan)，这样就自动形成了 一个MEFPI。我们从熔接机获得的微型腔的横向图如图3-20。 高温温度和应变同时测量 图3-21 高温和应变进行同时测量的实验装置 LPFG Circulator MEFPI Cavity 1 2 3 Si720 OSA High-temperatu
15、re Furnace 用来对高温和应变进行同时测量的实验装置如图3-21所示。反射光和透射 光被分别用来对MEFPI和LPFG的输出进行监测，监测采用的是高精度的光 谱分析仪(OSA) (Si720, Micron Optics, USA)，其波长扫描范围为 1510nm1590nm，分辨率为2.5pm。从Si720内部的扫描激光器发出的激光 经过一个耦合器后打进组合传感器。MEFPI的反射光谱如图3-22所示。从 图中可以看出可以获得30dB的最好可见度。透射光通过MEFPI后进入LPFG 。图3-23中示意了MEFPI和LPFG的混合光谱。从图中可以看出，LPFG的信 号强度没有受到MEF
16、PI的信号的干扰。 高温温度和应变应变 同时测时测 量 图3-22 MEFPI的反射光谱 Wavelength /nm R- Inten sity (dB) 图3-23 LPFG和EFPI的混合透射谱 R- Intens ity (dB) Wavelength /nm MEFPI传感器和LPFG被放置在高温炉(Lenton, UK)中的陶瓷管中。两 个高精度的微动台(Newport 561D)固定在高温炉的两端，空间距离 为1m，微动台通过拉伸光纤的一端来对传感器施加应变，如图3-22 所示。高温炉的温度分辨率为1oC。测试中，温度从100oC开始，间隔 50oC，到650oC时为止。事实上，由于硅的熔点在1700oC左右，这种 传感器能够承受的最高温度可以高达800oC，当然这也取决于实际应 用中镀在光纤表面对传感器进行保护的薄膜。当高温炉的温度被保 持在某一个恒定值的时候，
