劉 琨

（沈陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，沈陽 110045）

0 引言

近10年來，單晶藍(lán)寶石光纖傳感器引起了人們的極大的興趣。由于藍(lán)寶石具有許多獨特的特性，如高熔點（2040℃），耐化學(xué)腐蝕，硬度高，寬的透光光譜范圍[1]，因此，藍(lán)寶石傳感器在溫度高達(dá)2000℃的環(huán)境中不退化。各種傳感器結(jié)構(gòu)，如藍(lán)寶石晶片，空氣腔FP傳感器，藍(lán)寶石光纖光柵等都已實現(xiàn)。在這些傳感器中，空氣腔FP傳感器具有價格低廉，功能強(qiáng)大，靈敏度和動態(tài)范圍可調(diào)等優(yōu)點而備受關(guān)注。此外，在線式的空氣腔FP傳感器也非常易于串聯(lián)復(fù)用進(jìn)行多點測量。此前研究結(jié)果表明，由于藍(lán)寶石光纖的大的模場直徑，因此為了獲得加號的條文對比度，對空氣腔長和兩斷面的平行度有很高的要求。最終，這個影響限制了空氣腔傳感器的制作的重復(fù)性和可達(dá)到的對比度，致使空氣腔傳感器很難復(fù)用。

本文中，我們通過采用藍(lán)寶石管線拋光技術(shù)和氧化鋯準(zhǔn)直管來獲得FP傳感器高對比度。這些優(yōu)點使我們第一次實現(xiàn)了藍(lán)寶石光纖傳感器的串聯(lián)復(fù)用多點溫度測量。此外，由于采用氧化鋯準(zhǔn)直管有效地增加了傳感器的長度，空氣隙的FP傳感器表現(xiàn)了比此前膜片式傳感器更加高的靈敏度。

1 實驗裝置及原理

圖1所示為一單點空氣隙高溫FP傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。兩根同時拋光的藍(lán)寶石光纖[Micro Materials, Inc.; outside diameter (o.d.) 75 um]能夠獲得最好的平行度(ULTRAPOL, 0.5 um polishing film)，然后精確地插入到氧化鋯準(zhǔn)直管里[Swiss Jewel, inside diameter (i.d.) 78 um, length 1 cm]來形成FP腔產(chǎn)生干涉條紋。拋光時，將斯根藍(lán)寶石光纖放入到一根5cm長內(nèi)徑239um的氧化鋯毛細(xì)管內(nèi)固定。由于每根光纖最大能夠占據(jù)89um的位置，因此，四根光纖端面的家督誤差最大為（89um/5cm）=0.1°。

圖1 空氣腔FP溫度傳感器結(jié)構(gòu)

圖2 不同腔長空氣腔FP傳感器反射光譜

同時，傳感器解調(diào)單元用于實時查詢傳感器光程差的變化。當(dāng)光程差值達(dá)到我們需要的數(shù)值時，采用高溫陶瓷膠(Cotronics, HP903)將藍(lán)寶石光纖同氧化鋯粘結(jié)起來。通過控制兩根藍(lán)寶石光纖端面間空氣隙的大小來獲得不同的光程差。然后，將傳感器放置于1150℃的電阻爐(Thermolyne 48000)里進(jìn)行熱退化來增強(qiáng)其穩(wěn)定性。圖2所示為一空氣隙FP傳感器的反射譜圖。從圖中我們可以看出大的光程差時光譜波動的頻率也會高。我們可以通過對傳感器反射光譜進(jìn)行快速傅里葉變換來對多個傳感器進(jìn)行解復(fù)用和對單個傳感器的腔長進(jìn)行測量。溫度變化引起的傳感器空氣腔長的變化的原因是由于氧化鋯準(zhǔn)直毛細(xì)管和藍(lán)寶石光纖的熱脹冷縮效應(yīng)，

式中，OPD(T)是任意溫度T是的光程差（OPD），OPD(T0)為溫度為T0時的光程差。Cz和Cs分別為氧化鋯準(zhǔn)直管和藍(lán)寶石光纖的熱膨脹系數(shù)。Leff為藍(lán)寶石光纖和氧化鋯準(zhǔn)直毛細(xì)管兩個粘結(jié)點之間的有效長度。

三個溫度點串聯(lián)復(fù)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。三個藍(lán)寶石空氣腔傳感器串聯(lián)在一根藍(lán)寶石光纖上，將入射藍(lán)寶石光纖熔接到一根100/140um多模石英光纖上。有一個超輻射發(fā)光二極管(SLED) (Honeywell, central wavelength 850 nm,FWHM 50 nm)發(fā)出的寬譜光通過一個50:50的多模光纖耦合器(Gould Optics)，其中一路入射到三個串聯(lián)的傳感器上，其反射光通過耦合器后入射到光譜儀(Ocean Optics, USB2000)中。耦合器的另一端放入匹配液中以消除雜散光。

圖3 多點傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 三個傳感器的反射譜

圖5 三個傳感器反射譜FFT結(jié)果

圖6 傳感器2的標(biāo)定曲線

2 實驗結(jié)果及分析

三個傳感器的光程差分別為47，95，145um，圖4所示為連接有傳感器和沒連接傳感器是光譜儀接收到的光譜。圖5所示為三個傳感器相應(yīng)的傅里葉變換譜。如圖5所示，三個傳感器的快速傅里葉變換譜對應(yīng)三個分析的峰值，每一個對應(yīng)一個傳感器的唯一的光程差。解調(diào)時，我們采用快速傅里葉變換和帶通濾波器來選擇每一個傳感器。然后再進(jìn)行反傅里葉變換，相位展開，線性擬合計算出每個傳感器的光程差。再選擇不同個帶通濾波器重復(fù)上述過程，三個傳感器的光程差便都計算出來了。不同于峰值跟蹤方法，這種信號解調(diào)方法使用了整個光譜信息，而不是一個或者幾個波長信息來計算光程差，因此，該方法既有極高的精度。詳細(xì)的方法介紹見參考文獻(xiàn)[8]。

將傳感器置于測試電阻爐里(Thermolyne 48000)，然后采用表針B型熱電偶(Omega)來標(biāo)定傳感器。電阻爐內(nèi)的溫度由程序控制以3℃/min的速度由200℃升至1000℃再降到200℃。圖6所示為傳感器2的標(biāo)定曲線。在標(biāo)定過程中，溫度在上升和下降的過程中傳感器的光程差都要做記錄。在溫度上升和下降的過程中產(chǎn)生的傳感器的遲滯現(xiàn)象我們認(rèn)為是由于高溫陶瓷膠所致。我們采用溫度上升和下降時光程差的平均值給出了傳感器的標(biāo)定曲線，如圖6所示。溫度和光程差的關(guān)系用三次多項式擬合。

圖7 三個傳感器的標(biāo)定曲線

圖8 傳感器2的光程差波動曲線

圖7 所示為三個傳感器的標(biāo)定曲線。由于這三個傳感器具有不同的腔長，為了比較，采用600℃時的腔長值來歸一化傳感器的光程差。由圖7我們可以看出所有三個傳感器具有非常好的靈敏度，在整個標(biāo)定范圍內(nèi)，每只傳感器的靈敏度為30nm/℃。由于在高溫時氧化鋯準(zhǔn)直管和藍(lán)寶石光纖的熱膨脹系數(shù)差變小，靈敏度隨著溫度的升高而降低。在1050℃時的靈敏度為20nm/℃，是膜片式傳感器的十倍。

空氣腔傳感器的固有的高的靈敏度引起高的溫度分辨率。為了測量該值，我們將傳感器2放置于任意溫度和1050℃進(jìn)行10分鐘的測試。每次測試記錄100個數(shù)據(jù)點，測量結(jié)果如圖8所示。標(biāo)準(zhǔn)差分別為2.8nm，2.9nm。在1050℃式的傳感器的靈敏度為20nm/℃，南無其溫度分辨率為0.3℃。

3 結(jié)論

本文實現(xiàn)了基于藍(lán)寶石光纖空氣腔高溫FP傳感器的串聯(lián)復(fù)用結(jié)構(gòu)。三個具有不同腔長的傳感器制作成串聯(lián)到一起，并且進(jìn)行了測試和標(biāo)定。三個傳感器具有非常高的靈敏度，其溫度分辨率為0.3℃，能夠穩(wěn)定地工作于1000℃。該多點空氣腔溫度傳感器能夠應(yīng)用于環(huán)境惡劣的環(huán)境中。

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