呂 濤

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)數(shù)理學(xué)院，湖北武漢 430074)

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非本征法布里-珀羅腔光纖壓力傳感器研究進(jìn)展

呂 濤

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)數(shù)理學(xué)院，湖北武漢 430074)

基于敏感Fabry-Perot腔測(cè)量外界應(yīng)變的光纖傳感器近年來(lái)得到廣泛的研究，介紹了國(guó)內(nèi)外非本征Fabry-Perot腔光纖壓力傳感器發(fā)展的進(jìn)程及實(shí)用化過(guò)程中迫切需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題，如傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、敏感材料的選擇，初始腔長(zhǎng)的選擇與控制，靜態(tài)工作點(diǎn)的選擇與自補(bǔ)償?shù)取?/p>

光纖傳感器；Fabry-Perot腔；敏感材料；靜態(tài)工作點(diǎn)；腔長(zhǎng)

0 引言

光纖非本征Fabry-Perot腔(Extrinsic Fabry-Perot Cavity,簡(jiǎn)稱EFPC)傳感器具有抗電磁干擾、體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、避免電火花、耐腐蝕、便于遙測(cè)和復(fù)用等許多優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)得到廣泛運(yùn)用[1-2]，可測(cè)量多種參量，如電流[3]、角度[4]、顱內(nèi)壓[5]、壓力[6-10]、濃度[11]、橋梁健康[12-13]、表面聲波[14]、微位移[15-18]、溫度[19]、折射率[20-25]、振動(dòng)[26]、液位[27]、濕度[28]、壓力和溫度[29-31]、表面應(yīng)力[32]等。重慶大學(xué)、電子科技大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、南京師范大學(xué)、大連理工大學(xué)、武漢理工大學(xué)等單位近年來(lái)對(duì)此類型傳感器進(jìn)行了廣泛的研究。

傳統(tǒng)的光纖EFPC傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]，由輸入光纖、反射光纖、毛細(xì)管或空心玻璃管構(gòu)成，輸入光纖和反射光纖分別從毛細(xì)管或空心玻璃管兩端插入并被熔點(diǎn)固定，光纖端面之間為空氣，光纖端面互相平行且組成EFPC。

圖1 光纖EFPC傳感器

光束沿輸入光纖射入微腔時(shí)，在兩端面反射并沿原路返回相遇發(fā)生干涉，當(dāng)外界參量作用于傳感器時(shí)，改變傳感器的腔長(zhǎng)L從而改變了相鄰相干光束相位差φ，進(jìn)而影響輸出反射干涉光強(qiáng)Ir，因此腔長(zhǎng)L是反映被測(cè)對(duì)象的關(guān)鍵參數(shù)[33]。腔長(zhǎng)信號(hào)L解調(diào)主要有相位解調(diào)和強(qiáng)度解調(diào)兩種方法，相位解調(diào)通常采用傅里葉變換解調(diào)法[34]、相關(guān)法[35]、干涉條紋計(jì)數(shù)法[36]等，應(yīng)用白光[37]、波長(zhǎng)可調(diào)諧[6]或?qū)捁庾V[7]光源，通過(guò)Ir、φ、L之間的關(guān)系求出L，這種方法可以克服光源功率波動(dòng)及光纖彎曲能量損耗等外界擾動(dòng)的影響，因此國(guó)內(nèi)外此類型傳感器基本上都使用相位解調(diào)，但解調(diào)裝置價(jià)格昂貴、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢。強(qiáng)度解調(diào)通常用單色光源，測(cè)量出Ir而求出L，測(cè)量原理如圖2所示[38]，在特定光波(如λ=1．3 μm)和端面反射率條件下Ir/I0(I0為入射光強(qiáng))與腔長(zhǎng)L成近似的余弦函數(shù)關(guān)系，Ir/I0是L的多值函數(shù)。如果外界某種因素(物理量、化學(xué)量、生物量等)作用于毛細(xì)管或空心玻璃管使得腔長(zhǎng)L發(fā)生λ/8線性微變化時(shí)，腔輸出局部1/4周期曲線(上升沿M→N或下降沿P→Q部分，因?yàn)閭鞲衅鞴ぷ鲿r(shí)腔長(zhǎng)減小)可選作為線性工作區(qū)，此時(shí)Ir/I0是L的單值函數(shù)，通過(guò)測(cè)量輸出反射干涉光能量就可間接測(cè)量出待測(cè)量。

圖2 光纖EFPC傳感器Ir/I0與腔長(zhǎng)L變化關(guān)系圖

1 傳統(tǒng)EFPC光纖傳感器存在問(wèn)題

然而，傳統(tǒng)EFPC光纖傳感器主要缺點(diǎn)是：敏感長(zhǎng)度是兩光纖上的熔點(diǎn)間線性長(zhǎng)度而非兩光纖端面間距(腔長(zhǎng)L)，所以制作好的傳感器運(yùn)用之前還要進(jìn)行校準(zhǔn)[39]；不能保證被測(cè)量誘導(dǎo)毛細(xì)管或空心玻璃管發(fā)生沿中心軸線方向的納米級(jí)線性形變，結(jié)果造成腔的兩端面不平行甚至在測(cè)量過(guò)程中可能觸碰到管臂而損壞[40]，測(cè)量無(wú)法進(jìn)行；由于手工制作，傳感器的可重復(fù)性差；由于熔點(diǎn)溫度效應(yīng)的影響，腔長(zhǎng)會(huì)發(fā)生改變，傳感器穩(wěn)定性不高；初始腔長(zhǎng)控制不準(zhǔn)確，靜態(tài)工作點(diǎn)很難定位；由于端面反射率較低(通常4%左右)[1]，輸出信號(hào)強(qiáng)度較低，后續(xù)光電轉(zhuǎn)換電路復(fù)雜，如果提高端面反射率，在光纖端面鍍高反射膜存在困難。

強(qiáng)度型光纖EFPC傳感器在制造與實(shí)用化過(guò)程中必須解決3個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題[33]：

(1)一定量程的被測(cè)量能夠直接或間接調(diào)制EFPC腔長(zhǎng)通常小于或等于λ/8；

(2)只有傳感器制造過(guò)程中精確地控制其初始腔長(zhǎng)L0(L0=mλ/2+3λ/16或L0=m·λ/2+7λ/16，m=0,1,2,3…)，才能精確定位初始的靜態(tài)工作點(diǎn)(如P點(diǎn)或M點(diǎn))，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)線性工作區(qū)的選擇(如M→N或P→Q)；

(3)受光源功率波動(dòng)、光纖彎曲損耗、環(huán)境溫度變化、探測(cè)器老化等影響而使傳感器測(cè)量精度降低，中心波長(zhǎng)漂移會(huì)使靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生漂移，所以都需要采用自補(bǔ)償措施。

為了實(shí)現(xiàn)壓力直接線性微調(diào)制腔長(zhǎng)，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外許多研究者[41-45]提出基于MEMS技術(shù)用周邊固定的硅橫隔膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)反射光纖作為敏感元件和光纖端面或玻璃片表面(下端耦合光纖)組成EFPC，壓力直接線性微調(diào)制恒彈性片從而線性微調(diào)制(納米級(jí))腔長(zhǎng)，選擇恰當(dāng)?shù)暮穸扰c直徑使得恒彈性片中心在一定的壓力作用下發(fā)生小于或等于1/8波長(zhǎng)的微形變。然而這種結(jié)構(gòu)主要缺點(diǎn)是：

(1)發(fā)生信號(hào)平均效應(yīng)[46]。這種效應(yīng)是指由壓力誘導(dǎo)產(chǎn)生的光學(xué)信號(hào)響應(yīng)會(huì)發(fā)生衰減，原因是部分負(fù)值信號(hào)被正值信號(hào)抵消，這個(gè)現(xiàn)象是微型EFPC反射或透射的正余弦曲線的本性決定的，結(jié)果導(dǎo)致非均勻撓度的橫隔模在不同位置點(diǎn)處發(fā)生響應(yīng)信號(hào)平均效應(yīng)。因此，真實(shí)探測(cè)到的EFPC光學(xué)信號(hào)響應(yīng)比具有理想“活塞”式橫隔模的EFPC光學(xué)信號(hào)響應(yīng)值要低，這種信號(hào)衰減隨著橫隔膜因發(fā)生撓度而彎曲的程度增加而增加。

(2)溫度效應(yīng)難以克服[46]。伴隨環(huán)境溫度變化，不同材料的熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致應(yīng)力發(fā)生波動(dòng)并且干擾了傳感器信號(hào)。這種現(xiàn)象是與物質(zhì)材料自身性質(zhì)相關(guān)，所以很難單純通過(guò)材料的選擇去消除。

(3)EFPC光學(xué)信號(hào)解調(diào)困難[47]。玻璃腔、EFPC、硅片腔均能夠形成干涉信號(hào)，精確進(jìn)行腔長(zhǎng)信號(hào)解調(diào)復(fù)雜。

(4)硅橫隔模制作上難以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)的對(duì)稱并由此產(chǎn)生了局部?jī)?nèi)應(yīng)力，結(jié)果發(fā)生沒(méi)有外力作用時(shí)橫隔模也會(huì)發(fā)生微小撓度的零壓力偏移效應(yīng)。

(5)硅橫隔膜上所鍍的高反射膜在硅橫隔膜形變時(shí)容易被破壞。

2 EFPC光纖傳感器腔長(zhǎng)選擇、控制與自補(bǔ)償

由于對(duì)EFPC腔長(zhǎng)控制通常要求在納米量級(jí)，而且敏感組件的生產(chǎn)組裝過(guò)程會(huì)導(dǎo)致最后的腔間距控制的不確定性，因此精確控制腔長(zhǎng)在目前研究與生產(chǎn)過(guò)程中是一個(gè)難題。2005年，Xu[48]等人提出用功率為2 W、1 s脈寬的CO2激光控制初始腔長(zhǎng)，先將2個(gè)單模光纖通過(guò)一維傳動(dòng)平臺(tái)放置在1個(gè)硅毛細(xì)管中，端面間距為幾mm，略小于理想值，隨后使用聚焦的CO2激光加熱毛細(xì)管和光纖實(shí)現(xiàn)熔接。如果光源功率和脈寬穩(wěn)定，腔長(zhǎng)與熔接時(shí)間線性變化，5個(gè)脈沖實(shí)現(xiàn)了150 nm的腔長(zhǎng)控制，每個(gè)脈沖控制大約30 nm。此外，更低功率的CO2激光可實(shí)現(xiàn)更精確的腔長(zhǎng)控制，最高控制精度為3 nm。但是這種控制方法對(duì)光源穩(wěn)定性要求苛刻，脈沖數(shù)與實(shí)際腔長(zhǎng)控制并非線性。2006年，Xu[6]等又提出基于白光干涉系統(tǒng)，腔長(zhǎng)先預(yù)先設(shè)置到接近理想值，利用電弧熔接反射光纖與毛細(xì)管來(lái)控制腔長(zhǎng)，選擇恰當(dāng)?shù)墓β?、脈寬和脈沖數(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)腔長(zhǎng)納米級(jí)控制。但其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在第1至第12個(gè)脈沖作用時(shí)，對(duì)腔長(zhǎng)控制明顯出現(xiàn)了非線性，尤其是第5和第9個(gè)脈沖作用時(shí)。2007年，Cibula[39]等利用一個(gè)小的電爐加熱EFPC，在加熱過(guò)程中觀察光譜的變化，通過(guò)伸展光纖和觀察光譜，對(duì)于特定的工作波長(zhǎng)靜態(tài)工作點(diǎn)容易設(shè)置。然而，當(dāng)溫度下降到室溫時(shí)，由于熱脹冷縮效應(yīng)，對(duì)于32．5 μm的腔長(zhǎng)縮小了16 nm。因此，加熱前腔長(zhǎng)必須預(yù)先設(shè)置大于理想值。但是這種方法不具有普遍性，因而不能廣泛運(yùn)用。雷小華[49]等基于彈性形變?cè)碓O(shè)計(jì)了用于光纖EFPC傳感器的納米級(jí)微位移工作臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)EFPC腔長(zhǎng)控制，但是標(biāo)定實(shí)驗(yàn)證明其不確定度為0．1 μm。如果光源中心波長(zhǎng)1．31 μm，1/4周期線性工作區(qū)對(duì)應(yīng)1/8波長(zhǎng)即0．163 75 μm腔長(zhǎng)變化，可見(jiàn)此工作臺(tái)不確定度與傳感器最大腔長(zhǎng)變化可比擬，所以控制精度必須達(dá)到納米級(jí)才能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)工作點(diǎn)的的定位和初始腔長(zhǎng)的控制。

總之，已報(bào)道的腔長(zhǎng)控制方法和技術(shù)主要是針對(duì)傳統(tǒng)光纖EFPC傳感器腔長(zhǎng)控制，而不是基于硅橫隔膜作為敏感元件的光纖EFPC壓力傳感器腔長(zhǎng)控制(腔長(zhǎng)難以精確控制，采用對(duì)初始腔長(zhǎng)準(zhǔn)確度要求不高的相位解調(diào)方法)。已有的微線性位移控制系統(tǒng)控制精度不高或者在腔長(zhǎng)控制進(jìn)程中因?yàn)槎喾N因素影響造成控制不準(zhǔn)確而無(wú)法真正實(shí)用。

只有正確選擇并精確控制初始腔長(zhǎng)才能定位初始靜態(tài)工作點(diǎn)，確保腔輸出的局部對(duì)稱的1/4周期曲線能被選為線性工作區(qū)，進(jìn)而保證輸出反射干涉光強(qiáng)度與腔長(zhǎng)是線性單值函數(shù)。然而，關(guān)于腔長(zhǎng)必須考慮以下幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：

(1)影響初始腔長(zhǎng)度選取的因素：①腔端面反射率組合[38]。根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)不同的腔端面反射率組合對(duì)應(yīng)的腔輸出近似余弦函數(shù)關(guān)系曲線中相同周期長(zhǎng)度的局部工作區(qū)間對(duì)應(yīng)不同的測(cè)量靈敏度，高反射率條件下靈敏度較高，但是對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的自補(bǔ)償就越苛刻，所以為滿足傳感器不同的性能指標(biāo)就需要選擇不同的端面反射率組合(原理如圖2所示)。②腔能量損耗。由于腔反射光能量耦合損耗[50]、腔端面不絕對(duì)光滑和平行[51]、腔端面衍射損耗[52]、腔長(zhǎng)損耗[53]等因素使得腔輸出近似余弦函數(shù)曲線并非絕對(duì)等幅，而是隨著腔長(zhǎng)減少輸出信號(hào)光的峰-谷幅度值逐漸增大[54]，即使是相同反射率條件下，同一輸出響應(yīng)曲線中不同周期內(nèi)的相同周期長(zhǎng)度線性區(qū)將對(duì)應(yīng)傳感器不同的量程、靈敏度、線性度[55-56]。③恒彈性片的變化范圍。當(dāng)一定范圍的壓力作用于恒彈性片并使其發(fā)生不同程度的形變，最大形變量應(yīng)小于初始腔長(zhǎng)。④初始腔長(zhǎng)L0所給出自由光譜范圍Δλ=λ2/2L0應(yīng)大于半導(dǎo)體激光器光譜帶寬[43]。⑤實(shí)際加工與控制難度。太小的初始腔長(zhǎng)加工困難，傳感器靈敏度降低并且傳感器靜態(tài)工作點(diǎn)漂移難以有效抑制。

(2)控制初始腔長(zhǎng)方法：①納米級(jí)微線性位移控制與傳動(dòng)裝置的研發(fā)與運(yùn)用，這個(gè)裝置是實(shí)現(xiàn)初始腔長(zhǎng)控制的前提條件；②對(duì)EFPC而言，只要其中一端面固定而另一端面發(fā)生相對(duì)微位移，EFPC均可輸出相同的近似余弦函數(shù)關(guān)系曲線。初始腔長(zhǎng)控制時(shí)，先將腔長(zhǎng)控制在理想腔長(zhǎng)附近，彈性片位置固定，讓微線性位移裝置誘導(dǎo)光纖端面發(fā)生微位移調(diào)制腔長(zhǎng)至理想值。圖3中，B、C、D、E點(diǎn)均為腔輸出曲線的峰或谷點(diǎn)，Q1、Q2、Q3、Q4點(diǎn)為約1/4周期線性區(qū)的起點(diǎn)或末點(diǎn)，圖3(a)中A點(diǎn)之前、F點(diǎn)之后、G點(diǎn)→H點(diǎn)部分為腔長(zhǎng)恒定時(shí)輸出直線，當(dāng)A點(diǎn)→G點(diǎn)和H點(diǎn)→F點(diǎn)部分分別為腔長(zhǎng)減小和增大時(shí)腔輸出近似余弦曲線時(shí)，理論上講兩部分曲線是對(duì)稱的。運(yùn)用數(shù)據(jù)采集處理軟件實(shí)時(shí)監(jiān)控動(dòng)態(tài)B點(diǎn)→C點(diǎn)曲線內(nèi)各采集點(diǎn)處電壓值，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算和綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可推斷出Q1和Q2點(diǎn)為1/4周期線性區(qū)的起始和末尾工作點(diǎn)，當(dāng)腔長(zhǎng)增大時(shí)輸出對(duì)稱曲線部分中電壓值分別等于Q2、Q1點(diǎn)處電壓值時(shí)對(duì)應(yīng)點(diǎn)為Q3、Q4點(diǎn)，Q1(Q4)點(diǎn)為要定位的初始靜態(tài)工作點(diǎn)，此時(shí)的腔長(zhǎng)為初始腔長(zhǎng)，1/4周期線性工作區(qū)如圖3(b)所示。當(dāng)A點(diǎn)→G點(diǎn)和H點(diǎn)→F點(diǎn)部分分別為腔長(zhǎng)增大和減小時(shí)腔輸出近似余弦曲線時(shí)，依據(jù)相同原理可得到如圖3(c)所示的1/4周期線性工作區(qū)，Q3(Q2)點(diǎn)為初始靜態(tài)工作點(diǎn)，此時(shí)的腔長(zhǎng)也可為初始腔長(zhǎng)[57]。③初始腔長(zhǎng)控制應(yīng)該在無(wú)外界擾動(dòng)條件下進(jìn)行。無(wú)擾動(dòng)條件主要指不受光源功率波動(dòng)和中心波長(zhǎng)漂移、光纖彎曲損耗、環(huán)境溫度變化、探測(cè)器老化等影響，這就要求必須有自補(bǔ)償措施：對(duì)光源功率和中心波長(zhǎng)進(jìn)行自補(bǔ)償；基于雙通道加參考臂的原理研發(fā)新型光電轉(zhuǎn)換卡,一路為參考光不參與動(dòng)態(tài)響應(yīng)，另一路參與動(dòng)態(tài)響應(yīng)，利用二者的比值信號(hào)來(lái)消除對(duì)光功率穩(wěn)定性的負(fù)面影響[55]；在硅片下端中心處鍵合一凸臺(tái)抑制溫度效應(yīng)對(duì)腔長(zhǎng)的影響。

(3)初始腔長(zhǎng)和靜態(tài)工作點(diǎn)的主要自補(bǔ)償措施：①獲取對(duì)溫度不敏感的腔長(zhǎng)[48]。這是抑制靜態(tài)工作點(diǎn)漂移的一個(gè)主要步驟。根據(jù)理論分析計(jì)算，當(dāng)環(huán)境溫度每變化1 ℃時(shí)，幾十甚至上百mm的腔材料熱脹冷縮效應(yīng)引起腔長(zhǎng)發(fā)生的微變化遠(yuǎn)大于傳感器最小分辨率對(duì)應(yīng)微腔長(zhǎng)變化，因此就不可能實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量。因溫度效應(yīng)引起的微腔長(zhǎng)變化導(dǎo)致理想初始腔長(zhǎng)條件下定位的靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生了漂移，線性工作區(qū)線性度變差、測(cè)量精度變低。工作點(diǎn)如果漂移到近似余弦函數(shù)關(guān)系曲線的峰或谷點(diǎn)上或其附近，此時(shí)測(cè)量無(wú)法進(jìn)行。EFPC腔長(zhǎng)實(shí)際上為單模光纖端面和敏感端面間距，兩者的膨脹程度可通過(guò)選擇不同熱膨脹系數(shù)材料達(dá)到相同，從而抵消溫度效應(yīng)對(duì)腔長(zhǎng)的負(fù)面影響。②光源中心波長(zhǎng)漂移[58]。當(dāng)半導(dǎo)體激光器中心波長(zhǎng)受溫度效應(yīng)影響時(shí)會(huì)發(fā)生漂移，會(huì)產(chǎn)生類似于腔長(zhǎng)受溫度效應(yīng)影響的后果，嚴(yán)重時(shí)測(cè)量無(wú)法進(jìn)行。例如，對(duì)于中心波長(zhǎng)為1 310 nm的分布反饋式DFB激光器而言，其中心波長(zhǎng)溫度漂移系數(shù)為0．08 nm/℃，當(dāng)溫度變化±10 ℃時(shí)，其最大波長(zhǎng)漂移為1．6 nm，約占λ/8微腔長(zhǎng)變化的1%，由此而造成的測(cè)量誤差為1%。例如，對(duì)于1 m液位測(cè)定，如果要達(dá)到±1 mm精度，而由中心波長(zhǎng)漂移引起1%測(cè)量誤差(10 mm),顯然達(dá)到±1 mm測(cè)量精度是不可能的。對(duì)光源進(jìn)行自動(dòng)溫度控制(Automatic temperature control，ATC)和自動(dòng)功率控制(Automatic power control，APC)來(lái)抑制中心波長(zhǎng)漂移和輸出功率波動(dòng)。

(a)EFPC腔長(zhǎng)受調(diào)制后輸出動(dòng)態(tài)曲線示意圖

(b)腔長(zhǎng)先減小后增大條件下選擇的約1/4周期線性工作區(qū)

(c)腔長(zhǎng)先增大后減小條件下選擇的約1/4周期線性工作區(qū)

強(qiáng)度型光纖EFPC傳感器腔長(zhǎng)控制通常要求在nm級(jí)，而且敏感組件的生產(chǎn)組裝過(guò)程難免會(huì)造成最后的腔間距控制的不確定性，因此精確控制腔長(zhǎng)在目前研究與生產(chǎn)過(guò)程中是一個(gè)急待解決的難題?；贓FPC壓力響應(yīng)的動(dòng)態(tài)近似余弦函數(shù)曲線的多周期性和可重復(fù)性，利用微線性位移控制系統(tǒng)在無(wú)外界擾動(dòng)條件下可精確控制初始腔長(zhǎng)、定位靜態(tài)工作點(diǎn)、選擇線性工作區(qū)，因此這對(duì)本類型傳感器的實(shí)用化和商業(yè)化具有重要理論研究和實(shí)踐意義。此外，本研究會(huì)給研究者帶來(lái)新的啟發(fā)：凡是能夠直接或間接轉(zhuǎn)換為敏感EFPC腔長(zhǎng)微變化的一定量程的被測(cè)量均可考慮通過(guò)光學(xué)敏感EFPC干涉裝置來(lái)測(cè)量。

3 基于EFPC光纖壓力傳感器國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

為了提高光纖EFPC傳感器溫度穩(wěn)定性，Xu等將反射單模光纖插入一空心光纖并與輸入光纖(單?；蚨嗄９饫w)，組成光纖EFPC壓力傳感器[6](如圖4(a)所示)，通過(guò)外界壓力作用于空心光纖并使其發(fā)生形變從而改變腔長(zhǎng)。另外，在反射光纖的左端增加了一段多模光纖(約0．5 mm)，利用輸入光纖、多模光纖和反射光纖的熱膨脹系數(shù)的差異，選擇合適的長(zhǎng)度參數(shù)可獲得一個(gè)對(duì)溫度不敏感的初始腔長(zhǎng)。光源采用波長(zhǎng)可調(diào)光源(λ=1 520～1 570 nm)，采用干涉條紋計(jì)數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)信號(hào)解調(diào)。壓力作用于空心光纖并引起其中心軸線方向形變實(shí)現(xiàn)對(duì)腔長(zhǎng)微調(diào)制，這沒(méi)能克服傳統(tǒng)光纖EFPC傳感器固有缺點(diǎn)。此外，粘合點(diǎn)溫度效應(yīng)會(huì)影響腔長(zhǎng)，導(dǎo)致測(cè)量精度變低、靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生漂移。

為了克服粘合劑或熔點(diǎn)溫度效應(yīng)對(duì)腔長(zhǎng)的負(fù)面影響、提高測(cè)量精度并實(shí)現(xiàn)壓力信號(hào)直接調(diào)制腔長(zhǎng)，Abeysinghe[41]和Zhu[7]等在一根多模光纖的端面上利用MEMS技術(shù)直接鍵合一彈性硅橫隔膜組成壓力傳感器(分別如圖4(b)和圖4(c)所示)。圖4(b)所示傳感器硅橫隔膜厚度為7 μm，腔徑為135 μm，腔長(zhǎng)為0．64 μm。對(duì)0～80 psi (1 psi=6 890 Pa)壓力測(cè)量時(shí)獲得0．11 mV/psi的靈敏度，非線性誤差為±0．01 mV/psi。但是這些性能指標(biāo)是在對(duì)傳感系統(tǒng)尤其是對(duì)發(fā)光二極管LED(中心波長(zhǎng)為850 nm)光源采取熱電冷凝器讓其工作于恒定功率輸出并采用雙波長(zhǎng)光信號(hào)強(qiáng)度比值解調(diào)信號(hào)獲得的。類似的，圖4(c)傳感器在室溫條件下，光源為L(zhǎng)ED(中心波長(zhǎng)為1 550 nm)，用光譜儀(光譜范圍1 520～1 570 nm)實(shí)現(xiàn)信號(hào)解調(diào)，但是只給出腔長(zhǎng)與壓力變化關(guān)系結(jié)果，而沒(méi)有腔輸出信號(hào)與壓力變化關(guān)系結(jié)果。此外，圖4(b)、圖4(c)所示傳感器可適用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如對(duì)人體血壓、血液流速等參數(shù)的測(cè)量。

圖4 微型光纖EFPC壓力傳感器

為了增大壓力敏感面積同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)腔長(zhǎng)直接線性微調(diào)制，Wolthuis[42],Zhou[43]和Li[44]利用MEMS技術(shù)將一個(gè)硅片通過(guò)陽(yáng)極鍵合技術(shù)鍵合到留有空腔的玻璃基座上，硅片與玻璃-空氣界面形成EFPC，玻璃與光纖封裝結(jié)合在一起，傳感器如圖5(a)所示。光通過(guò)光纖、玻璃進(jìn)入空腔發(fā)生干涉。作用在硅片上的壓力使其發(fā)生不同程度撓度從而改變腔長(zhǎng)。利用雙波長(zhǎng)比值信號(hào)分析技術(shù)(dichroic ratio signal analysis technique)實(shí)現(xiàn)光能量比值信號(hào)與壓力的線性關(guān)系。Wolthuis和Zhou的傳感器系統(tǒng)均使用中心波長(zhǎng)為850 nm的寬光譜發(fā)光二極管LED，而Li的傳感系統(tǒng)使用波長(zhǎng)可調(diào)范圍為1 510～1 580 nm的激光光源，并借助光纖布拉格光柵(Fiber Bragg gratings)和陣列波導(dǎo)光柵(Arrayed waveguide gratings)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力傳感器的波分復(fù)用。南京師范大學(xué)的王鳴等制作出類似于圖5(a)所示的壓力傳感器[45](如圖5(b)所示)，傳感系統(tǒng)采用放大自發(fā)輻射(ASE)光源和光譜分析儀實(shí)現(xiàn)信號(hào)解調(diào)。

但以邊緣固定的硅橫隔膜作為EFPC敏感端面的MEMS光纖傳感器在實(shí)用化過(guò)程存在4個(gè)主要問(wèn)題：發(fā)生信號(hào)平均效應(yīng)[46]；溫度效應(yīng)難以克服[46]；EFPC光學(xué)信號(hào)解調(diào)困難[47]；硅橫隔膜上所鍍反射膜因硅片形變?nèi)菀妆黄茐摹?/p>

(a)玻璃基體上鍵合

(b)玻璃基本上硅基鍵合

為了最小化溫度效應(yīng)的影響并消除信號(hào)平均效應(yīng)，通過(guò)選擇恰當(dāng)橫隔模是一種最有效的方法。Wang[46]利用單個(gè)深度波狀橫隔模(Single deeply corrugated diaphragm)有效克服封裝和熱作用誘導(dǎo)的應(yīng)力，實(shí)驗(yàn)表明基于此種類型的橫隔模制作的如圖6(a)所示的壓力傳感器對(duì)溫度誘導(dǎo)的應(yīng)力不敏感，因?yàn)閼覓斓膫?cè)面(suspending sidewall)能夠有效地釋放應(yīng)力效應(yīng)。然而，波狀橫隔模制作上難以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)的對(duì)稱并由此產(chǎn)生了局部?jī)?nèi)應(yīng)力，結(jié)果發(fā)生沒(méi)有外力作用時(shí)橫隔模也會(huì)發(fā)生微小撓度的零壓力偏移效應(yīng)。此外，信號(hào)平均效應(yīng)可通過(guò)最大化扁平橫隔膜面積與入射光束界面積比值來(lái)降低[59](如圖6(b)所示)，因?yàn)樵诖藯l件下，壓力誘導(dǎo)的扁平橫隔膜中心面積處發(fā)生撓度可近似看作平行，然而采用這種技術(shù)伴隨著橫隔膜尺寸增加制作進(jìn)程復(fù)雜化。

(a)結(jié)構(gòu)圖

(b)工作原理圖圖6 波狀橫隔模光纖EFPC壓力傳感器

隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，迫切需求一種能夠?qū)?chǔ)油罐液位信息進(jìn)行測(cè)量的本質(zhì)安全、精度高、量程大、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)、易安裝、可操作性強(qiáng)、易網(wǎng)絡(luò)化的液位傳感器，以滿足油庫(kù)信息化管理的需求。而目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上主要使用的機(jī)械式[60]、電學(xué)式[61]、超聲波式[62-63]、光學(xué)式(如反射[64-65]、透射[66]、全反射[67-70]、熒光[71]、泄漏模[72]、光纖Bragg光柵[73-74]等)光纖液位測(cè)量裝置不能滿足上述要求。例如，機(jī)械式液位傳感器易受油料黏度的影響、浮球或浮子機(jī)械性能的制約，安裝復(fù)雜，可操作性差。電學(xué)式液位傳感器不能廣泛應(yīng)用在易燃易爆的工作環(huán)境。而超聲波式液位傳感器易受介質(zhì)的密度、濃度、溫度等因素影響。光學(xué)式光纖液位傳感器易受光源和液面波動(dòng)、液體粘滯性、液體折射率等因素的影響，存在裝置體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝繁瑣、檢測(cè)動(dòng)態(tài)范圍小、連續(xù)性差、精度不高等問(wèn)題。

利用半導(dǎo)體鍵合技術(shù)在周邊固定的圓形硅橫隔膜下端中心處鍵合一凸臺(tái)(光纖中心軸線垂直于其中心)，選取不同熱膨脹系數(shù)材料制作凸臺(tái)和腔臂來(lái)抵消溫度效應(yīng)對(duì)腔長(zhǎng)(腔臂長(zhǎng)度與凸臺(tái)長(zhǎng)度差值)的影響；此外，在硅橫隔膜上鍵合凸臺(tái)保證腔端面平行度還可抑制信號(hào)平均效應(yīng)和零壓力偏移效應(yīng)，方便在凸臺(tái)上鍍高反射膜并使高反射膜不在硅橫隔膜形變時(shí)發(fā)生破壞，基于此原理制作的傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖7所示[55]，一定高度液體通過(guò)導(dǎo)液孔進(jìn)入傳感器內(nèi)空腔作用在三級(jí)密封高壓油腔上，對(duì)于每一個(gè)油腔而言，液體的壓力能夠無(wú)差別的向各個(gè)方向傳遞，最終液體壓力作用在第3個(gè)密封油腔最下端敏感硅片上并使其發(fā)生納米級(jí)微線性位移，調(diào)制敏感Fabry-Perot腔腔長(zhǎng)，檢測(cè)輸出反射干涉光強(qiáng)變化即可測(cè)量出液體壓力(液位高度)。

圖7 高精度連續(xù)型EFPC光纖液位傳感器結(jié)構(gòu)

工作于線性區(qū)的傳感器融合了光波干涉技術(shù)和強(qiáng)度解調(diào)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，利用特定液體高度與液壓成正比的關(guān)系，測(cè)量輸出反射干涉光強(qiáng)值即可實(shí)現(xiàn)對(duì)液位信息高精度、連續(xù)性的檢測(cè)。該傳感裝置具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、精度高、動(dòng)態(tài)范圍大、響應(yīng)速度快、易于網(wǎng)絡(luò)化、便于遠(yuǎn)程監(jiān)控、價(jià)格便宜、本質(zhì)安全防爆、運(yùn)行可靠、安裝簡(jiǎn)便、可操作性強(qiáng)、能全天候連續(xù)實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足石油儲(chǔ)備庫(kù)對(duì)儲(chǔ)油罐液位的測(cè)量要求，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和推廣價(jià)值。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于敏感Fabry-Perot腔的光纖壓力傳感器測(cè)量外界應(yīng)變的主要原理就是利用外界應(yīng)變誘導(dǎo)敏感腔的敏感端面，無(wú)論信號(hào)解調(diào)采用強(qiáng)度解調(diào)還是波長(zhǎng)解調(diào)，調(diào)制腔長(zhǎng)通常要發(fā)生納米級(jí)微線性位移，只有在此條件下才有可能實(shí)現(xiàn)傳感器工作于線性工作區(qū)。因此此類型傳感器今后研究中必須解決以下幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：

(1)被測(cè)量應(yīng)變?cè)谝欢砍谭秶鷥?nèi)變化時(shí)誘導(dǎo)敏感端面發(fā)生微線性位移通常在λ/8范圍內(nèi)，只有在此條件下才能使敏感腔輸出曲線位于1/4周期曲線范圍內(nèi)，從而提高測(cè)量精度減小非線性誤差；

(2)敏感端面材料選擇是此類型傳感器至關(guān)重要的問(wèn)題，它直接決定傳感器的主要性能指標(biāo)，如量程、響應(yīng)速度、可重復(fù)性、測(cè)量精度等；

(3)傳感器的封裝技術(shù)直接決定傳感器能否實(shí)現(xiàn)實(shí)用化；

(4)如何在實(shí)際運(yùn)用中方便地利用傳感器對(duì)被測(cè)應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量；

(5)如何實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器信號(hào)高速解調(diào)，同時(shí)要求解調(diào)的精度高，受外界干擾小，提高測(cè)量精度。

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Research Advances of Extrinsic Fabry-Perot Cavity Optical Fiber Pressure Sensors

LU Tao

(School of Mathematics and Physics,China University of Geosciences,Wuhan 430074，China)

Optical fiber sensors based on sensitive Fabry-Perot cavity have been widely investigated,which can be used to measure outside strains．The development process of extrinsic Fabry-Perot cavity optical fiber pressure sensors and some critical problems needed to be solved in practice were all introduced．These problems are relevant to the structure design of sensors,such as selecting sensitive material,selecting original cavity length and its control,and positing static operation point and its self-compensation．

optical fiber sensor;Fabry-Perot cavity;sensitive material;static operation point;cavity length

武漢市青年科技晨光計(jì)劃項(xiàng)目(201271031430)；中國(guó)博士后面上基金項(xiàng)目(2014M552104)；江蘇省醫(yī)用光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(JKLMO201405)；湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014CFB335)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(CUG120110)

2014-08-28 收修改稿日期:2015-02-23

TP212

A

1002-1841(2015)07-0001-06

呂濤(1977—)，副教授，博士后，主要從事光纖傳感器和激光醫(yī)學(xué)研究。E-mail:lvtaohn@sina．com