谷瑾瑜， 全 磊， 劉晉榮， 王冠軍，3

(1. 中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院， 山西 太原 030051； 2. 河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院 電氣工程學(xué)院， 河南 鄭州 451191；3. 海南大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院， 海南 海口 570228)

0 引 言

光纖Fabry-Perot (FP)傳感技術(shù)具有成本低、 靈敏度高、 微型化等優(yōu)點(diǎn)[1-2]， 可廣泛應(yīng)用于溫度、 壓強(qiáng)、 折射率等多種物理量測(cè)量， 均表現(xiàn)出良好的性能[3-6].

在溫度傳感方面， 其中一種方案是用氫氟酸等化學(xué)試劑腐蝕光纖端部形成一凹孔結(jié)構(gòu). 通過(guò)將兩根凹孔光纖熔接， 或?qū)伎坠饫w與薄膜熔接， 可以實(shí)現(xiàn)光纖FP溫度檢測(cè). 如Simon Pevec等人提出將腐蝕后的單模光纖與同軸光纖熔接在一起來(lái)測(cè)量大范圍的溫度變化[7]； Jiang Xiaogang 等人提出將腐蝕后的多模光纖經(jīng)電弧放電后形成FP腔， 溫度靈敏度為2 pm/℃[8]. 但是腐蝕過(guò)程會(huì)使光纖凹孔存在一定的粗糙度， 這將影響傳感器整體性能. 另外一種方案是利用空氣腔或者介質(zhì)腔作為FP共振腔進(jìn)行溫度傳感， 利用折射率變化導(dǎo)致光學(xué)腔長(zhǎng)變化進(jìn)行溫度傳感， 其不足是溫度敏感材料對(duì)光學(xué)腔程改變的效果十分有限. Li團(tuán)隊(duì)提出用一根單模光纖和一段空心或?qū)嵭墓庾泳w光纖熔接在一起， 其溫度靈敏度分別為1.35 pm/℃與0.95 pm/℃[9-10]. Y.G.Rao等人則提出將一段單模光子晶體與普通單模光纖進(jìn)行熔接， 利用折射率差異作為反射界面制備了一種溫度傳感器， 其靈敏度為6.4 nm/℃[11]. 此外， 也有一些其他類型的光纖FP溫度傳感器， 如Liu Tiegen等人提出基于密封空氣熱膨脹引起壓力變化的光纖FP溫度傳感器， 溫度靈敏度為6.07 nm/℃[12]； Li Xuefeng等人提出在單模光纖端部分別鍍金與鎳， 石英與金屬的不同熱膨脹系數(shù)引起FP腔長(zhǎng)的變化， 靈敏度高于14 pm/℃[13]； Zhang Guilin 等人提出將光纖端部插入聚合物填充的毛細(xì)玻璃管中形成空氣微腔FP傳感器， 其溫度靈敏度為5.2 nm/℃[14].

為了有效地增強(qiáng)光纖FP溫度傳感器的靈敏度特性， 本文結(jié)合膨脹輔助放電方法制備了一種光纖微泡結(jié)構(gòu)FP傳感器， 最終制備的傳感器微泡壁厚約為2 μm. 接著在微泡端面依次鍍金屬鉻膜和金膜， 然后將鍍膜后的傳感器封裝在一個(gè)油封的金屬圓柱體中. 由于微泡結(jié)構(gòu)膜層對(duì)外界壓強(qiáng)比較比較靈敏度， 所以通過(guò)油封方法可有效地將傳感器的壓強(qiáng)靈敏度特性轉(zhuǎn)化為溫度增敏效果. 通過(guò)這種方法， 本文實(shí)現(xiàn)6倍以上的溫度靈敏度增強(qiáng)效果.

1 傳感器制備及特性測(cè)試

論文所用到的玻璃管參數(shù)是外徑125 μm， 內(nèi)徑75 μm. 所用單模光纖的包層直徑為125 μm， 纖芯直徑為8 μm. 微泡制備過(guò)程如圖 1 所示， 方法是將端面切平后的單模光纖與玻璃管熔接在一起， 接著用壓力泵往玻璃管內(nèi)填充氣壓， 最后通過(guò)電弧放電在單模光纖端部形成一空心微泡. 選擇合適的參數(shù)(放電時(shí)間約為300 ms， 放電強(qiáng)度約5 bit)并多次重復(fù)放電， 可使得微泡端部壁厚達(dá)到約2 μm量級(jí)， 制備好后的微泡結(jié)構(gòu)如圖 2 所示.

圖 1 傳感器制備過(guò)程Fig.1 Fabrication process of sensor

圖 2 傳感器制備結(jié)果Fig.2 Fabrication results of sensor

將制備好的FP傳感器與光纖解調(diào)儀、 計(jì)算機(jī)連接在一起， 并將傳感器直接置于溫度控制箱內(nèi)來(lái)測(cè)試傳感器S1的反射譜特性. 設(shè)定溫度分別為30～90 ℃， 相應(yīng)的FP傳感器反射譜如圖 3(a) 所示， 溫度與FP反射譜峰值波長(zhǎng)的關(guān)系如圖 3(b) 所示. 計(jì)算可得， 傳感器S1的溫度靈敏度僅為6 pm/℃.

圖 3 油封前的傳感器S1特性Fig.3 S1 characteristic of sensor before oil-sealing

2 傳感器油封方法及效果分析

由于油的膨脹系數(shù)遠(yuǎn)高于二氧化硅材料， 所以隨后將制備的FP傳感器置于硅油中， 利用油的膨脹冷縮特性來(lái)增強(qiáng)溫度靈敏度. 為穩(wěn)定微泡表面的光譜反射率對(duì)微泡外表面進(jìn)行鍍膜. 先鍍一層鉻膜， 增加附著力， 然后鍍一層金膜層. 鍍膜后的光纖微泡如圖 4(a) 所示， 在顯微鏡內(nèi)光源照射下， 整體結(jié)構(gòu)由于通光原因呈黑色. 然后， 將鍍膜后的FP傳感器封裝在一個(gè)充滿硅油的全密封金屬圓柱體中. 當(dāng)外界溫度發(fā)生變化時(shí)， 腔體和油溫也會(huì)發(fā)生變化， 根據(jù)密閉理想氣體的熱膨脹原理pV=nRT可知， 在金屬腔體體積V一定時(shí)， 外界溫度變化引起圓柱內(nèi)部壓強(qiáng)p變化， 導(dǎo)致微泡外表面會(huì)受到一定的壓力， 帶動(dòng)微泡薄膜發(fā)生移動(dòng)， 進(jìn)而使得FP腔長(zhǎng)和反射FP光譜發(fā)生相應(yīng)變化. 其中，T為溫度，n為密封氣體物質(zhì)的量，R為常量. 其油封后的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖 4(b) 所示.

圖 4 鍍膜后的微泡結(jié)構(gòu)光纖FP傳感器及油封溫度實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.4 Experimental system of oil-seal temperature and fiber sensor of FP with microbubble after metal-coating

根據(jù)固定邊緣圓形光圈的小撓度理論可知

(1)

式中：L為微泡內(nèi)腔長(zhǎng)的變化；p為圓柱腔體內(nèi)與微泡腔內(nèi)的壓強(qiáng)差；r為距離微泡中心的半徑；a為半徑；D=ET3/12(1-μ3),E，μ， t分別表示楊氏模量、 泊松比與溫度.

因此壓強(qiáng)與溫度的關(guān)系可表示為

(2)

(3)

將式(3)代入式(1)可得

(4)

由式(4)可得當(dāng)溫度升高時(shí)腔長(zhǎng)會(huì)相應(yīng)地變短.

當(dāng)溫度分為30， 40, 50, 60， 70, 80, 90 ℃時(shí)， 圖 5(a) 為油封后傳感器S2的反射譜的變化情況. 可以明顯看出， 隨著溫度變高， FP峰值呈右移趨勢(shì). 圖 5(b) 為傳感器S2的溫度與峰值波長(zhǎng)關(guān)系圖.

圖 5 油封后傳感器特性Fig.5 Characteristic of sensor after oil-sealing

在此基礎(chǔ)上， 本文對(duì)油封前后的傳感器S1,S2靈敏度特性進(jìn)行了對(duì)比分析， 結(jié)果如圖 6 所示.

圖 6 封裝前后的傳感器靈敏度比較Fig.6 Comparison of sensor sensitivity before and after oil-sealing

由圖 6 可以看出， 經(jīng)硅油封裝后的傳感器S2的靈敏度為36 pm/℃， 而密封前的傳感器S1溫度靈敏度僅為6 pm/℃. 其原因是在相同溫度變化的情況下， 硅油的熱膨脹系數(shù)(9.45 mm/m℃)高于微泡本身材料SiO2的熱膨脹系數(shù)(0.5 μm/m℃)， 油封產(chǎn)生的微泡端部膜層變化程度遠(yuǎn)高于未封裝前光纖材料本身的變化程度. 由圖 6 也可以看出， 封裝前后的譜峰變化方向是不一致的. 這也證實(shí)， 封裝前時(shí)二氧化硅的熱膨脹會(huì)導(dǎo)致腔長(zhǎng)變長(zhǎng)， 而油封后硅油的熱膨脹導(dǎo)致微泡膜層受到擠壓， 腔長(zhǎng)呈縮短趨勢(shì).

3 結(jié) 論

本文在光纖FP溫度傳感器靈敏度受到二氧化硅材料和填充溫度敏感材料熱膨脹系數(shù)小的制約、 靈敏度有限的情況下， 制備了一種微泡壁厚約為2 μm的微泡結(jié)構(gòu)FP傳感器， 然后鍍Cr， Au膜后將傳感器封裝在硅油完全密封的圓柱形腔體中. 當(dāng)溫度由30 ℃ 每間隔10 ℃ 依次升高到 90 ℃ 時(shí)， 由于封裝前后微泡本身材料二氧化硅的熱膨脹系數(shù)與硅油的熱膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致譜峰變化方向的不同. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 密封后傳感器實(shí)現(xiàn)了6倍以上的溫度靈敏度增強(qiáng)效果.

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