郭云，陳圣林，王平，魏翔宇，王玉娟，王善平，萬海城

（1 山東華宇工學院 電氣工程學院，山東 德州 253000）

（2 德州職業(yè)技術(shù)學院 電子與新能源技術(shù)工程系，山東 德州 253000）

0 引言

光纖傳感已經(jīng)在生物醫(yī)學［1］、健康監(jiān)測［2］、人工智能［3］和環(huán)境監(jiān)測等各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，各式各樣的光纖傳感相繼被提出，其中有分布式光纖傳感器［4］、光纖光柵傳感器［1］、干涉型光纖傳感器［5］。分布式光纖傳感器適用于遠距離測量，光纖光柵傳感器測量靈敏度較低，顯然干涉型光纖傳感器在小范圍、高靈敏度的需求中是更好的選擇。常見干涉型光纖拉力傳感器有馬赫-曾德干涉儀（Mach-Zehnder Interferometer，MZI）［5］、法布里-珀羅干涉儀（Fabry-Perot Interferometer，F(xiàn)PI）［6］、薩格納克干涉儀（Sagnak Interferometer，SI）［7］等。盡管干涉型傳感器的靈敏度高于光纖光柵傳感器，但有時不能夠滿足更高靈敏度的需求，因此近幾年有學者提出了基于游標效應(yīng)的級聯(lián)型光纖干涉儀，其中包括雙MZI 級聯(lián)［8］、雙FPI 級聯(lián)［9］、MZI-FPI 級聯(lián)［10］等等。結(jié)構(gòu)中的兩個干涉儀，其中一個作為傳感腔，另一個作為參考腔，這種方式可以將傳感器的靈敏度放大幾倍至十幾倍，但級聯(lián)結(jié)構(gòu)的干涉腔長和插入損耗難以控制。2015 年，QUAN Mingren 等［11］提出一種基于光子晶體光纖的游標效應(yīng)超高靈敏度開放腔的法布里-珀羅干涉儀氣體折射率傳感器，其靈敏度可達30 899 nm/RIU。2019 年，ZHAO Yuxin 等［12］制備了雙FPI 并聯(lián)型全光纖液體折射率傳感器，其折射率靈敏度達到了9 048.78 nm/RIU，放大了近8 倍。2022 年，SONG Xiaokang 等［13］制備了雙FPI 并聯(lián)型全光纖氣體壓力傳感器，并聯(lián)后結(jié)構(gòu)的靈敏度比單一傳感腔的靈敏度放大了11 倍。相比與級聯(lián)結(jié)構(gòu)，該并聯(lián)結(jié)構(gòu)可分別對參考腔和和傳感腔的長度進行精確切割，但能量匹配的問題仍未解決。因此，如何實現(xiàn)光纖內(nèi)高質(zhì)量的游標效應(yīng)仍是亟待解決的問題。

本文提出了一種基于游標效應(yīng)增敏的全光纖拉力傳感器，該傳感器由傳感法布里-珀羅干涉儀（Sensing Fabry-Perot Interferometer，SFPI）和參考法布里-珀羅干涉儀（Reference Fabry-Perot Interferometer，RFPI）并聯(lián)而成。通過光纖衰減器對RFPI 能量的精確調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了高質(zhì)量的游標包絡(luò)。同時，該傳感器與單一SFPI 相比，拉力靈敏度提高了15.8 倍左右，且具有很好的抗溫度干擾能力，溫度串擾僅為9.8×10-4N/°C。

1 結(jié)構(gòu)制備及其工作原理

傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，其中SFPI 通過法蘭盤連接在光纖耦合器的3 接口處，RFPI 與光纖耦合器的4 接口之間串聯(lián)光纖衰減器（Attenuator），SFPI 與RFPI 組成并聯(lián)結(jié)構(gòu)。

圖1 試驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Test system schematic diagram

RFPI 為開放的空氣腔，其具體的制備方法為：1）將一段特定長度的內(nèi)徑為80 μm 的空芯光纖（Polymicro Technologies，TSP080125）的一端熔接在單模光纖（康寧SMF28）上，如圖2（a）所示；2）在電荷藕合器件（Charge Coupled Device，CCD）的輔助下精確控制所需長度，并將多余的內(nèi)徑為80μm 的空芯光纖進行切除，如圖2（b）所示；3）將步驟2 中預制結(jié)構(gòu)的空芯光纖一端與內(nèi)徑為10 μm 的空芯光纖（Polymicro Technologies，TSP010125）相熔接，如圖2（c）所示。

圖2 RFPI 制備示意圖Fig.2 RFPI preparation of schematic diagram

SFPI 為封閉的空氣腔，其具體的制備方法為：1）將一段單模光纖與一段內(nèi)徑為80 μm 的空芯光纖熔接，作為預制光纖，如圖3（a）所示；2）設(shè)置熔接機放電強度為10 bit，放電時間為700 ms，使其處于偏拉錐狀態(tài)；3）通過控制熔接機夾具的位移，使預制光纖移動至熔接點偏離放電針一定距離后，在空芯光纖上進行放電，使空芯光纖塌陷形成封閉腔，如圖3（c）～（d）所示。該步驟能夠通過控制熔接機夾具的位移，從而精準控制封閉腔的長度；4）減小熔接機的放電強度為8 bit，對步驟3 中制備的封閉腔進行多次放電，使封閉腔內(nèi)部的反射面光滑無瑕疵，從而提高反射光功率。

圖3 SFPI 制備示意圖Fig.3 SFPI preparation of schematic diagram

由圖1 所示，RFPI 和SFPI 的反射面兩側(cè)介質(zhì)均分別為空氣和二氧化硅，因此各反射面的反射率可由式（1）求出

式中，R為反射率，nc=1 和n1=1.45 分別為空氣和二氧化硅的有效折射率，可計算得出反射面的反射率大約為3.5%。因其反射率較低，高階反射光的能力弱，幾乎可以忽略不計，因此可近似為雙光束干涉。SFPI 和RFPI 的反射光強IS和IR分別為［6］

式中，I1和I2分別表示SFPI 兩個反射面的反射光強，L1為SFPI 空氣腔的長度，λ為共振波長，φ0和φ1分別為SFPI 和RFPI 的初相，I3和I4分別表示RFPI 兩個反射面的反射光強，L2為RFPI 空氣腔的長度。當滿足（4nL）/λ+φ=（2m+1）π（m=0，1，2…）時，出現(xiàn)干涉條紋。此時對應(yīng)的干涉谷的波長為

由式（4），可以看出單一干涉條紋波長λ隨著腔長L的增加而增加，即發(fā)生紅移。SFPI 和RFPI 通過光纖耦合器并聯(lián)后，兩束光的合成光強Ir為［12］

式中，E為常數(shù)，a為包絡(luò)的振幅。由于SFPI 和RFPI 干涉條紋上的各個極值點的合成可以產(chǎn)生具有周期性包絡(luò)的光譜。包絡(luò)曲線的函數(shù)式可由?Ir?λ=0 求導得出

式中，D為函數(shù)的直流部分，m為函數(shù)交流部分的振幅，h1和h2分別表示SFPI 和RFPI 的光程。則包絡(luò)函數(shù)的自由光譜范圍（Free Spectral Range，F(xiàn)SR）為

本文提出的傳感器僅SFPI 參與拉力的測量，因此光程h2為常數(shù)，h1隨著拉力的變化而變化，則相應(yīng)的FSR 為

SFPI 的拉力靈敏度和包絡(luò)函數(shù)的拉力靈敏度可分別表示為［14］

結(jié)合式（6）、（8）和（10）可推導出包絡(luò)曲線波谷中心波長的拉力靈敏度為

式（11）與式（9）相比，包絡(luò)曲線的拉力靈敏度比SFPI 的拉力靈敏度放大了M倍。其中M的大小結(jié)合式（9）和（11）可得

為形成高質(zhì)量的游標包絡(luò)，在RFPI 與光纖耦合器之間加入光纖衰減器來調(diào)控RFPI 的插入損耗使其和SFPI 的能量相匹配，并通過數(shù)值分析法和實驗驗證了光纖衰減器對游標包絡(luò)質(zhì)量的影響，仿真和實驗結(jié)果如圖4 所示。

圖4 有無衰減器的疊加光譜對比Fig.4 Attenuator function simulation

由圖4（a）可知SFPI 與RFPI 的插入損耗不一致時，游標包絡(luò)的對比度為0.36，而當加入光纖衰減器使SFPI 和RFPI 的插入損耗一至時，游標包絡(luò)的對比度提升至0.48，由圖4（b）可得。通過圖4（c）～（d）可得，在實驗條件下加入光纖衰減器前后，包絡(luò)的對比度由0.05 提升至0.2。因此加入光纖衰減器能夠有效的提升游標包絡(luò)的質(zhì)量。該結(jié)構(gòu)因其獨特的空芯光纖級聯(lián)結(jié)構(gòu)可滿足實際應(yīng)用中的多功能化的需求，能實現(xiàn)高靈敏度的拉力、壓強同步測量［15-16］。

2 實驗結(jié)果及分析

實驗系統(tǒng)如圖5 所示，寬帶光源（Broadband light Source，BBS，1 400～1 600 nm）發(fā)出的信號光首先經(jīng)隔離器通過光纖耦合器進入SFPI 和RFPI，經(jīng)SFPI 和RFPI 干涉后反射進入的光纖耦合器進行合成，最終進入光譜分析儀（optical spectrum analyzers，OSA，分辨率0.02 nm）。通過在SFPI 末端添加不同質(zhì)量的砝碼進行拉力的測量，SFPI 末端預留足夠長的SMF，并在SMF 的尾端粘連掛鉤，用于懸掛不同質(zhì)量的砝碼。需要注意的是，因掛鉤和光纖自身存在質(zhì)量，因此在實驗測量之前要保證光纖和掛鉤處于穩(wěn)定狀態(tài)時作為無拉力狀態(tài)。

圖5 并聯(lián)FPI 傳感器的實驗系統(tǒng)Fig.5 Experimental system for paralleled FPI sensor

本次實驗制備的SFPI 的腔長L1=67 μm。首先對單一SFPI 進行拉力測試，實驗結(jié)果如圖6 所示。

通過圖6（a）可以看出，隨著拉力的增加，引起腔長的增加，SFPI 的干涉條紋發(fā)生紅移現(xiàn)象，與式（4）中的分析一致，對應(yīng)的增大拉力靈敏度為4.022 nm/N，減小拉力靈敏度為3.986 nm/N，線性度均為0.999，加減拉力靈敏度相差僅為0.036 nm/N，因此該傳感器具有較好的重復性。

圖6 單個SFPI 的拉力響應(yīng)Fig.6 Tension response of single SFPI

為了進一步提升傳感器的拉力靈敏度，本次實驗分別制備了兩個RFPI，其腔長分別為L2=80 μm 和L3=63 μm，并分別與SFPI 組成并聯(lián)結(jié)構(gòu)一和并聯(lián)結(jié)構(gòu)二。對兩組并聯(lián)結(jié)構(gòu)進行了拉力實驗，實驗結(jié)果如圖7 所示。

圖7 并聯(lián)FPI 傳感器對拉力的響應(yīng)Fig.7 Response of paralleled FPI sensor to tension

如圖7（a）～（b）所示，隨著拉力的增加，結(jié)構(gòu)一的反射光譜發(fā)生了明顯的藍移。對應(yīng)的拉力靈敏度為-19.31 nm/N，線性度為0.992，與單一SFPI 的靈敏度相比，放大了4.8 倍。如圖7（c）～（d）所示，隨著拉力的增加，結(jié)構(gòu)二的反射光譜發(fā)生了明顯的紅移，對應(yīng)的拉力靈敏度為63.5 nm/N，線性度為0.993，與單一SFPI 的靈敏度相比，放大了15.8 倍，與理論分析一致。與先前報道的部分拉力傳感器相比靈敏度有顯著的提升，如表1 所示。本次實驗獲得了幾倍至十幾倍的靈敏放大，并利用光纖衰減器使SFPI 和RFPI 的能量相匹配，獲得了較好的游標包絡(luò)，提高了測量精度。

表1 與先前報道文獻的傳感器性能對比分析Table 1 Performance analysis of the proposed probe with that reported in literature

本文提出的基于光學游標效應(yīng)的并聯(lián)FPI 不僅具有較高的拉力靈敏度，其游標包絡(luò)也具有較高的穩(wěn)定性。為了驗證游標包絡(luò)的穩(wěn)定性，對結(jié)構(gòu)一進行了游標包絡(luò)穩(wěn)定性實驗，相同拉力條件下每隔2 min 取一點，共取五個點。實驗結(jié)果如圖8 所示。由圖8 可得，游標包絡(luò)在不改變拉力的情況下的最大漂移量Δλ=0.02 nm。因此該傳感器具有良好的穩(wěn)定性。

圖8 游標包絡(luò)穩(wěn)性響應(yīng)Fig.8 Vernier envelope stability response

因光纖本身具有熱光效應(yīng)和熱膨脹效應(yīng)，因此存在著溫度串擾，為了探究傳感器的溫度串擾，本文進行了單一SFPI 和并聯(lián)結(jié)構(gòu)一的溫度實驗，溫度測量范圍為100～600 °C，每隔100 °C 取一點，實驗結(jié)果如圖9所示。由圖9 可得，單一SFPI 和并聯(lián)結(jié)構(gòu)一的溫度靈敏度分別為3.93 pm/°C 和-18.91 pm/°C，單一SFPI與并聯(lián)結(jié)構(gòu)一的靈敏度相比，后者放大了約4.8 倍，這是因為RFPI 腔為開放腔，且其中的介質(zhì)為空氣，空氣的熱光系數(shù)和熱膨脹系數(shù)較低，因此對溫度響應(yīng)不敏感［14］。實驗結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)的傳感器溫度串擾僅為9.8×10-4N/°C，因此該傳感器可滿足高溫環(huán)境下的拉力測試。

圖9 傳感器的溫度響應(yīng)Fig.9 Temperature test of the sensor

為了驗證實驗數(shù)據(jù)的可靠性和真實性，結(jié)合實驗參數(shù)和式（5），進行了兩組理論模擬。式（5）內(nèi)的參數(shù)設(shè)置分別為：根據(jù)實際情況計算得出反射面的反射率約為0.035，即R1=R2=R3=R4=0.035；又因為兩個FP 腔內(nèi)均以空氣為傳光介質(zhì)，所以nc=1；第一組理論模擬的RFPI 的腔長L2=80 μm，SFPI 的腔長L1=67 μm（L1＜L2）；第二組理論模擬的RFPI 的腔長L3=63 μm，SFPI 的腔長L1=67 μm（L1＞L3）；改變SFPI 的腔長模擬拉力變化，RFPI 不參加拉力測試，理論模擬結(jié)果如圖10 所示。

圖10 模擬拉力響應(yīng)波長偏移Fig.10 Simulated wavelength shift of tension response

由圖10（a）～（c）可以看出，當SFPI 腔長小于RFPI 腔長時，隨著拉力的增加，包絡(luò)線的飄移方向與單一SFPI 干涉譜的飄移方向相反，并且實現(xiàn)了4.99 倍的放大。由圖10（d）～（f）可以看出當SFPI 腔長大于RFPI腔長時，隨著拉力的增加，包絡(luò)線的飄移方向與單一SFPI 干涉譜的飄移方向一致，并且實現(xiàn)了15.26 倍的放大。理論模擬結(jié)果與實驗結(jié)果基本一致，誤差小于0.04，對于該誤差出現(xiàn)的原因，經(jīng)分析可能有以下幾種：1）理論模擬種默認腔內(nèi)氣體折射率為1，與實際有一定的誤差；2）實驗數(shù)據(jù)線性擬合未達到100%，存在一定的誤差；3）實驗設(shè)備本身存在的誤差。本文同時對相同SFPI 時，不同RFPI 腔長對放大倍數(shù)的影響進行了理論仿真分析，分析結(jié)果得出RFPI 的腔長與SFPI 的腔長差值越小，放大倍數(shù)越大，與式（12）相對應(yīng)。結(jié)果如圖11 所示。

圖11 不同腔長的RFPI 對放大倍數(shù)的影響Fig.11 Effect of RFPI of different cavity lengths on magnification

3 結(jié)論

本文提出了一種基于并聯(lián)FPI 產(chǎn)生游標效應(yīng)的高靈敏度光纖高溫拉力傳感器。拉力靈敏度可從4.022 nm/N 提高到63.5 nm/N，放大系數(shù)為15.8，相應(yīng)的線性度為0.993。同時，該傳感器在100～600 °C 范圍內(nèi)的溫度串擾僅為9.8×10-4N/°C，因此該傳感器能很好的抵御溫度波動帶來的影響。并通過加入光纖衰減器來調(diào)節(jié)SFPI 和RFPI 之間的能量配比，實現(xiàn)了高質(zhì)量的游標包絡(luò)。此外，因該傳感器參考腔的特殊結(jié)構(gòu)，有望實現(xiàn)同一傳感器功能化的集成。