耐高溫壓力傳感器

1、光纖傳感器隨著光纖通信技術(shù)的實用化光纖傳感器隨著光纖通信技術(shù)的實用化有了迅速發(fā)展，且具有體積小、重量輕有了迅速發(fā)展，且具有體積小、重量輕、檢測分辨率高、靈敏度高、測溫范圍、檢測分辨率高、靈敏度高、測溫范圍寬、保密性好、抗電磁干擾能力強、抗寬、保密性好、抗電磁干擾能力強、抗腐蝕性強等明顯優(yōu)于傳統(tǒng)傳感器的特點腐蝕性強等明顯優(yōu)于傳統(tǒng)傳感器的特點，研制高溫環(huán)境下符合測量要求的全光，研制高溫環(huán)境下符合測量要求的全光纖壓力傳感器，以滿足國防軍事、航天纖壓力傳感器，以滿足國防軍事、航天航空、土木工程、電力、能源、石油化航空、土木工程、電力、能源、石油化工工業(yè)和大氣壓力測量的需求。光纖同工工業(yè)和大氣壓力測量的

2、需求。光纖同具具“傳傳”、“感感”兩種功能。與光源耦兩種功能。與光源耦合的發(fā)射光纖同與光探測器耦合的接收合的發(fā)射光纖同與光探測器耦合的接收光纖為一根連續(xù)光纖，稱為傳感光纖，光纖為一根連續(xù)光纖，稱為傳感光纖，故功能型光纖傳感器亦稱全光纖型或傳故功能型光纖傳感器亦稱全光纖型或傳感型光纖傳感器。感型光纖傳感器。 微光纖琺微光纖琺-珀應(yīng)變傳感器的理論建模珀應(yīng)變傳感器的理論建模在線型光纖琺-珀標準具的結(jié)構(gòu)如圖3-1(a)所示，它是一個在光纖中自封閉的空氣腔，標準具的空氣腔的長度和直徑分別為L和D，兩個反射面的反射系數(shù)R1和R2 ，可以通過鍍膜實現(xiàn)高反射面。光纖琺光纖琺-珀標準具的結(jié)構(gòu)圖和剖視圖珀標準具的

3、結(jié)構(gòu)圖和剖視圖 微光纖琺微光纖琺-珀應(yīng)變傳感器的制作工藝流程珀應(yīng)變傳感器的制作工藝流程為了實現(xiàn)可以在高溫環(huán)境應(yīng)用的微型光纖傳感器，我們發(fā)明了一種基于157nm激光微加工制作的微琺-珀傳感器，這種封閉式光纖FP腔的制作過程如圖3-5 所示。圖3-5 自封閉型在線式F-P標準具. (a) 用157nm激光微加工機在切割好的光纖端面加工環(huán)形微孔 (b) 然后將這段打好孔的光纖和另一段切割好的光纖熔接在一起，就形成了在線FP腔Micro-holeCross section of fiber tip1060m mm157nm laserCladdingCoreMicro-hole(a)CladdingC

4、oreElectrodeElectrode(b)CladdingCoreF-P cavity(c)微光纖琺微光纖琺-珀應(yīng)變傳感器的制作工藝流程珀應(yīng)變傳感器的制作工藝流程首先，采用157nm激光微加工機在切割好的光纖端面加工一個環(huán)形微孔，其典型深度為20mm；然后將這段打好孔的光纖和另一段切割好的光纖熔接在一起，就形成了一個在線FP腔，這種微琺-珀標準具能夠在高達8000C的高溫環(huán)境下工作，并且這種自封閉結(jié)構(gòu)使得標準具牢固、穩(wěn)定、可靠。同時由于該標準具中空的結(jié)構(gòu)和二氧化硅很低的熱膨脹系數(shù)，使得其對溫度變化不敏感。此外，使用對稱的環(huán)形微孔有助于實現(xiàn)偏振無關(guān)。Wavelength (nm)圖3-6理

5、論計算的二氧化硅的光學(xué)吸收譜A b s o r p t i o n c oe f f i c i e n t (1/cm)微光纖琺微光纖琺-珀應(yīng)變傳感器的制作工藝流程珀應(yīng)變傳感器的制作工藝流程圖3-7 微孔和琺-珀標準具的照片. (a) NT1100測試的微孔的三維結(jié)構(gòu) (b) 通過光學(xué)顯微鏡拍得標準具得透射圖 (c) 標準具得掃描電鏡圖Cavity(b)(a)Joint(c)這種標準具精確的制作方法是采用這種標準具精確的制作方法是采用157nm激光微加工，其基于的原理是二氧化硅對激光微加工，其基于的原理是二氧化硅對157nm光子的強烈本征吸收。如圖光子的強烈本征吸收。如圖3-6所示，為基于量

6、子力學(xué)理論計算的光學(xué)吸收譜所示，為基于量子力學(xué)理論計算的光學(xué)吸收譜。從圖中可以看出，二氧化硅對。從圖中可以看出，二氧化硅對157nm光的光吸收系數(shù)很高，高于光的光吸收系數(shù)很高，高于20000cm-1，這，這就為在石英光纖上取得高質(zhì)量的冷加工效果奠定了基礎(chǔ)。獲得一個高質(zhì)量的就為在石英光纖上取得高質(zhì)量的冷加工效果奠定了基礎(chǔ)。獲得一個高質(zhì)量的FP腔的關(guān)腔的關(guān)鍵步驟是如何在光纖的端面制作出一個具有高表面質(zhì)量的環(huán)形鍵步驟是如何在光纖的端面制作出一個具有高表面質(zhì)量的環(huán)形 微孔微孔.微光纖琺微光纖琺-珀應(yīng)變傳感器的制作工藝流程珀應(yīng)變傳感器的制作工藝流程圖3-8 琺-珀標準具的典型光譜圖 (R-Intensi

7、ty 代表相對強度，以后章節(jié)不再說明)Wavelength (nm)R-Intensity (dB)P微光纖琺微光纖琺-珀應(yīng)變傳感器的制作工藝流程珀應(yīng)變傳感器的制作工藝流程圖中可以看出，這種標準具條紋對比度很高，達到30dB，這比傳統(tǒng)手工組裝制作的F-P腔的對比度高出許多，傳統(tǒng)的典型值都不到15dB。實際測得光譜和理論計算的光譜符合得很好。理論計算所采用的參數(shù)為A1 = A2 = 0.04, = 0.02 且1=2=0.1。如此高的對比度確保應(yīng)變測量的高精度。封閉式微光纖琺封閉式微光纖琺-珀傳感器的應(yīng)變特性珀傳感器的應(yīng)變特性靜態(tài)應(yīng)變特性靜態(tài)應(yīng)變特性圖3-9 高溫應(yīng)變實驗裝置圖1:1 Coupl

8、erSi720 OSAHigh-temperatureFurnace我們對該標準具的應(yīng)變和溫度特性在一個較寬的溫度范圍內(nèi)進行了實驗研我們對該標準具的應(yīng)變和溫度特性在一個較寬的溫度范圍內(nèi)進行了實驗研究。腔的實際長度為究。腔的實際長度為L，通過公式，通過公式 來計算，這里來計算，這里 , 是標準具干涉譜相鄰波是標準具干涉譜相鄰波峰峰/波谷對應(yīng)的波長。標準具理論的敏感長度由波谷對應(yīng)的波長。標準具理論的敏感長度由 來決定，其在來決定，其在 處的典型值處的典型值為為3.2mm/m/rad，這里，這里 , 分別為標準具的應(yīng)變和相位漂移。既然傳分別為標準具的應(yīng)變和相位漂移。既然傳感頭長度和腔長是一樣的，當(dāng)相

9、位漂移感頭長度和腔長是一樣的，當(dāng)相位漂移38m)。激光器的波長被設(shè)置在1544nm，確保激光器運行在傳感器的線性區(qū)中心點。激光器輸出光的1%被用來對光源波動進行校正，99%通過一個1:1耦合器打入標準具實時跟蹤由于動態(tài)應(yīng)變引起的腔長的變化。琺-珀標準具也被放置在高溫爐中。標準具的一端固定在PZT上 (PU40 Jena)，它的壓電常數(shù)封閉式微光纖琺封閉式微光纖琺-珀傳感器的應(yīng)變特性珀傳感器的應(yīng)變特性動態(tài)應(yīng)變特性動態(tài)應(yīng)變特性圖3-15 8000C時傳感器對4 的動態(tài)應(yīng)變信號的響應(yīng) (a) 低頻01800Hz (b) 高頻050kHz (b) 40 25 50 Frequency (kHz)0-4

10、0-80Power ( d Bm)Power ( d Bm) Frequency (Hz) (a) 423dB60dBBW 10HzBW 62.5Hz在溫度分別為200C, 3000C, 5000C和8000C時進行了應(yīng)變響應(yīng)測試。為了說明，在圖3-15 (a)僅僅繪出了溫度為8000C時的測試結(jié)果，因為200C, 3000C, 5000C 和8000C時的測試結(jié)果基本是一樣的。為了獲得從0Hz到50kHz的功率譜密度，濾波器的帶寬設(shè)置在62.5Hz。為了便于闡述，僅僅給出了8000C時的測試結(jié)果，如圖3-15(b)所示。這是因為在200C, 3000C, 5000C 和8000C的結(jié)果基本是

11、一樣的。157nm激光一次成型的琺激光一次成型的琺-珀應(yīng)變傳感器珀應(yīng)變傳感器我們提出了一種采用我們提出了一種采用157nm激光直接在光子激光直接在光子晶體光纖（晶體光纖（PCF）上制作的在線琺）上制作的在線琺-珀標準具珀標準具。這種微型在線標準具是一種在。這種微型在線標準具是一種在PCF上的微型上的微型矩形槽結(jié)構(gòu)，典型尺寸為數(shù)十微米，因此可以矩形槽結(jié)構(gòu)，典型尺寸為數(shù)十微米，因此可以在高溫下應(yīng)用。在高溫下應(yīng)用。這種這種PCF傳感器具有許多傳統(tǒng)的光纖傳感器具有許多傳統(tǒng)的光纖F-P傳感傳感器所不具有的優(yōu)點，如：無需組裝直接成形、器所不具有的優(yōu)點，如：無需組裝直接成形、優(yōu)良的光學(xué)特性、高溫穩(wěn)定性、好的

12、溫度不敏優(yōu)良的光學(xué)特性、高溫穩(wěn)定性、好的溫度不敏感特性、低成本、可批量生產(chǎn)等，這可能導(dǎo)致感特性、低成本、可批量生產(chǎn)等，這可能導(dǎo)致應(yīng)用于多種場合的新一代微型光纖傳感器的誕應(yīng)用于多種場合的新一代微型光纖傳感器的誕生，因此可能引起光纖傳感領(lǐng)域的一場革命。生，因此可能引起光纖傳感領(lǐng)域的一場革命。157nm激光一次成型的琺激光一次成型的琺-珀應(yīng)變傳感器珀應(yīng)變傳感器圖3-16琺珀腔標準具的圖片和反射譜圖 (a)PCF琺珀腔的掃描電鏡圖片 (b)縱向方向琺珀標準具的圖片 (c) 琺珀標準具的反射譜圖 R-Intensity (dB)Wavelength (nm)(c)(a)DLaser EntranceRL

13、CoreCladding(b)從圖從圖3-16 (a)3-16 (a)可以看出，加可以看出，加工出的腔的兩個端面是相當(dāng)工出的腔的兩個端面是相當(dāng)光滑和平行的。腔的剖面圖光滑和平行的。腔的剖面圖如圖如圖3.16 (b)3.16 (b)所示。所示。標準具的反射光譜如圖標準具的反射光譜如圖3-3-16(c)16(c)所示。從圖中可以看出所示。從圖中可以看出，這種，這種PCFPCF標準具有標準具有26dB26dB極極好的條紋對比度，據(jù)我們所好的條紋對比度，據(jù)我們所知，這是在沒有鍍膜情況下知，這是在沒有鍍膜情況下光纖光纖F-PF-P應(yīng)變傳感器能獲得的應(yīng)變傳感器能獲得的最好的對比度之一。（一般最好的對比度之

14、一。（一般情況下，根據(jù)情況下，根據(jù)104-106, 111, 116104-106, 111, 116中報道的，不論是手工組裝中報道的，不論是手工組裝，還是，還是HFHF酸腐蝕，或者是熔酸腐蝕，或者是熔接等方法制作的接等方法制作的F-PF-P傳感器的傳感器的條紋對比度都不到條紋對比度都不到15dB15dB。）。）這是因為這是因為PCFPCF的特性使其成為的特性使其成為通過微加工獲得光滑表面的通過微加工獲得光滑表面的理想材料。理想材料。Sensor NumberCavity Length (mm)圖3-17在同樣的加工參數(shù)下腔長的分布圖3-18 PCF琺珀腔的溫度和應(yīng)變特性 (a) 不同溫度下的

15、應(yīng)變特性 (b) 溫度響應(yīng)Cavity Length Variation (nm)Temperature ()(b)ABCDEStrain ()(a)Cavity Length Variation (nm)為了證實加工的重復(fù)性是否理想為了證實加工的重復(fù)性是否理想，我采用和前面同樣的參數(shù)加工，我采用和前面同樣的參數(shù)加工了了2020個傳感頭。實驗結(jié)果表明，個傳感頭。實驗結(jié)果表明，可以取得很好的重復(fù)性，如圖可以取得很好的重復(fù)性，如圖3-3-1717所示。腔長的波動所示。腔長的波動60nm,60nm,不不到腔長的到腔長的1%1%。我們在一個寬的溫。我們在一個寬的溫度范圍內(nèi)對度范圍內(nèi)對PCFPCF標準具

16、傳感器的標準具傳感器的應(yīng)變特性進行了研究。通過計算應(yīng)變特性進行了研究。通過計算實際腔長來測量應(yīng)變，腔長計算實際腔長來測量應(yīng)變，腔長計算公式同樣為公式同樣為114114： ，這里，這里， , , 是傳感器反射譜相鄰兩個波谷對是傳感器反射譜相鄰兩個波谷對應(yīng)的波長。應(yīng)的波長。高溫溫度和應(yīng)變同時測量高溫溫度和應(yīng)變同時測量高溫溫度和應(yīng)變同時測量高溫溫度和應(yīng)變同時測量高溫溫度和應(yīng)變同時測量高溫溫度和應(yīng)變同時測量高溫溫度和應(yīng)變同時測量高溫溫度和應(yīng)變同時測量高溫溫度和應(yīng)變同時測量圖3-20 從熔接機上獲得的MEFPI（琺珀標準具）的透射照片MEFPI cavity157nm, 12J/cm2, 160puls

17、es, 20Hz, Top-surface圖3-19 157nm激光加工后光纖端面的SEM照片采用高頻采用高頻COCO2 2激光脈沖曝光在普通標準單模光纖上寫入的激光脈沖曝光在普通標準單模光纖上寫入的LPFGLPFG被插入在石英毛細管中被插入在石英毛細管中，石英毛細管的內(nèi)徑和外徑分別為，石英毛細管的內(nèi)徑和外徑分別為128um128um和和300um300um。LPFGLPFG是被通過熔接的方式固定在是被通過熔接的方式固定在石英毛細管中的，確保了石英毛細管中的，確保了LPFGLPFG不受應(yīng)變的影響。不受應(yīng)變的影響。MEFPIMEFPI是通過采用是通過采用157nm 157nm 準分子激準分子激光

18、器在單模光纖（光器在單模光纖（SMF-128SMF-128）端面制作的。打在光纖端面的激光脈沖的能量密度為）端面制作的。打在光纖端面的激光脈沖的能量密度為12J/cm12J/cm2 2，頻率為，頻率為20Hz20Hz，在，在160160個脈沖后，在光纖端面形成了一個深度個脈沖后，在光纖端面形成了一個深度30m30m，底部，底部光滑的圓孔，如圖光滑的圓孔，如圖3-193-19再通過將其和另外一段切割好的光纖熔接在一起，孔就自封再通過將其和另外一段切割好的光纖熔接在一起，孔就自封閉在了光纖中（熔接采用商用的熔接機閉在了光纖中（熔接采用商用的熔接機(S182A, Fitel, Japan)(S182

19、A, Fitel, Japan)，這樣就自動形成，這樣就自動形成了一個了一個MEFPIMEFPI。我們從熔接機獲得的微型腔的橫向圖如圖。我們從熔接機獲得的微型腔的橫向圖如圖3-203-20。高溫溫度和應(yīng)變同時測量高溫溫度和應(yīng)變同時測量圖3-21 高溫和應(yīng)變進行同時測量的實驗裝置LPFGCirculatorMEFPICavity123Si720 OSAHigh-temperatureFurnace用來對高溫和應(yīng)變進行同時測量的實驗裝置如圖用來對高溫和應(yīng)變進行同時測量的實驗裝置如圖3-213-21所示。反射光和透射所示。反射光和透射光被分別用來對光被分別用來對MEFPIMEFPI和和LPFGLPF

20、G的輸出進行監(jiān)測，監(jiān)測采用的是高精度的光的輸出進行監(jiān)測，監(jiān)測采用的是高精度的光譜分析儀譜分析儀(OSA) (Si720, Micron Optics, USA)(OSA) (Si720, Micron Optics, USA)，其波長掃描范圍為，其波長掃描范圍為1510nm1590nm1510nm1590nm，分辨率為，分辨率為2.5pm2.5pm。從。從Si720Si720內(nèi)部的掃描激光器發(fā)出的激光內(nèi)部的掃描激光器發(fā)出的激光經(jīng)過一個耦合器后打進組合傳感器。經(jīng)過一個耦合器后打進組合傳感器。MEFPIMEFPI的反射光譜如圖的反射光譜如圖3-223-22所示。從所示。從圖中可以看出可以獲得圖中可

21、以看出可以獲得30dB30dB的最好可見度。透射光通過的最好可見度。透射光通過MEFPIMEFPI后進入后進入LPFGLPFG。圖。圖3-233-23中示意了中示意了MEFPIMEFPI和和LPFGLPFG的混合光譜。從圖中可以看出，的混合光譜。從圖中可以看出，LPFGLPFG的信的信號強度沒有受到號強度沒有受到MEFPIMEFPI的信號的干擾。的信號的干擾。高溫溫度和應(yīng)變同時測量高溫溫度和應(yīng)變同時測量圖3-22 MEFPI的反射光譜Wavelength /nmR-Intens i t y (dB) 圖3-23 LPFG和EFPI的混合透射譜R-Intensi t y (dB)Waveleng

22、th /nmMEFPI傳感器和LPFG被放置在高溫爐(Lenton, UK)中的陶瓷管中。兩個高精度的微動臺(Newport 561D)固定在高溫爐的兩端，空間距離為1m，微動臺通過拉伸光纖的一端來對傳感器施加應(yīng)變，如圖3-22所示。高溫爐的溫度分辨率為1oC。測試中，溫度從100oC開始，間隔50oC，到650oC時為止。事實上，由于硅的熔點在1700oC左右，這種傳感器能夠承受的最高溫度可以高達800oC，當(dāng)然這也取決于實際應(yīng)用中鍍在光纖表面對傳感器進行保護的薄膜。當(dāng)高溫爐的溫度被保持在某一個恒定值的時候，通過調(diào)節(jié)光纖的兩個固定端之間的距離來對傳感器施加應(yīng)變，調(diào)節(jié)范圍為0 到500m，步長

23、為25m。高溫溫度和應(yīng)變同時測量高溫溫度和應(yīng)變同時測量圖3-24 LPFG 的高溫溫度響應(yīng)Temperature (oC)Wavelength (nm)圖3-25 EFPI 的高溫溫度響應(yīng)Wavelength (nm)Temperature (oC)圖3-26 EFPI 的高溫應(yīng)變響應(yīng) Wavelength (nm)Strain ()圖3-24示意了LPFG的高溫響應(yīng)特性。從圖中可以看出LPFG的諧振波長和溫度的變化之間呈現(xiàn)出很好的線性關(guān)系。LPFG的溫度-波長靈敏度為K(LPFG)T為0.1142nm/oC，表明LPFG對溫度變化是高靈敏的。圖3-25給出自由狀態(tài)下MEFPI的高溫響應(yīng)特性曲線，其在500oC 環(huán)境下的應(yīng)變響應(yīng)特性如圖3-26所示。MEFPI的溫度-波長、應(yīng)變-波長靈敏度（K(F-P)T、K(F-P)）分別為0.0009nm/oC和0.0052nm/。因此，當(dāng)OSA的波長分辨率設(shè)定在2.5pm的時候，LPFG/MEFPI組合傳感器