一種EFPI光纖壓力傳感器的結構分析及零點穩定性

黃彩霞，張立喆

（中航工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095）

一種EFPI光纖壓力傳感器的結構分析及零點穩定性

黃彩霞，張立喆

（中航工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095）

介紹了一種基于法布里-珀羅干涉原理的EFPI光纖壓力傳感器。詳細分析了這種光纖壓力傳感器的原理、結構和解調方法；討論分析了材料、結構以及制作工藝對零點穩定性的影響；探討了傳感器內部熱應力的分布以及消除方法。該結構傳感器在經歷－40℃和400℃的嚴酷溫度考驗后，零點漂移小于3 nm。

EFPI；光纖壓力傳感器；F-P腔；穩定性；零點漂移

0 引言

20世紀70年代中期，光纖傳感技術的應用為傳統傳感測量領域引進了新方法。光纖傳感器具有抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、優良的安全性能等優點，還具有靈敏性高、重量輕、便于多傳感器組網等優點。

光纖法布里-珀羅傳感器是用光纖構成的F-P干涉儀［1］，主要有本征型、非本征型、線型復合腔三種代表性結構。本征型光纖法-珀腔是指法-珀腔本身由光纖構成；而非本征型光纖法-珀腔是指用兩光纖端面之間的空氣隙構成一個腔長為L的微腔。其中，非本征型光纖法-珀腔壓力傳感器是性能最好、應用最為廣泛的一種。本文重點研究了一種非本征型（EFPI）光纖法-珀壓力傳感器的結構和零點穩定性。

1 EFPI光纖壓力傳感器的基本工作原理

1.1 EFPI光纖壓力傳感器的結構示意圖

反射光纖和導入光纖從兩端分別插入一段空芯光纖或石英毛細管（毛細管的孔徑約為126～128μm，比125μm的光纖外徑稍大），再用焊接的方式將毛細管兩端分別與反射光纖和導入光纖固定，形成EFPI光纖壓力傳感器。EFPI光纖壓力傳感器結構示意圖如圖1所示。

1.2 基于白光干涉絕對測量的原理和解調方法

圖2為EFPI白光干涉絕對測量原理圖［2］，LED寬譜光源經過3 dB耦合器注入EFPI傳感器，EFPI傳感器兩個端面的反射光從耦合器的另一端進入光譜分析儀。

白光光源LED的光譜近似高斯分布，因此光強分布可表示為

式中：I0為峰值光功率；Δλ為光源的譜線寬度；λ0為中心波長。

因此，EFPI輸出干涉信號為

式中：γ（L）是與腔長L有關的對比度的下降因子；φ0為兩個干涉光束間的初始相位因子。

將式 （2）對光源光譜求歸一化，得歸一化的干涉輸出

光源中，波長分別為λ1和λ2的兩束光到達光譜儀所產生的相位差為

所以腔長為

1.3 EFPI光纖壓力傳感器的壓力傳感機理

當壓力施加到傳感器上，石英毛細管發生變形，傳感器腔長發生變化，EFPI光纖壓力傳感信號解調系統能夠解調出傳感器腔長變化。施加壓力p對應的EFPI壓力傳感器腔長變化的表達式為

式中：L標是EFPI光纖壓力傳感器兩個激光焊點間的距離，也叫標矩；ΔL是傳感器腔長變化量；μ是石英毛細管材料的泊松比；E是石英毛細管材料的楊氏模量；di是石英毛細管的內徑；do是石英毛細管的外徑。參見圖1。式 （6）表明腔長變化和傳感器的壓力成正比；腔長變化和石英毛細管的壁厚有關，壁越薄，靈敏度越高。

2 EFPI光纖壓力傳感器測試系統

EFPI光纖壓力傳感測試系統主要由美國MOI公司的sm 125光纖傳感波長查詢儀、3 dB耦合器、待測EFPI光纖壓力傳感器、EFPI光纖壓力傳感器腔長解調系統這幾部分組成。如圖3所示。腔長解調系統的主要原理是建立在低細度法布里-珀羅干涉模型基礎上。首先根據低細度法布里-珀羅干涉模型，建立理論上不同腔長值的歸一化干涉光譜信號，然后將理論上不同腔長值的干涉光譜信號和信號采集得到的真實EFPI光纖壓力傳感器歸一化干涉光譜信號進行交叉相關運算，得到交叉相關系數，交叉相關系數最大的理論上歸一化干涉光譜信號的腔長值就是真實待測EFPI傳感器的腔長值。

3 影響EFPI光纖壓力傳感器零點穩定性的因素

評價傳感器最重要的性能之一是穩定性。實際上，穩定性指的是在給傳感器輸入相同信號時，傳感器是否能在長時間內都保持輸出量不變的性能。

3.1 石英玻璃材料對零點穩定性的影響

EFPI光纖壓力傳感器中的敏感元件的材料是石英玻璃。石英玻璃是非晶體，是各向同性的均質體，沒有熔點，只有軟化溫度范圍，在低溫時為固體，高溫時黏度非常大，1100℃黏度為1018.9Pa·s，此黏度不會因自重而變形；1300℃黏度為1010.8Pa·s，長期使用會有少量變形［3］。石英玻璃的高溫黏度確保了其耐高溫性能。表1是透明石英玻璃在典型溫度點的溫度值、熔制溫度、熱加工溫度以及使用溫度建議值。資料來源于德國賀利氏（Heraeus）石英公司。

3.2 EFPI光纖壓力傳感器結構對零點穩定性的影響

由EFPI光纖壓力傳感器結構示意圖（圖1）可以看出：兩個光纖端面反射光要形成良好的干涉信號，插入毛細石英管內的兩根光纖的反射端面和相應的光纖軸線必須垂直；還要注意標距L標過大會增加傳感器對溫度敏感性，要盡量縮短導入光纖在兩激光焊點之間的長度；同時反射光纖選用與石英毛細管熱膨脹系數基本一致的單模光纖或石英光纖。

3.3 EFPI光纖壓力傳感器的制作工藝對傳感器零點穩定性的影響

EFPI光纖壓力傳感器結構制作關鍵點之一是光纖和石英毛細管的連接。傳統的粘貼連接通常使用環氧樹脂、焊料或者其他粘貼料，這些材料在實際使用中會發生物理的和化學的變化，穩定性較差。在EFPI光纖壓力傳感器的測量系統中，分辨力通常以納米來度量，因此材料的穩定性是至關重要的。由于石英玻璃具有良好的穩定性，用CO2激光脈沖將石英毛細管和石英光纖熱熔接，不再增加其它材料，在敏感元件所用的材料性能穩定性上明顯優于傳統的粘貼方法。在EFPI壓力傳感器的熱熔接制作過程中，由于不同位置之間存在明顯的溫度梯度，會造成石英玻璃內部存在著一定的殘余熱應力。傳感器內部殘余熱應力的緩慢釋放，會引起傳感器初始腔長的漂移，造成測量中零點漂移，影響傳感器的長期穩定性。所以去除石英玻璃內的殘余熱應力是EFPI壓力傳感器制作過程中至關重要的步驟。

4 EFPI光纖壓力傳感器的應力

EFPI光纖壓力傳感器內部應力分為熱應力和機械應力。熱應力和機械應力都是在傳感器及其零部件的制體過程中生成的，由于形成機理不完全相同，這些內部應力需要分別用不同的方法減小或消除。

4.1 石英玻璃的熱應力

石英玻璃管在制作中經高溫熔融或在CO2激光熱熔結過程中，由于溫差可以產生不同程度的熱應力。應力的存在會劣化傳感器的結構穩定性。熱應力分為暫時應力和永久應力兩種。

4.1.1 暫時應力

石英玻璃在應變點溫度（η＝1018.5Pa·s）以下加熱或者冷卻時，由于它是熱的不良導體，內外層之間產生溫度梯度從而形成了熱應力，熱應力形成機理［4］示意圖見圖4。圖中，X為應力；Y為玻璃各層到中心層距離；＋為張應力；－為壓應力；O′為玻璃中心層上的點。

石英玻璃開始冷卻時，外層比內層降溫快，外層力求收縮但受較熱內層的阻礙而產生張應力，內層產生壓應力，張應力過渡到壓應力之間存在零應力層。冷卻結束時，外層幾乎不再收縮，而較熱內層力求收縮，于是內層收縮受外層阻礙產生張應力，外層產生壓應力，恰好與冷卻開始時產生的應力大小相等、性質相反，兩者可以逐步抵消。冷卻全部結束時，玻璃內外溫差完全消失，應力也消失。暫時應力的計算公式［4］為

式中：σ是暫時應力；E是石英玻璃的楊氏彈性模量；α是與冷卻溫度相對應的熱膨脹系數；ΔT是玻璃各層與中間層的溫度差；μ是石英毛細管材料泊松比。由公式 （7）可見，溫度梯度是形成熱應力的關鍵因素。

4.1.2 永久應力

當溫度梯度消失時，仍殘留于玻璃中的應力稱為永久應力，又稱內應力。其形成機理參考圖4。石英玻璃從高溫冷卻時，內外層存在溫差，但溫度較高、黏度η＜1012Pa·s時，其結構中分子熱運動能量大、結構調整速度快，溫差產生的應力能很快消除，即應力松弛，此時石英玻璃內外層有溫差但無應力。繼續冷卻，石英玻璃逐漸由黏彈性向彈性轉變，由于外層冷卻快，這種轉變由外層開始。冷卻時，外層收縮將壓縮內層，而彈黏性內層比外層有更大的收縮，其收縮受外層阻礙產生張應力，外層則產生壓應力。其間應力松弛可消除部分應力，但由于冷卻過程中石英玻璃的黏度越來越大、結構調整速率越來越慢，若冷卻速率大于結構調整速率，則應力來不及完全松弛，成為永久應力保留在石英玻璃結構中。

4.2 機械應力

機械應力是在機械加工或者拉制微型石英玻璃管、光纖過程中產生的應力，其典型表現形式是微裂紋，主要影響傳感器的機械強度。長期機械可靠性可歸結為臨近臨界尺寸的裂紋生長為臨界尺寸裂紋的生長速度問題。接近臨界尺寸裂紋生長的模型有幾種，最普遍使用的是Weiderhorn模型。機械應力主要和傳感器使用壽命相關，對零點漂移的影響不大。

4.3 EFPI光纖壓力傳感器的應力消除

熱應力與石英玻璃成型或加工的熱歷史有關，通過退火處理可以消除。機械應力通過精細加工或者稀釋的氫氟酸（HF）處理可消除。對于EFPI光纖壓力傳感器來說，傳統的消除應力的辦法有退火、壓力循環、振動等等。檢測石英玻璃應力的方法主要是利用應力雙折射原理，石英玻璃應力雙折射是由內部應力引起的微不均勻性產生的。目前使用偏光應力儀或者偏光顯微鏡檢測石英玻璃的應力。圖5為光纖傳感器的焊點處的應力在偏光顯微鏡下的形貌特征。

5 退火對零點漂移的改善

目前，我們用溫度循環的方法考核零點的漂移。設計溫度循環時，考慮到傳感器的低溫特性、高溫特性及測試設備的局限性，采用在－40～80℃溫度循環10次（參見圖6溫度曲線）、室溫到400℃極端溫度時循環5次 （參見圖7溫度曲線）的方法，考核零點的漂移量。經過普通退火工藝的傳感器零點漂移量最好的可做到20 nm，一般零點漂移量達到微米量級或者直接失效。在經過退火去應力工藝后，EFPI光纖壓力傳感器在經過－40℃和400℃的極端溫度考核后，零點漂移小于3 nm。具體零點漂移測試流程如圖8所示，兩次零點測試數據見圖9、圖10。

6 結束語

本文在分析EFPI光纖壓力傳感器的結構、解調方法及影響零點穩定性因素的基礎上，給出了消除EFPI光纖傳感器應力和改善零點漂移的方法。經過特殊退火處理后，可消除與石英玻璃成型或加工熱歷史有關的熱應力，使EFPI光纖壓力傳感器在極端溫度時的零點漂移小于3 nm，大大提升了這種EFPI光纖壓力傳感器的準確度。這種EFPI光纖壓力傳感器結構、制作工藝簡單，具有良好的穩定性，有廣泛的應用價值和發展前景。

［1］廖延彪.光纖光學——原理與應用 ［M］.北京：清華大學出版社，2010.

［2］江毅，唐才杰.光纖Fabry-Perot干涉儀原理及應用［M］.北京：國防工業出版社，2009.

［3］王承遇，陶瑛.玻璃材料手冊 ［M］.北京：化學工業出版社，2007.

［4］王玉芬，劉連城.石英玻璃 ［M］.北京：化學工業出版社，

2006.

A Type of EFPIFiber Pressure Sensor Based on Fabry-Perot Interferometer and Zero Drift

HUANG Caixia，ZHANG Lizhe
（Changcheng Institute of Metrology＆Measurement，Beijing 100095，China）

This paper introduced a type of EFPI fiber pressure sensor based on Fabry-Perot interferometer.It is concerned on the sensor's principle，structure，demodulation，facturemethods，etc.The sensor's stability of zero drift is below 3 nm after experiencing－40℃thermal test and 400℃thermal test.

EFPI；fiber pressure sensor；F-P Interferometer；stability；zero drift?

TP212.12；TB935

A

1674－5795（2014）02－0006－05

10.11823／j.issn.1674－5795.2014.02.02

2013－12－26

中航工業技術創新基金項目（2009F30472）

黃彩霞 （1972－），女，助理工程師，主要從事低壓電器、環境實驗方面的工作及光纖傳感器研究。