面向海洋靜冰壓力監(jiān)測(cè)的薄膜結(jié)構(gòu)光纖Fabry-Perot傳感器設(shè)計(jì)與性能分析

黃夢(mèng)醒，李宇航，王冠軍，劉建勛，嚴(yán)璐，王隆娟

（1. 海南大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，海南 海口 570228；2. 海南大學(xué)南海海洋資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南 海口 570228；3. 中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051）

1 引言

海冰是重要的自然災(zāi)害之一，實(shí)時(shí)有效地監(jiān)測(cè)海水靜動(dòng)態(tài)特性對(duì)海洋交通運(yùn)輸、漁業(yè)、海洋石油鉆井等領(lǐng)域至關(guān)重要。由于局限于惡劣的氣候、復(fù)雜的地理環(huán)境等因素影響，如何精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)靜冰壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，尚需科研工作者的持續(xù)關(guān)注。

常用的靜冰壓力測(cè)量?jī)x器包括凍結(jié)力機(jī)械裝置和壓阻式壓力傳感器。傳統(tǒng)的電阻式和波紋管壓力計(jì)存在數(shù)據(jù)誤差、準(zhǔn)確度有限、分辨率低、監(jiān)測(cè)效果受限于電源蓄電量等問題[1]，而光纖傳感器則具有體積小、可集成、遠(yuǎn)距離、分布式傳感、傳感器無(wú)需供電等優(yōu)勢(shì)，在遠(yuǎn)距離靜冰壓力監(jiān)測(cè)方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。2010年，Zhou等[2]通過在一個(gè)冰區(qū)和一個(gè)冰梁上安裝光纖類傳感器，分析了傳感器在集中荷載作用下的軸向和彎曲行為，監(jiān)測(cè)了靜冰應(yīng)變與冰結(jié)構(gòu)損傷的特征，此類光纖傳感器在長(zhǎng)期冰結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)以及安全評(píng)估上有很大作用。2012年，Ge等[3]設(shè)計(jì)了一種光纖結(jié)冰傳感器，可以用來(lái)確定冰的類型并精確測(cè)量冰的厚度，這種光纖結(jié)冰傳感器在航空航天安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有很大的價(jià)值。2013年，Zou等[4]提出了一種光纖端面傾斜結(jié)構(gòu)的光纖結(jié)冰傳感器，這種傳感器的輸出電壓會(huì)隨著冰層厚度的增加迅速降低，而面對(duì)混合冰時(shí)則不會(huì)有顯著的變化，可用于準(zhǔn)確識(shí)別航天應(yīng)用的冰類型。2015年，Cui等[5]提出一種可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連續(xù)測(cè)量的靜冰壓力光纖傳感器，這種新型光纖傳感器具有穩(wěn)定的性能、高分辨率和高靈敏度特點(diǎn)，可監(jiān)測(cè)冰的生長(zhǎng)和融化過程中的靜冰壓力等參數(shù)。2016年，Marchenko等[6]使用Bragg光柵傳感器來(lái)研究鹽水結(jié)冰的熱力學(xué)性質(zhì)，光柵傳感器可以觀測(cè)由于冰水壓力引起的液體鹽水垂向運(yùn)移而引起的熱膨脹現(xiàn)象。2017年，Yang等[7]提出了一種靜冰壓力檢測(cè)方法，該方法是基于光纖干涉環(huán)技術(shù)，這種壓力檢測(cè)方法具有對(duì)光源功率波動(dòng)不敏感、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。綜上所述，目前，國(guó)內(nèi)外利用光纖傳感器進(jìn)行靜冰壓力監(jiān)測(cè)的研究仍處于前期探索階段，對(duì)適合靜冰壓力監(jiān)測(cè)的光纖傳感器設(shè)計(jì)與特性分析研究尚待完善。

此外，基于微腔結(jié)構(gòu)的光纖 Fabry-Perot傳感器也是一種重要的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)方法。目前，文獻(xiàn)中報(bào)道的光纖微腔制作方法有很多。例如，Ma等[8]通過將一定長(zhǎng)度的石英毛細(xì)管與單模光纖熔接，然后融合(加熱/熔化)毛細(xì)管制作了一種具有內(nèi)部空氣腔的微球傳感器。Jiang[9]使用化學(xué)蝕刻法和電弧放電方式，將尖端形成槽的多模光纖放入熔接機(jī)中，并通過電弧放電方法在多模光纖端部形成一個(gè)微腔。Duan等[10]采用熔接機(jī)電弧放電方法制造了空氣腔結(jié)構(gòu)的Fabry-Perot干涉式應(yīng)力傳感器，其制作微泡的應(yīng)力靈敏度超過了4 pm/με。Liu等[11]設(shè)計(jì)了一種高靈敏度應(yīng)力傳感器，該傳感器是基于兩段標(biāo)準(zhǔn)單模光纖拼接成的空氣腔結(jié)構(gòu)光纖 Fabry-Perot干涉儀，通過重復(fù)電弧放電方法，提高FPI（Fabry-Perot interferometer）空腔膜層薄度，相應(yīng)的傳感器達(dá)到6.0 pm/με。通過改進(jìn)兩段單模光纖中間的微泡裝置得到矩形氣泡，Liu等[12]將應(yīng)力靈敏度提高到了43.0 pm/με。2016 年，Liu 等[13]提出了一種月牙形光纖Fabry-Perot腔傳感器，新月形腔反射面有2個(gè)，與拋磨型或橢圓的腔結(jié)構(gòu)傳感器相比，應(yīng)變靈敏度有所增強(qiáng)。

本文提出了一種基于光纖微泡結(jié)構(gòu)Fabry-Perot傳感器的靜冰壓力測(cè)試新方法，與以往的光纖光柵傳感器結(jié)構(gòu)不同，本文設(shè)計(jì)的是抗溫度干擾能力比較強(qiáng)的微泡型光纖Fabry-Perot傳感器，通過優(yōu)化微泡薄膜結(jié)構(gòu)來(lái)優(yōu)化傳感器應(yīng)變靈敏度特性，同時(shí)采用了金屬管/PDMS/AB膠組合封裝方法對(duì)傳感器進(jìn)行封裝，并在此基礎(chǔ)上，展開了冰融化和冰凝固階段的靜冰應(yīng)變特性研究，最后采用ANSYS軟件仿真分析方法對(duì)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 光纖Fabry-Perot傳感器制備、封裝與原理分析

為了準(zhǔn)確有效地監(jiān)測(cè)靜冰壓力特性，制備具有較高靈敏度特性的光纖 Fabry-Perot傳感器是首要前提。對(duì)于本文提出的微泡型傳感器結(jié)構(gòu)，由于微泡端部薄膜厚度和直徑直接決定了傳感器靈敏度，所以本文在以往研究基礎(chǔ)上，對(duì)傳感器制備方法進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化。經(jīng)過優(yōu)化后的膨脹輔助放電法薄膜傳感器制備方法主要包括以下3個(gè)步驟，具體如圖1所示。

1) 將所用到的單模光纖和玻璃管端面切割整齊。實(shí)驗(yàn)所用的是康寧公司生產(chǎn)的單模光纖，該光纖的參數(shù)為內(nèi)徑8 μm，外徑125 μm。玻璃管內(nèi)徑為75 μm，外徑為125 μm。然后將單模光纖置于光纖熔接機(jī)（光纖熔接機(jī)的型號(hào)為Fijikura FSM 60S）兩端進(jìn)行熔接，如圖1(a)所示。2) 在將接近熔接點(diǎn)的玻璃管置于電極中心位置后，通過壓力泵往玻璃管內(nèi)填充一定壓強(qiáng)值的空氣，然后熔接機(jī)馬達(dá)上施加一定的外向力。經(jīng)3～5次放電熔接后，玻璃管會(huì)發(fā)生斷裂，形成一個(gè)封閉的玻璃管結(jié)構(gòu)，如圖1(b)所示。3) 將封閉的玻璃管結(jié)構(gòu)移至電極放電區(qū)域后，進(jìn)行多次放電，這樣，玻璃管內(nèi)殘留的氣體膨脹，會(huì)使得玻璃管端部變得越來(lái)越薄，最終形成薄膜型微泡，如圖1(c)所示。

實(shí)驗(yàn)涉及的填充壓強(qiáng)中心值為 120 kPa，放電電流中心值為20 bit（熔接機(jī)內(nèi)顯示單位），放電時(shí)間約300 ms。

圖1 薄膜型光纖Fabry-Perot傳感器制備流程

需要說明的是，膨脹輔助放電法薄膜傳感器制備方法中的參數(shù)并不是固定的，可以根據(jù)制備目標(biāo)和微泡各個(gè)階段的形變效果進(jìn)行調(diào)整。在制備超薄微泡結(jié)構(gòu)時(shí)，有效地控制電弧放電與馬達(dá)運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)壁厚均勻度極其重要，可調(diào)整放電時(shí)間進(jìn)行調(diào)控。隨著微泡結(jié)構(gòu)端部區(qū)域越來(lái)越薄，容易造成泡結(jié)構(gòu)厚度不均勻，這極易導(dǎo)致泡壁軟化和膨脹區(qū)域反差過大。當(dāng)微泡結(jié)構(gòu)畸變到達(dá)一定界限后就會(huì)破裂。隨著微泡膜層厚度變薄，上述參數(shù)需要相應(yīng)微調(diào)。在實(shí)驗(yàn)中，幾次放電作用后，沿軸向微泡區(qū)域膨脹伸長(zhǎng)，泡壁也會(huì)變薄，并且有良好的均勻度，最后測(cè)得微泡壁厚范圍在3～8 μm之間。

圖2是本文制備的微泡型光纖Fabry-Perot傳感器，采用顯微鏡（顯微鏡的型號(hào)為L(zhǎng)eica DM750M）拍照。該傳感器的特點(diǎn)是微泡呈球形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)比較均勻?qū)ΨQ。連接微泡的單模光纖直徑為125 μm，經(jīng)測(cè)量，圖2中的微泡腔長(zhǎng)度d和毛細(xì)管壁厚t分別約為200 μm和5 μm。在進(jìn)行傳感器實(shí)驗(yàn)時(shí)，光束會(huì)從圖2(a)中的單模光纖端部射出，在光纖端部（圖2(a)中“1”處）、微泡端部?jī)?nèi)壁（圖2(a)中“2”處）、微泡端部外壁（圖2(a)中“3”處）處反射，形成干涉。為了探測(cè)相應(yīng)的干涉光譜，本文采用由北京理工大學(xué)江毅教授研制的光纖 Fabry-Perot傳感器解調(diào)儀進(jìn)行高靈敏度解調(diào)。圖3是相應(yīng)的干涉光譜，呈現(xiàn)出比較明顯的光譜干涉特點(diǎn)。

圖2 制備的薄膜結(jié)構(gòu)光纖Fabry-Perot傳感器

圖3 微泡結(jié)構(gòu)的反射光譜

當(dāng)應(yīng)用于靜冰壓力監(jiān)測(cè)時(shí)，微泡型光纖Fabry-Perot傳感器的微泡外部受到靜冰壓力作用會(huì)發(fā)生形變，導(dǎo)致光纖端部(圖2(a)中“1”處)、微泡端部?jī)?nèi)壁(圖2(a)中“2”處)之間的微泡腔長(zhǎng)L產(chǎn)生變化，記為ΔL，n為微泡空氣的折射率，λ為波長(zhǎng)，相應(yīng)的干涉光譜相位變化如式(1)所示。

當(dāng)將光纖 Fabry-Perot傳感器應(yīng)用于壓力和應(yīng)變時(shí)，ΔT是溫度變化，ΔФ是相位變化，故由ΔT引起的ΔФ可以表示為

其中，αt是石英毛細(xì)管的熱膨脹系數(shù)；?air是空氣的熱光系數(shù)，為0.1 με/℃；αf是光纖的熱膨脹系數(shù)。由于光纖和石英管均是用二氧化硅材料制成的，系數(shù)αt與αf幾乎沒有差別，同時(shí)?air可忽略不計(jì)。因此，本文所涉及傳感器對(duì)溫度的交叉敏感可以控制到很低。當(dāng)應(yīng)用于靜冰壓力實(shí)驗(yàn)時(shí)，靜冰壓力變化會(huì)導(dǎo)致微泡型光纖Fabry-Perot傳感器的微泡腔長(zhǎng)L發(fā)生一定的形變。根據(jù)式(1)和式(2)，干涉譜相位和譜峰會(huì)發(fā)生相應(yīng)移動(dòng)[14]。如圖3所示，通過監(jiān)測(cè)圖3中的譜峰移動(dòng)情況，可計(jì)算出相應(yīng)的光纖傳感器應(yīng)變量和靜冰壓力情況。

靜冰壓力測(cè)量一般是在比較惡劣的工作環(huán)境中進(jìn)行的。由于冰內(nèi)部形態(tài)的變化，裸露在冰點(diǎn)的光纖很容易被損壞。考慮到光纖的使用壽命，需要對(duì)微泡型光纖Fabry-Perot傳感器進(jìn)行封裝。在封裝結(jié)構(gòu)上，封裝材料可選擇不銹鋼管，它的硬度和強(qiáng)度都比較大。在封裝時(shí)，首先將微泡結(jié)構(gòu)光纖傳感器懸空放入金屬管中，然后將PDMS（poly dimethy lsiloxane）膠填充在金屬管內(nèi)，同時(shí)用真空抽氣泵將PDMS膠的氣泡抽出，保持管內(nèi)被PDMS膠完全充滿。這里的PDMS是聚二甲基硅氧烷，是一種應(yīng)用非常廣泛的光纖傳感器封裝材料，而且可以起到傳感器靈敏度增強(qiáng)效果[15]。本文后面計(jì)算的傳感器特性也包含了產(chǎn)生的增敏效果。金屬管兩端用AB膠固定，以提高傳感結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。微泡型光纖Fabry-Perot傳感器封裝方法，如圖4所示。

圖4 Fabry-Perot傳感器封裝結(jié)構(gòu)

在模擬靜冰壓力實(shí)驗(yàn)時(shí)，將傳感器放入一個(gè)裝滿水的固體容器中，放入冰箱中冷凍。之后將完全冷凍的傳感器拿出來(lái)，在室溫下進(jìn)行融化。使用北京理工大學(xué)江毅教授研制的光纖 Fabry-Perot傳感器解調(diào)儀解調(diào)監(jiān)測(cè)光纖 Fabry-Perot傳感器在水冷凍和冰融化過程中的頻譜變化，來(lái)研究光纖Fabry-Perot傳感器對(duì)靜冰壓力的傳感特性。同時(shí)在容器中傳感器附近放置電子式溫度傳感器和應(yīng)變傳感器，用于標(biāo)定冰內(nèi)溫度與應(yīng)變值。

3 微泡型光纖Fabry-Perot傳感器的靜冰壓力實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖5(a)給出了冷凍過程中微泡型光纖Fabry-Perot傳感器頻譜隨溫度變化的干涉光譜。圖5(b)則分別顯示了波長(zhǎng)漂移與冰溫、應(yīng)變之間的關(guān)系。

圖5 冷凍過程實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖5(b)可知，溫度的零坐標(biāo)在圖的右下方，應(yīng)變值的零坐標(biāo)在圖的右上方，分析應(yīng)變時(shí)應(yīng)從右到左，從上到下。這里的應(yīng)變是指壓縮產(chǎn)生的應(yīng)變，為負(fù)值，本文取絕對(duì)值加以分析。故冷凍時(shí)，隨著冰溫度從0℃降至-15℃過程中，相應(yīng)的應(yīng)變值呈指數(shù)增加趨勢(shì)，而且溫度越低，應(yīng)變值就越大，應(yīng)變速率也逐漸增加。如圖5(b)可得到應(yīng)變的擬合計(jì)算式為S=6.950 71+1.090 66T-0.562 7T2，T代表溫度。

圖6則給出了靜冰在融化過程中的譜峰及應(yīng)變變化情況。圖6(a)為微泡型光纖Fabry-Perot傳感器在融化過程中隨溫度變化而發(fā)生波長(zhǎng)漂移的反射光譜圖。圖6(b)則顯示了波長(zhǎng)漂移與冰溫和應(yīng)變的關(guān)系。如圖 6(b)所示，可得到應(yīng)變的擬合計(jì)算式為S=-0.7017 9+9.038 2T-0.395 5T2。對(duì)比圖5(b)和圖6(b)可以看出，冰凍過程和融化過程的靜冰壓力變化趨勢(shì)基本相同，兩者之間的偏差主要由測(cè)量過程中的不確定性造成，這些不確定性主要包括傳感器封裝與電子溫度計(jì)、應(yīng)變計(jì)之間的位置偏差、實(shí)驗(yàn)冰塊的位置等，若進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)驗(yàn)條件，兩者會(huì)進(jìn)一步吻合。

為了進(jìn)一步解釋上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本文采用ANSYS有限元軟件來(lái)進(jìn)行光纖Fabry-Perot傳感器結(jié)構(gòu)的建模，模擬傳感器在一定壓力下的形變特性。每增加1 MPa的壓強(qiáng)時(shí)，光纖端部微泡結(jié)構(gòu)受到壓力后產(chǎn)生的最大位移形變量約為 24.9 nm，如圖7(a)所示。圖7(b)也給出了微泡應(yīng)變與外界壓力之間的關(guān)系，縱坐標(biāo)為壓強(qiáng)，橫坐標(biāo)為應(yīng)變值。隨著壓強(qiáng)的增加，其應(yīng)變值也在不斷增加。經(jīng)過計(jì)算可知，直線的斜率K為6.67×104，也即為微泡結(jié)構(gòu)的線性應(yīng)力靈敏度為6.67×104MPa/με。這也驗(yàn)證了上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

圖6 融化過程實(shí)驗(yàn)結(jié)果

傳統(tǒng)的膜片式結(jié)構(gòu)的靜冰壓力傳感器則使用壓力膜盒結(jié)構(gòu)，當(dāng)受靜冰壓力作用時(shí)，靜冰壓力傳感器產(chǎn)生彈性變形的彈性平膜片會(huì)使靜冰壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變成彈性平膜片中心的微小位移信號(hào)，從而引起接收光纖束中信號(hào)光強(qiáng)的變化[5]。這類結(jié)構(gòu)使用到的傳感器探頭由新型敏感元件（帶有彈性平膜片的感應(yīng)靜冰壓力的膜盒）和帶有光源功率參考檢測(cè)的光纖束組成，制作起來(lái)比較復(fù)雜，成本較高，且應(yīng)力靈敏度只達(dá)到了2.74×10-4kPa。相比而言，本文的微泡結(jié)構(gòu)光纖傳感器制作起來(lái)比較方便，靈敏度也很高。

圖7 傳感器特性仿真分析

4 結(jié)束語(yǔ)

靜冰壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)在海洋交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。本文首次提出利用微泡型光纖Fabry-Perot傳感器來(lái)檢測(cè)靜冰壓力特性。結(jié)合獨(dú)特的膨脹輔助放電方法來(lái)制備靈敏度較高的微泡型光纖Fabry-Perot傳感器，并詳細(xì)討論了微泡薄膜結(jié)構(gòu)傳感器制備過程、技術(shù)和關(guān)鍵難點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上針對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象特點(diǎn)對(duì)傳感器進(jìn)行了封裝，結(jié)合冰的冷凍過程和融化過程展開了實(shí)驗(yàn)研究，分析了傳感器和靜冰應(yīng)變與溫度之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的降低，冰內(nèi)部的應(yīng)變呈增加趨勢(shì)，而且增加速率也在不斷變大。最后結(jié)合 ANSYS軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了解釋，且與壓力膜盒式傳感器進(jìn)行對(duì)比。本文研究?jī)?nèi)容對(duì)冰力學(xué)特性研究具有一定的參考價(jià)值。