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1、光纤传感器随着光纤通信技术的实用化光纤传感器随着光纤通信技术的实用化有了迅速发展，且具有体积小、重量轻、有了迅速发展，且具有体积小、重量轻、检测分辨率高、灵敏度高、测温范围宽、检测分辨率高、灵敏度高、测温范围宽、保密性好、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀保密性好、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀性强等明显优于传统传感器的特点，研性强等明显优于传统传感器的特点，研制高温环境下符合测量要求的全光纤压制高温环境下符合测量要求的全光纤压力传感器，以满足国防军事、航天航空、力传感器，以满足国防军事、航天航空、土木工程、电力、能源、石油化工工业土木工程、电力、能源、石油化工工业和大气压力测量的需求。光纤同具和大气压力测量
2、的需求。光纤同具“传传”、“感感”两种功能。与光源耦合的发两种功能。与光源耦合的发射光纤同与光探测器耦合的接收光纤为射光纤同与光探测器耦合的接收光纤为一根连续光纤，称为传感光纤，故功能一根连续光纤，称为传感光纤，故功能型光纤传感器亦称全光纤型或传感型光型光纤传感器亦称全光纤型或传感型光纤传感器。纤传感器。微光微光纤珐-珀珀应变传感器的理感器的理论建模建模在线型光纤珐-珀标准具的结构如图3-1(a)所示，它是一个在光纤中自封闭的空气腔，标准具的空气腔的长度和直径分别为L和D，两个反射面的反射系数R1和R2，可以通过镀膜实现高反射面。光纤珐光纤珐-珀标准具的结构图和剖视图珀标准具的结构图和剖视图
3、微光微光纤珐-珀珀应变传感器的制作工感器的制作工艺流程流程为了实现可以在高温环境应用的微型光纤传感器，我们发明了一种基于157nm激光微加工制作的微珐-珀传感器，这种封闭式光纤FP腔的制作过程如图3-5 所示。图3-5 自封闭型在线式F-P标准具.(a)用157nm激光微加工机在切割好的光纤端面加工环形微孔(b)然后将这段打好孔的光纤和另一段切割好的光纤熔接在一起，就形成了在线FP腔Micro-holeCross section of fiber tip1060m mm157nm laserCladdingCoreMicro-hole(a)CladdingCoreElectrodeElectr
4、ode(b)CladdingCoreF-P cavity(c)微光微光纤珐-珀珀应变传感器的制作工感器的制作工艺流程流程首先，采用157nm激光微加工机在切割好的光纤端面加工一个环形微孔，其典型深度为20m；然后将这段打好孔的光纤和另一段切割好的光纤熔接在一起，就形成了一个在线FP腔，这种微珐-珀标准具能够在高达8000C的高温环境下工作，并且这种自封闭结构使得标准具牢固、稳定、可靠。同时由于该标准具中空的结构和二氧化硅很低的热膨胀系数，使得其对温度变化不敏感。此外，使用对称的环形微孔有助于实现偏振无关。Wavelength(nm)图3-6理论计算的二氧化硅的光学吸收谱Absorption c
5、oefficient(1/cm)微光纤珐微光纤珐-珀应变传感器的制作工艺流程珀应变传感器的制作工艺流程图3-7 微孔和珐-珀标准具的照片.(a)NT1100测试的微孔的三维结构(b)通过光学显微镜拍得标准具得透射图(c)标准具得扫描电镜图Cavity(b)(a)Joint(c)这种标准具精确的制作方法是采用这种标准具精确的制作方法是采用157nm激光微加工，其基于的原理是二氧化硅对激光微加工，其基于的原理是二氧化硅对157nm光子的强烈本征吸收。如图光子的强烈本征吸收。如图3-6所示，为基于量子力学理论计算的光学吸收谱。所示，为基于量子力学理论计算的光学吸收谱。从图中可以看出，二氧化硅对从图中
6、可以看出，二氧化硅对157nm光的光吸收系数很高，高于光的光吸收系数很高，高于20000cm-1，这就，这就为在石英光纤上取得高质量的冷加工效果奠定了基础。获得一个高质量的为在石英光纤上取得高质量的冷加工效果奠定了基础。获得一个高质量的FP腔的关键腔的关键步骤是如何在光纤的端面制作出一个具有高表面质量的环形步骤是如何在光纤的端面制作出一个具有高表面质量的环形 微孔微孔.微光微光纤珐-珀珀应变传感器的制作工感器的制作工艺流程流程图3-8 珐-珀标准具的典型光谱图 (R-Intensity 代表相对强度，以后章节不再说明)Wavelength(nm)R-Intensity(dB)P微光微光纤珐-珀
7、珀应变传感器的制作工感器的制作工艺流程流程图中可以看出，这种标准具条纹对比度很高，达到30dB，这比传统手工组装制作的F-P腔的对比度高出许多，传统的典型值都不到15dB。实际测得光谱和理论计算的光谱符合得很好。理论计算所采用的参数为A1=A2=0.04,=0.02 且1=2=0.1。如此高的对比度确保应变测量的高精度。封闭式微光纤珐封闭式微光纤珐-珀传感器的应变特性珀传感器的应变特性静态应变特性静态应变特性图3-9 高温应变实验装置图1:1 CouplerSi720 OSAHigh-temperatureFurnace我们对该标准具的应变和温度特性在一个较宽的温度范围内进行了实验研我们对该标
8、准具的应变和温度特性在一个较宽的温度范围内进行了实验研究。腔的实际长度为究。腔的实际长度为L，通过公式，通过公式 来计算，这里来计算，这里,是标准具干涉谱相邻波是标准具干涉谱相邻波峰峰/波谷对应的波长。标准具理论的敏感长度由波谷对应的波长。标准具理论的敏感长度由 来决定，其在来决定，其在 处的典型值处的典型值为为3.2mm/m/rad，这里，这里,分别为标准具的应变和相位漂移。既然传分别为标准具的应变和相位漂移。既然传感头长度和腔长是一样的，当相位漂移感头长度和腔长是一样的，当相位漂移38m)。激光器的波长被设置在1544nm，确保激光器运行在传感器的线性区中心点。激光器输出光的1%被用来对光
9、源波动进行校正，99%通过一个1:1耦合器打入标准具实时跟踪由于动态应变引起的腔长的变化。珐-珀标准具也被放置在高温炉中。标准具的一端固定在PZT上(PU40 Jena)，它的压电常数封封闭式微光式微光纤珐-珀珀传感器的感器的应变特性特性动态应变特性特性图3-15 8000C时传感器对4 的动态应变信号的响应(a)低频01800Hz(b)高频050kHz (b)40 25 50 Frequency(kHz)0-40-80Power(dBm)Power(dBm)Frequency(Hz)(a)423dB60dBBW 10HzBW 62.5Hz在温度分别为200C,3000C,5000C和8000
10、C时进行了应变响应测试。为了说明，在图3-15(a)仅仅绘出了温度为8000C时的测试结果，因为200C,3000C,5000C 和8000C时的测试结果基本是一样的。为了获得从0Hz到50kHz的功率谱密度，滤波器的带宽设置在62.5Hz。为了便于阐述，仅仅给出了8000C时的测试结果，如图3-15(b)所示。这是因为在200C,3000C,5000C 和8000C的结果基本是一样的。157nm激光一次成型的激光一次成型的珐-珀珀应变传感器感器我们提出了一种采用我们提出了一种采用157nm激光直接在光子激光直接在光子晶体光纤（晶体光纤（PCF）上制作的在线珐）上制作的在线珐-珀标准具。珀标准
11、具。这种微型在线标准具是一种在这种微型在线标准具是一种在PCF上的微型矩上的微型矩形槽结构，典型尺寸为数十微米，因此可以在形槽结构，典型尺寸为数十微米，因此可以在高温下应用。高温下应用。这种这种PCF传感器具有许多传统的光纤传感器具有许多传统的光纤F-P传感传感器所不具有的优点，如：无需组装直接成形、器所不具有的优点，如：无需组装直接成形、优良的光学特性、高温稳定性、好的温度不敏优良的光学特性、高温稳定性、好的温度不敏感特性、低成本、可批量生产等，这可能导致感特性、低成本、可批量生产等，这可能导致应用于多种场合的新一代微型光纤传感器的诞应用于多种场合的新一代微型光纤传感器的诞生，因此可能引起光
12、纤传感领域的一场革命。生，因此可能引起光纤传感领域的一场革命。157nm激光一次成型的激光一次成型的珐-珀珀应变传感器感器图3-16珐珀腔标准具的图片和反射谱图(a)PCF珐珀腔的扫描电镜图片(b)纵向方向珐珀标准具的图片(c)珐珀标准具的反射谱图 R-Intensity(dB)Wavelength(nm)(c)(a)DLaser EntranceRLCoreCladding(b)从图从图3-16(a)3-16(a)可以看出，加可以看出，加工出的腔的两个端面是相当工出的腔的两个端面是相当光滑和平行的。腔的剖面图光滑和平行的。腔的剖面图如图如图3.16(b)3.16(b)所示。所示。标准具的反射
13、光谱如图标准具的反射光谱如图3-3-16(c)16(c)所示。从图中可以看出，所示。从图中可以看出，这种这种PCFPCF标准具有标准具有26dB26dB极好极好的条纹对比度，据我们所知，的条纹对比度，据我们所知，这是在没有镀膜情况下光纤这是在没有镀膜情况下光纤F-PF-P应变传感器能获得的最好应变传感器能获得的最好的对比度之一。（一般情况的对比度之一。（一般情况下，根据下，根据104-106,111,116104-106,111,116中报中报道的，不论是手工组装，还道的，不论是手工组装，还是是HFHF酸腐蚀，或者是熔接等酸腐蚀，或者是熔接等方法制作的方法制作的F-PF-P传感器的条纹传感器的
14、条纹对比度都不到对比度都不到15dB15dB。）这是。）这是因为因为PCFPCF的特性使其成为通过的特性使其成为通过微加工获得光滑表面的理想微加工获得光滑表面的理想材料。材料。Sensor NumberCavity Length(m)图3-17在同样的加工参数下腔长的分布图3-18 PCF珐珀腔的温度和应变特性 (a)不同温度下的应变特性(b)温度响应Cavity Length Variation(nm)Temperature()(b)ABCDEStrain()(a)Cavity Length Variation(nm)为了证实加工的重复性是否理想，为了证实加工的重复性是否理想，我采用和前面同
15、样的参数加工了我采用和前面同样的参数加工了2020个传感头。实验结果表明，可个传感头。实验结果表明，可以取得很好的重复性，如图以取得很好的重复性，如图3-173-17所示。腔长的波动所示。腔长的波动60nm,60nm,不到腔不到腔长的长的1%1%。我们在一个宽的温度范。我们在一个宽的温度范围内对围内对PCFPCF标准具传感器的应变标准具传感器的应变特性进行了研究。通过计算实际特性进行了研究。通过计算实际腔长来测量应变，腔长计算公式腔长来测量应变，腔长计算公式同样为同样为114114：，这里，这里，,是传是传感器反射谱相邻两个波谷对应的感器反射谱相邻两个波谷对应的波长。波长。高温温度和高温温度和
16、应变同同时测量量高温温度和应变同时测量高温温度和应变同时测量高温温度和应变同时测量高温温度和应变同时测量高温温度和应变同时测量高温温度和应变同时测量高温温度和应变同时测量图3-20 从熔接机上获得的MEFPI（珐珀标准具）的透射照片MEFPI cavity157nm,12J/cm2,160pulses,20Hz,Top-surface图3-19 157nm激光加工后光纤端面的SEM照片采用高频采用高频COCO2 2激光脉冲曝光在普通标准单模光纤上写入的激光脉冲曝光在普通标准单模光纤上写入的LPFGLPFG被插入在石英毛细管中，被插入在石英毛细管中，石英毛细管的内径和外径分别为石英毛细管的内径和
17、外径分别为128um128um和和300um300um。LPFGLPFG是被通过熔接的方式固定在石是被通过熔接的方式固定在石英毛细管中的，确保了英毛细管中的，确保了LPFGLPFG不受应变的影响。不受应变的影响。MEFPIMEFPI是通过采用是通过采用157nm 157nm 准分子激光器准分子激光器在单模光纤（在单模光纤（SMF-128SMF-128）端面制作的。打在光纤端面的激光脉冲的能量密度为）端面制作的。打在光纤端面的激光脉冲的能量密度为12J/cm12J/cm2 2，频率为，频率为20Hz20Hz，在，在160160个脉冲后，在光纤端面形成了一个深度个脉冲后，在光纤端面形成了一个深度3
18、0m30m，底部光，底部光滑的圆孔，如图滑的圆孔，如图3-193-19再通过将其和另外一段切割好的光纤熔接在一起，孔就自封闭再通过将其和另外一段切割好的光纤熔接在一起，孔就自封闭在了光纤中（熔接采用商用的熔接机在了光纤中（熔接采用商用的熔接机(S182A,Fitel,Japan)(S182A,Fitel,Japan)，这样就自动形成了一，这样就自动形成了一个个MEFPIMEFPI。我们从熔接机获得的微型腔的横向图如图。我们从熔接机获得的微型腔的横向图如图3-203-20。高温温度和应变同时测量高温温度和应变同时测量图3-21 高温和应变进行同时测量的实验装置LPFGCirculatorMEFP
19、ICavity123Si720 OSAHigh-temperatureFurnace用来对高温和应变进行同时测量的实验装置如图用来对高温和应变进行同时测量的实验装置如图3-213-21所示。反射光和透射所示。反射光和透射光被分别用来对光被分别用来对MEFPIMEFPI和和LPFGLPFG的输出进行监测，监测采用的是高精度的光的输出进行监测，监测采用的是高精度的光谱分析仪谱分析仪(OSA)(Si720,Micron Optics,USA)(OSA)(Si720,Micron Optics,USA)，其波长扫描范围为，其波长扫描范围为1510nm1590nm1510nm1590nm，分辨率为，分辨
20、率为2.5pm2.5pm。从。从Si720Si720内部的扫描激光器发出的激光内部的扫描激光器发出的激光经过一个耦合器后打进组合传感器。经过一个耦合器后打进组合传感器。MEFPIMEFPI的反射光谱如图的反射光谱如图3-223-22所示。从所示。从图中可以看出可以获得图中可以看出可以获得30dB30dB的最好可见度。透射光通过的最好可见度。透射光通过MEFPIMEFPI后进入后进入LPFGLPFG。图。图3-233-23中示意了中示意了MEFPIMEFPI和和LPFGLPFG的混合光谱。从图中可以看出，的混合光谱。从图中可以看出，LPFGLPFG的信的信号强度没有受到号强度没有受到MEFPIM
21、EFPI的信号的干扰。的信号的干扰。高温温度和高温温度和应变同同时测量量图3-22 MEFPI的反射光谱Wavelength/nmR-Intensity(dB)图3-23 LPFG和EFPI的混合透射谱R-Intensity(dB)Wavelength /nmMEFPI传感器和LPFG被放置在高温炉(Lenton,UK)中的陶瓷管中。两个高精度的微动台(Newport 561D)固定在高温炉的两端，空间距离为1m，微动台通过拉伸光纤的一端来对传感器施加应变，如图3-22所示。高温炉的温度分辨率为1oC。测试中，温度从100oC开始，间隔50oC，到650oC时为止。事实上，由于硅的熔点在170
22、0oC左右，这种传感器能够承受的最高温度可以高达800oC，当然这也取决于实际应用中镀在光纤表面对传感器进行保护的薄膜。当高温炉的温度被保持在某一个恒定值的时候，通过调节光纤的两个固定端之间的距离来对传感器施加应变，调节范围为0 到500m，步长为25m。高温温度和高温温度和应变同同时测量量图3-24 LPFG 的高温温度响应Temperature(oC)Wavelength(nm)图3-25 EFPI 的高温温度响应Wavelength(nm)Temperature(oC)图3-26 EFPI 的高温应变响应 Wavelength(nm)Strain()图3-24示意了LPFG的高温响应特性
23、。从图中可以看出LPFG的谐振波长和温度的变化之间呈现出很好的线性关系。LPFG的温度-波长灵敏度为K(LPFG)T为0.1142nm/oC，表明LPFG对温度变化是高灵敏的。图3-25给出自由状态下MEFPI的高温响应特性曲线，其在500oC 环境下的应变响应特性如图3-26所示。MEFPI的温度-波长、应变-波长灵敏度（K(F-P)T、K(F-P)）分别为0.0009nm/oC和0.0052nm/。因此，当OSA的波长分辨率设定在2.5pm的时候，LPFG/MEFPI组合传感器可获得的温度和应变分辨率分别为0.02oC和 0.5（对于施加在微动台两端光纤的宏应变而言）。157nm激光制作微
24、激光制作微珐-珀珀压力力传感器感器图3-27（a）珐珀压力传感器的示意图（b）珐珀压力传感器的照片CladdingCoreF-P cavityPressure125微米 传感器的制作是在3.1节制成的珐-珀应变传感器的基础上，应用激光切割技术在珐-珀腔的一端切割成膜片，就制成了珐-珀压力传感器，如图3-27所示。由下式看出，传感器的量程、分辨率由珐-珀传感器空气孔的孔径和膜片厚度来设定：(3-21)这里，L为在压力变化P的情况下的腔长变化，R、h为膜片半径和厚度，、E为材料的泊松比和杨氏弹性模量。157nm激光制作微激光制作微珐-珀珀压力力传感器感器图3-28 压力校准实验图1:1 Coupl
25、erSi720 OSA压力校准仪压力校准表头压力校准仪压力校准仪图3-29 珐珀传感器的原始谱图R-Intensity(dB)R-Intensity(dB)157nm激光制作微激光制作微珐-珀珀压力力传感器感器我们制作了一种量程的压力传感器作为演示说明，该传感器珐-珀腔的腔长约为25微米，孔的半径为30微米，膜片厚度为10微米左右，如图3-27(b)所示。我们利用美国MOI的Si720作为解调仪，用北京康斯特公司的压力校准仪CTS2008作为校准仪，量程60Mpa，校准仪精度0.05%，实验系统图如图3-28所示。该珐-珀传感器的原始谱图如图3-29所示。压力测试实验结果如图3-30所示，该传感器的测量线性度达0.999975，可见该传感器的具有较好的压力传感性能。由于其是全石英光纤结构，可以用于高温环境下。图3-30 珐珀传感器的压力测试结果157nm激光制作微激光制作微珐-珀珀压力力传感器感器