一種EFPI光纖壓力傳感器的結(jié)構(gòu)分析及零點(diǎn)穩(wěn)定性

黃彩霞，張立喆

（中航工業(yè)北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所，北京100095）

一種EFPI光纖壓力傳感器的結(jié)構(gòu)分析及零點(diǎn)穩(wěn)定性

黃彩霞，張立喆

（中航工業(yè)北京長城計(jì)量測試技術(shù)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(xì)分析了這種光纖壓力傳感器的原理、結(jié)構(gòu)和解調(diào)方法；討論分析了材料、結(jié)構(gòu)以及制作工藝對零點(diǎn)穩(wěn)定性的影響；探討了傳感器內(nèi)部熱應(yīng)力的分布以及消除方法。該結(jié)構(gòu)傳感器在經(jīng)歷－40℃和400℃的嚴(yán)酷溫度考驗(yàn)后，零點(diǎn)漂移小于3 nm。

EFPI；光纖壓力傳感器；F-P腔；穩(wěn)定性；零點(diǎn)漂移

0 引言

20世紀(jì)70年代中期，光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用為傳統(tǒng)傳感測量領(lǐng)域引進(jìn)了新方法。光纖傳感器具有抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、優(yōu)良的安全性能等優(yōu)點(diǎn)，還具有靈敏性高、重量輕、便于多傳感器組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

光纖法布里-珀羅傳感器是用光纖構(gòu)成的F-P干涉儀［1］，主要有本征型、非本征型、線型復(fù)合腔三種代表性結(jié)構(gòu)。本征型光纖法-珀腔是指法-珀腔本身由光纖構(gòu)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(gòu)成一個(gè)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(yīng)用最為廣泛的一種。本文重點(diǎn)研究了一種非本征型（EFPI）光纖法-珀壓力傳感器的結(jié)構(gòu)和零點(diǎn)穩(wěn)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(jié)構(gòu)示意圖

反射光纖和導(dǎo)入光纖從兩端分別插入一段空芯光纖或石英毛細(xì)管（毛細(xì)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(xì)管兩端分別與反射光纖和導(dǎo)入光纖固定，形成EFPI光纖壓力傳感器。EFPI光纖壓力傳感器結(jié)構(gòu)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(diào)方法

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

白光光源LED的光譜近似高斯分布，因此光強(qiáng)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(hào)為

式中：γ（L）是與腔長L有關(guān)的對比度的下降因子；φ0為兩個(gè)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(dá)光譜儀所產(chǎn)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(jī)理

當(dāng)壓力施加到傳感器上，石英毛細(xì)管發(fā)生變形，傳感器腔長發(fā)生變化，EFPI光纖壓力傳感信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)能夠解調(diào)出傳感器腔長變化。施加壓力p對應(yīng)的EFPI壓力傳感器腔長變化的表達(dá)式為

式中：L標(biāo)是EFPI光纖壓力傳感器兩個(gè)激光焊點(diǎn)間的距離，也叫標(biāo)矩；ΔL是傳感器腔長變化量；μ是石英毛細(xì)管材料的泊松比；E是石英毛細(xì)管材料的楊氏模量；di是石英毛細(xì)管的內(nèi)徑；do是石英毛細(xì)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(xì)管的壁厚有關(guān)，壁越薄，靈敏度越高。

2 EFPI光纖壓力傳感器測試系統(tǒng)

EFPI光纖壓力傳感測試系統(tǒng)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(diào)系統(tǒng)這幾部分組成。如圖3所示。腔長解調(diào)系統(tǒng)的主要原理是建立在低細(xì)度法布里-珀羅干涉模型基礎(chǔ)上。首先根據(jù)低細(xì)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(hào)，然后將理論上不同腔長值的干涉光譜信號(hào)和信號(hào)采集得到的真實(shí)EFPI光纖壓力傳感器歸一化干涉光譜信號(hào)進(jìn)行交叉相關(guān)運(yùn)算，得到交叉相關(guān)系數(shù)，交叉相關(guān)系數(shù)最大的理論上歸一化干涉光譜信號(hào)的腔長值就是真實(shí)待測EFPI傳感器的腔長值。

3 影響EFPI光纖壓力傳感器零點(diǎn)穩(wěn)定性的因素

評價(jià)傳感器最重要的性能之一是穩(wěn)定性。實(shí)際上，穩(wěn)定性指的是在給傳感器輸入相同信號(hào)時(shí)，傳感器是否能在長時(shí)間內(nèi)都保持輸出量不變的性能。

3.1 石英玻璃材料對零點(diǎn)穩(wěn)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(zhì)體，沒有熔點(diǎn)，只有軟化溫度范圍，在低溫時(shí)為固體，高溫時(shí)黏度非常大，1100℃黏度為1018.9Pa·s，此黏度不會(huì)因自重而變形；1300℃黏度為1010.8Pa·s，長期使用會(huì)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(diǎn)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(jié)構(gòu)對零點(diǎn)穩(wěn)定性的影響

由EFPI光纖壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖（圖1）可以看出：兩個(gè)光纖端面反射光要形成良好的干涉信號(hào)，插入毛細(xì)石英管內(nèi)的兩根光纖的反射端面和相應(yīng)的光纖軸線必須垂直；還要注意標(biāo)距L標(biāo)過大會(huì)增加傳感器對溫度敏感性，要盡量縮短導(dǎo)入光纖在兩激光焊點(diǎn)之間的長度；同時(shí)反射光纖選用與石英毛細(xì)管熱膨脹系數(shù)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(diǎn)穩(wěn)定性的影響

EFPI光纖壓力傳感器結(jié)構(gòu)制作關(guān)鍵點(diǎn)之一是光纖和石英毛細(xì)管的連接。傳統(tǒng)的粘貼連接通常使用環(huán)氧樹脂、焊料或者其他粘貼料，這些材料在實(shí)際使用中會(huì)發(fā)生物理的和化學(xué)的變化，穩(wěn)定性較差。在EFPI光纖壓力傳感器的測量系統(tǒng)中，分辨力通常以納米來度量，因此材料的穩(wěn)定性是至關(guān)重要的。由于石英玻璃具有良好的穩(wěn)定性，用CO2激光脈沖將石英毛細(xì)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(wěn)定性上明顯優(yōu)于傳統(tǒng)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(huì)造成石英玻璃內(nèi)部存在著一定的殘余熱應(yīng)力。傳感器內(nèi)部殘余熱應(yīng)力的緩慢釋放，會(huì)引起傳感器初始腔長的漂移，造成測量中零點(diǎn)漂移，影響傳感器的長期穩(wěn)定性。所以去除石英玻璃內(nèi)的殘余熱應(yīng)力是EFPI壓力傳感器制作過程中至關(guān)重要的步驟。

4 EFPI光纖壓力傳感器的應(yīng)力

EFPI光纖壓力傳感器內(nèi)部應(yīng)力分為熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力。熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)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(jī)理不完全相同，這些內(nèi)部應(yīng)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(yīng)力

石英玻璃管在制作中經(jīng)高溫熔融或在CO2激光熱熔結(jié)過程中，由于溫差可以產(chǎn)生不同程度的熱應(yīng)力。應(yīng)力的存在會(huì)劣化傳感器的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。熱應(yīng)力分為暫時(shí)應(yīng)力和永久應(yīng)力兩種。

4.1.1 暫時(shí)應(yīng)力

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

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

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

4.1.2 永久應(yīng)力

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

4.2 機(jī)械應(yīng)力

機(jī)械應(yīng)力是在機(jī)械加工或者拉制微型石英玻璃管、光纖過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，其典型表現(xiàn)形式是微裂紋，主要影響傳感器的機(jī)械強(qiáng)度。長期機(jī)械可靠性可歸結(jié)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(jī)械應(yīng)力主要和傳感器使用壽命相關(guān)，對零點(diǎn)漂移的影響不大。

4.3 EFPI光纖壓力傳感器的應(yīng)力消除

熱應(yīng)力與石英玻璃成型或加工的熱歷史有關(guān)，通過退火處理可以消除。機(jī)械應(yīng)力通過精細(xì)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(tǒng)的消除應(yīng)力的辦法有退火、壓力循環(huán)、振動(dòng)等等。檢測石英玻璃應(yīng)力的方法主要是利用應(yīng)力雙折射原理，石英玻璃應(yīng)力雙折射是由內(nèi)部應(yīng)力引起的微不均勻性產(chǎn)生的。目前使用偏光應(yīng)力儀或者偏光顯微鏡檢測石英玻璃的應(yīng)力。圖5為光纖傳感器的焊點(diǎn)處的應(yīng)力在偏光顯微鏡下的形貌特征。

5 退火對零點(diǎn)漂移的改善

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

6 結(jié)束語

本文在分析EFPI光纖壓力傳感器的結(jié)構(gòu)、解調(diào)方法及影響零點(diǎn)穩(wěn)定性因素的基礎(chǔ)上，給出了消除EFPI光纖傳感器應(yīng)力和改善零點(diǎn)漂移的方法。經(jīng)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(guān)的熱應(yīng)力，使EFPI光纖壓力傳感器在極端溫度時(shí)的零點(diǎn)漂移小于3 nm，大大提升了這種EFPI光纖壓力傳感器的準(zhǔn)確度。這種EFPI光纖壓力傳感器結(jié)構(gòu)、制作工藝簡單，具有良好的穩(wěn)定性，有廣泛的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。

［1］廖延彪.光纖光學(xué)——原理與應(yīng)用 ［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2010.

［2］江毅，唐才杰.光纖Fabry-Perot干涉儀原理及應(yīng)用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2009.

［3］王承遇，陶瑛.玻璃材料手冊 ［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［4］王玉芬，劉連城.石英玻璃 ［M］.北京：化學(xué)工業(yè)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(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金項(xiàng)目（2009F30472）

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