非本征法布里-珀羅腔光纖壓力傳感器研究進展

呂 濤

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)數(shù)理學(xué)院，湖北武漢 430074)

?

非本征法布里-珀羅腔光纖壓力傳感器研究進展

呂 濤

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)數(shù)理學(xué)院，湖北武漢 430074)

基于敏感Fabry-Perot腔測量外界應(yīng)變的光纖傳感器近年來得到廣泛的研究，介紹了國內(nèi)外非本征Fabry-Perot腔光纖壓力傳感器發(fā)展的進程及實用化過程中迫切需要解決的關(guān)鍵問題，如傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計、敏感材料的選擇，初始腔長的選擇與控制，靜態(tài)工作點的選擇與自補償?shù)取?/p>

光纖傳感器；Fabry-Perot腔；敏感材料；靜態(tài)工作點；腔長

0 引言

光纖非本征Fabry-Perot腔(Extrinsic Fabry-Perot Cavity,簡稱EFPC)傳感器具有抗電磁干擾、體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、避免電火花、耐腐蝕、便于遙測和復(fù)用等許多優(yōu)點，近年來得到廣泛運用[1-2]，可測量多種參量，如電流[3]、角度[4]、顱內(nèi)壓[5]、壓力[6-10]、濃度[11]、橋梁健康[12-13]、表面聲波[14]、微位移[15-18]、溫度[19]、折射率[20-25]、振動[26]、液位[27]、濕度[28]、壓力和溫度[29-31]、表面應(yīng)力[32]等。重慶大學(xué)、電子科技大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、南京師范大學(xué)、大連理工大學(xué)、武漢理工大學(xué)等單位近年來對此類型傳感器進行了廣泛的研究。

傳統(tǒng)的光纖EFPC傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]，由輸入光纖、反射光纖、毛細管或空心玻璃管構(gòu)成，輸入光纖和反射光纖分別從毛細管或空心玻璃管兩端插入并被熔點固定，光纖端面之間為空氣，光纖端面互相平行且組成EFPC。

圖1 光纖EFPC傳感器

光束沿輸入光纖射入微腔時，在兩端面反射并沿原路返回相遇發(fā)生干涉，當(dāng)外界參量作用于傳感器時，改變傳感器的腔長L從而改變了相鄰相干光束相位差φ，進而影響輸出反射干涉光強Ir，因此腔長L是反映被測對象的關(guān)鍵參數(shù)[33]。腔長信號L解調(diào)主要有相位解調(diào)和強度解調(diào)兩種方法，相位解調(diào)通常采用傅里葉變換解調(diào)法[34]、相關(guān)法[35]、干涉條紋計數(shù)法[36]等，應(yīng)用白光[37]、波長可調(diào)諧[6]或?qū)捁庾V[7]光源，通過Ir、φ、L之間的關(guān)系求出L，這種方法可以克服光源功率波動及光纖彎曲能量損耗等外界擾動的影響，因此國內(nèi)外此類型傳感器基本上都使用相位解調(diào)，但解調(diào)裝置價格昂貴、動態(tài)響應(yīng)速度慢。強度解調(diào)通常用單色光源，測量出Ir而求出L，測量原理如圖2所示[38]，在特定光波(如λ=1．3 μm)和端面反射率條件下Ir/I0(I0為入射光強)與腔長L成近似的余弦函數(shù)關(guān)系，Ir/I0是L的多值函數(shù)。如果外界某種因素(物理量、化學(xué)量、生物量等)作用于毛細管或空心玻璃管使得腔長L發(fā)生λ/8線性微變化時，腔輸出局部1/4周期曲線(上升沿M→N或下降沿P→Q部分，因為傳感器工作時腔長減小)可選作為線性工作區(qū)，此時Ir/I0是L的單值函數(shù)，通過測量輸出反射干涉光能量就可間接測量出待測量。

圖2 光纖EFPC傳感器Ir/I0與腔長L變化關(guān)系圖

1 傳統(tǒng)EFPC光纖傳感器存在問題

然而，傳統(tǒng)EFPC光纖傳感器主要缺點是：敏感長度是兩光纖上的熔點間線性長度而非兩光纖端面間距(腔長L)，所以制作好的傳感器運用之前還要進行校準(zhǔn)[39]；不能保證被測量誘導(dǎo)毛細管或空心玻璃管發(fā)生沿中心軸線方向的納米級線性形變，結(jié)果造成腔的兩端面不平行甚至在測量過程中可能觸碰到管臂而損壞[40]，測量無法進行；由于手工制作，傳感器的可重復(fù)性差；由于熔點溫度效應(yīng)的影響，腔長會發(fā)生改變，傳感器穩(wěn)定性不高；初始腔長控制不準(zhǔn)確，靜態(tài)工作點很難定位；由于端面反射率較低(通常4%左右)[1]，輸出信號強度較低，后續(xù)光電轉(zhuǎn)換電路復(fù)雜，如果提高端面反射率，在光纖端面鍍高反射膜存在困難。

強度型光纖EFPC傳感器在制造與實用化過程中必須解決3個關(guān)鍵問題[33]：

(1)一定量程的被測量能夠直接或間接調(diào)制EFPC腔長通常小于或等于λ/8；

(2)只有傳感器制造過程中精確地控制其初始腔長L0(L0=mλ/2+3λ/16或L0=m·λ/2+7λ/16，m=0,1,2,3…)，才能精確定位初始的靜態(tài)工作點(如P點或M點)，進而實現(xiàn)線性工作區(qū)的選擇(如M→N或P→Q)；

(3)受光源功率波動、光纖彎曲損耗、環(huán)境溫度變化、探測器老化等影響而使傳感器測量精度降低，中心波長漂移會使靜態(tài)工作點發(fā)生漂移，所以都需要采用自補償措施。

為了實現(xiàn)壓力直接線性微調(diào)制腔長，近年來國內(nèi)外許多研究者[41-45]提出基于MEMS技術(shù)用周邊固定的硅橫隔膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)反射光纖作為敏感元件和光纖端面或玻璃片表面(下端耦合光纖)組成EFPC，壓力直接線性微調(diào)制恒彈性片從而線性微調(diào)制(納米級)腔長，選擇恰當(dāng)?shù)暮穸扰c直徑使得恒彈性片中心在一定的壓力作用下發(fā)生小于或等于1/8波長的微形變。然而這種結(jié)構(gòu)主要缺點是：

(1)發(fā)生信號平均效應(yīng)[46]。這種效應(yīng)是指由壓力誘導(dǎo)產(chǎn)生的光學(xué)信號響應(yīng)會發(fā)生衰減，原因是部分負值信號被正值信號抵消，這個現(xiàn)象是微型EFPC反射或透射的正余弦曲線的本性決定的，結(jié)果導(dǎo)致非均勻撓度的橫隔模在不同位置點處發(fā)生響應(yīng)信號平均效應(yīng)。因此，真實探測到的EFPC光學(xué)信號響應(yīng)比具有理想“活塞”式橫隔模的EFPC光學(xué)信號響應(yīng)值要低，這種信號衰減隨著橫隔膜因發(fā)生撓度而彎曲的程度增加而增加。

(2)溫度效應(yīng)難以克服[46]。伴隨環(huán)境溫度變化，不同材料的熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致應(yīng)力發(fā)生波動并且干擾了傳感器信號。這種現(xiàn)象是與物質(zhì)材料自身性質(zhì)相關(guān)，所以很難單純通過材料的選擇去消除。

(3)EFPC光學(xué)信號解調(diào)困難[47]。玻璃腔、EFPC、硅片腔均能夠形成干涉信號，精確進行腔長信號解調(diào)復(fù)雜。

(4)硅橫隔模制作上難以實現(xiàn)絕對的對稱并由此產(chǎn)生了局部內(nèi)應(yīng)力，結(jié)果發(fā)生沒有外力作用時橫隔模也會發(fā)生微小撓度的零壓力偏移效應(yīng)。

(5)硅橫隔膜上所鍍的高反射膜在硅橫隔膜形變時容易被破壞。

2 EFPC光纖傳感器腔長選擇、控制與自補償

由于對EFPC腔長控制通常要求在納米量級，而且敏感組件的生產(chǎn)組裝過程會導(dǎo)致最后的腔間距控制的不確定性，因此精確控制腔長在目前研究與生產(chǎn)過程中是一個難題。2005年，Xu[48]等人提出用功率為2 W、1 s脈寬的CO2激光控制初始腔長，先將2個單模光纖通過一維傳動平臺放置在1個硅毛細管中，端面間距為幾mm，略小于理想值，隨后使用聚焦的CO2激光加熱毛細管和光纖實現(xiàn)熔接。如果光源功率和脈寬穩(wěn)定，腔長與熔接時間線性變化，5個脈沖實現(xiàn)了150 nm的腔長控制，每個脈沖控制大約30 nm。此外，更低功率的CO2激光可實現(xiàn)更精確的腔長控制，最高控制精度為3 nm。但是這種控制方法對光源穩(wěn)定性要求苛刻，脈沖數(shù)與實際腔長控制并非線性。2006年，Xu[6]等又提出基于白光干涉系統(tǒng)，腔長先預(yù)先設(shè)置到接近理想值，利用電弧熔接反射光纖與毛細管來控制腔長，選擇恰當(dāng)?shù)墓β?、脈寬和脈沖數(shù)可實現(xiàn)對腔長納米級控制。但其實驗結(jié)果表明：在第1至第12個脈沖作用時，對腔長控制明顯出現(xiàn)了非線性，尤其是第5和第9個脈沖作用時。2007年，Cibula[39]等利用一個小的電爐加熱EFPC，在加熱過程中觀察光譜的變化，通過伸展光纖和觀察光譜，對于特定的工作波長靜態(tài)工作點容易設(shè)置。然而，當(dāng)溫度下降到室溫時，由于熱脹冷縮效應(yīng)，對于32．5 μm的腔長縮小了16 nm。因此，加熱前腔長必須預(yù)先設(shè)置大于理想值。但是這種方法不具有普遍性，因而不能廣泛運用。雷小華[49]等基于彈性形變原理設(shè)計了用于光纖EFPC傳感器的納米級微位移工作臺來實現(xiàn)對EFPC腔長控制，但是標(biāo)定實驗證明其不確定度為0．1 μm。如果光源中心波長1．31 μm，1/4周期線性工作區(qū)對應(yīng)1/8波長即0．163 75 μm腔長變化，可見此工作臺不確定度與傳感器最大腔長變化可比擬，所以控制精度必須達到納米級才能實現(xiàn)靜態(tài)工作點的的定位和初始腔長的控制。

總之，已報道的腔長控制方法和技術(shù)主要是針對傳統(tǒng)光纖EFPC傳感器腔長控制，而不是基于硅橫隔膜作為敏感元件的光纖EFPC壓力傳感器腔長控制(腔長難以精確控制，采用對初始腔長準(zhǔn)確度要求不高的相位解調(diào)方法)。已有的微線性位移控制系統(tǒng)控制精度不高或者在腔長控制進程中因為多種因素影響造成控制不準(zhǔn)確而無法真正實用。

只有正確選擇并精確控制初始腔長才能定位初始靜態(tài)工作點，確保腔輸出的局部對稱的1/4周期曲線能被選為線性工作區(qū)，進而保證輸出反射干涉光強度與腔長是線性單值函數(shù)。然而，關(guān)于腔長必須考慮以下幾個關(guān)鍵問題：

(1)影響初始腔長度選取的因素：①腔端面反射率組合[38]。根據(jù)前期實驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)不同的腔端面反射率組合對應(yīng)的腔輸出近似余弦函數(shù)關(guān)系曲線中相同周期長度的局部工作區(qū)間對應(yīng)不同的測量靈敏度，高反射率條件下靈敏度較高，但是對靜態(tài)工作點的自補償就越苛刻，所以為滿足傳感器不同的性能指標(biāo)就需要選擇不同的端面反射率組合(原理如圖2所示)。②腔能量損耗。由于腔反射光能量耦合損耗[50]、腔端面不絕對光滑和平行[51]、腔端面衍射損耗[52]、腔長損耗[53]等因素使得腔輸出近似余弦函數(shù)曲線并非絕對等幅，而是隨著腔長減少輸出信號光的峰-谷幅度值逐漸增大[54]，即使是相同反射率條件下，同一輸出響應(yīng)曲線中不同周期內(nèi)的相同周期長度線性區(qū)將對應(yīng)傳感器不同的量程、靈敏度、線性度[55-56]。③恒彈性片的變化范圍。當(dāng)一定范圍的壓力作用于恒彈性片并使其發(fā)生不同程度的形變，最大形變量應(yīng)小于初始腔長。④初始腔長L0所給出自由光譜范圍Δλ=λ2/2L0應(yīng)大于半導(dǎo)體激光器光譜帶寬[43]。⑤實際加工與控制難度。太小的初始腔長加工困難，傳感器靈敏度降低并且傳感器靜態(tài)工作點漂移難以有效抑制。

(2)控制初始腔長方法：①納米級微線性位移控制與傳動裝置的研發(fā)與運用，這個裝置是實現(xiàn)初始腔長控制的前提條件；②對EFPC而言，只要其中一端面固定而另一端面發(fā)生相對微位移，EFPC均可輸出相同的近似余弦函數(shù)關(guān)系曲線。初始腔長控制時，先將腔長控制在理想腔長附近，彈性片位置固定，讓微線性位移裝置誘導(dǎo)光纖端面發(fā)生微位移調(diào)制腔長至理想值。圖3中，B、C、D、E點均為腔輸出曲線的峰或谷點，Q1、Q2、Q3、Q4點為約1/4周期線性區(qū)的起點或末點，圖3(a)中A點之前、F點之后、G點→H點部分為腔長恒定時輸出直線，當(dāng)A點→G點和H點→F點部分分別為腔長減小和增大時腔輸出近似余弦曲線時，理論上講兩部分曲線是對稱的。運用數(shù)據(jù)采集處理軟件實時監(jiān)控動態(tài)B點→C點曲線內(nèi)各采集點處電壓值，經(jīng)過理論計算和綜合實驗數(shù)據(jù)可推斷出Q1和Q2點為1/4周期線性區(qū)的起始和末尾工作點，當(dāng)腔長增大時輸出對稱曲線部分中電壓值分別等于Q2、Q1點處電壓值時對應(yīng)點為Q3、Q4點，Q1(Q4)點為要定位的初始靜態(tài)工作點，此時的腔長為初始腔長，1/4周期線性工作區(qū)如圖3(b)所示。當(dāng)A點→G點和H點→F點部分分別為腔長增大和減小時腔輸出近似余弦曲線時，依據(jù)相同原理可得到如圖3(c)所示的1/4周期線性工作區(qū)，Q3(Q2)點為初始靜態(tài)工作點，此時的腔長也可為初始腔長[57]。③初始腔長控制應(yīng)該在無外界擾動條件下進行。無擾動條件主要指不受光源功率波動和中心波長漂移、光纖彎曲損耗、環(huán)境溫度變化、探測器老化等影響，這就要求必須有自補償措施：對光源功率和中心波長進行自補償；基于雙通道加參考臂的原理研發(fā)新型光電轉(zhuǎn)換卡,一路為參考光不參與動態(tài)響應(yīng)，另一路參與動態(tài)響應(yīng)，利用二者的比值信號來消除對光功率穩(wěn)定性的負面影響[55]；在硅片下端中心處鍵合一凸臺抑制溫度效應(yīng)對腔長的影響。

(3)初始腔長和靜態(tài)工作點的主要自補償措施：①獲取對溫度不敏感的腔長[48]。這是抑制靜態(tài)工作點漂移的一個主要步驟。根據(jù)理論分析計算，當(dāng)環(huán)境溫度每變化1 ℃時，幾十甚至上百mm的腔材料熱脹冷縮效應(yīng)引起腔長發(fā)生的微變化遠大于傳感器最小分辨率對應(yīng)微腔長變化，因此就不可能實現(xiàn)高精度的測量。因溫度效應(yīng)引起的微腔長變化導(dǎo)致理想初始腔長條件下定位的靜態(tài)工作點發(fā)生了漂移，線性工作區(qū)線性度變差、測量精度變低。工作點如果漂移到近似余弦函數(shù)關(guān)系曲線的峰或谷點上或其附近，此時測量無法進行。EFPC腔長實際上為單模光纖端面和敏感端面間距，兩者的膨脹程度可通過選擇不同熱膨脹系數(shù)材料達到相同，從而抵消溫度效應(yīng)對腔長的負面影響。②光源中心波長漂移[58]。當(dāng)半導(dǎo)體激光器中心波長受溫度效應(yīng)影響時會發(fā)生漂移，會產(chǎn)生類似于腔長受溫度效應(yīng)影響的后果，嚴重時測量無法進行。例如，對于中心波長為1 310 nm的分布反饋式DFB激光器而言，其中心波長溫度漂移系數(shù)為0．08 nm/℃，當(dāng)溫度變化±10 ℃時，其最大波長漂移為1．6 nm，約占λ/8微腔長變化的1%，由此而造成的測量誤差為1%。例如，對于1 m液位測定，如果要達到±1 mm精度，而由中心波長漂移引起1%測量誤差(10 mm),顯然達到±1 mm測量精度是不可能的。對光源進行自動溫度控制(Automatic temperature control，ATC)和自動功率控制(Automatic power control，APC)來抑制中心波長漂移和輸出功率波動。

(a)EFPC腔長受調(diào)制后輸出動態(tài)曲線示意圖

(b)腔長先減小后增大條件下選擇的約1/4周期線性工作區(qū)

(c)腔長先增大后減小條件下選擇的約1/4周期線性工作區(qū)

強度型光纖EFPC傳感器腔長控制通常要求在nm級，而且敏感組件的生產(chǎn)組裝過程難免會造成最后的腔間距控制的不確定性，因此精確控制腔長在目前研究與生產(chǎn)過程中是一個急待解決的難題?；贓FPC壓力響應(yīng)的動態(tài)近似余弦函數(shù)曲線的多周期性和可重復(fù)性，利用微線性位移控制系統(tǒng)在無外界擾動條件下可精確控制初始腔長、定位靜態(tài)工作點、選擇線性工作區(qū)，因此這對本類型傳感器的實用化和商業(yè)化具有重要理論研究和實踐意義。此外，本研究會給研究者帶來新的啟發(fā)：凡是能夠直接或間接轉(zhuǎn)換為敏感EFPC腔長微變化的一定量程的被測量均可考慮通過光學(xué)敏感EFPC干涉裝置來測量。

3 基于EFPC光纖壓力傳感器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

為了提高光纖EFPC傳感器溫度穩(wěn)定性，Xu等將反射單模光纖插入一空心光纖并與輸入光纖(單?；蚨嗄９饫w)，組成光纖EFPC壓力傳感器[6](如圖4(a)所示)，通過外界壓力作用于空心光纖并使其發(fā)生形變從而改變腔長。另外，在反射光纖的左端增加了一段多模光纖(約0．5 mm)，利用輸入光纖、多模光纖和反射光纖的熱膨脹系數(shù)的差異，選擇合適的長度參數(shù)可獲得一個對溫度不敏感的初始腔長。光源采用波長可調(diào)光源(λ=1 520～1 570 nm)，采用干涉條紋計數(shù)的方法實現(xiàn)信號解調(diào)。壓力作用于空心光纖并引起其中心軸線方向形變實現(xiàn)對腔長微調(diào)制，這沒能克服傳統(tǒng)光纖EFPC傳感器固有缺點。此外，粘合點溫度效應(yīng)會影響腔長，導(dǎo)致測量精度變低、靜態(tài)工作點發(fā)生漂移。

為了克服粘合劑或熔點溫度效應(yīng)對腔長的負面影響、提高測量精度并實現(xiàn)壓力信號直接調(diào)制腔長，Abeysinghe[41]和Zhu[7]等在一根多模光纖的端面上利用MEMS技術(shù)直接鍵合一彈性硅橫隔膜組成壓力傳感器(分別如圖4(b)和圖4(c)所示)。圖4(b)所示傳感器硅橫隔膜厚度為7 μm，腔徑為135 μm，腔長為0．64 μm。對0～80 psi (1 psi=6 890 Pa)壓力測量時獲得0．11 mV/psi的靈敏度，非線性誤差為±0．01 mV/psi。但是這些性能指標(biāo)是在對傳感系統(tǒng)尤其是對發(fā)光二極管LED(中心波長為850 nm)光源采取熱電冷凝器讓其工作于恒定功率輸出并采用雙波長光信號強度比值解調(diào)信號獲得的。類似的，圖4(c)傳感器在室溫條件下，光源為LED(中心波長為1 550 nm)，用光譜儀(光譜范圍1 520～1 570 nm)實現(xiàn)信號解調(diào)，但是只給出腔長與壓力變化關(guān)系結(jié)果，而沒有腔輸出信號與壓力變化關(guān)系結(jié)果。此外，圖4(b)、圖4(c)所示傳感器可適用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如對人體血壓、血液流速等參數(shù)的測量。

圖4 微型光纖EFPC壓力傳感器

為了增大壓力敏感面積同時實現(xiàn)對腔長直接線性微調(diào)制，Wolthuis[42],Zhou[43]和Li[44]利用MEMS技術(shù)將一個硅片通過陽極鍵合技術(shù)鍵合到留有空腔的玻璃基座上，硅片與玻璃-空氣界面形成EFPC，玻璃與光纖封裝結(jié)合在一起，傳感器如圖5(a)所示。光通過光纖、玻璃進入空腔發(fā)生干涉。作用在硅片上的壓力使其發(fā)生不同程度撓度從而改變腔長。利用雙波長比值信號分析技術(shù)(dichroic ratio signal analysis technique)實現(xiàn)光能量比值信號與壓力的線性關(guān)系。Wolthuis和Zhou的傳感器系統(tǒng)均使用中心波長為850 nm的寬光譜發(fā)光二極管LED，而Li的傳感系統(tǒng)使用波長可調(diào)范圍為1 510～1 580 nm的激光光源，并借助光纖布拉格光柵(Fiber Bragg gratings)和陣列波導(dǎo)光柵(Arrayed waveguide gratings)實現(xiàn)對壓力傳感器的波分復(fù)用。南京師范大學(xué)的王鳴等制作出類似于圖5(a)所示的壓力傳感器[45](如圖5(b)所示)，傳感系統(tǒng)采用放大自發(fā)輻射(ASE)光源和光譜分析儀實現(xiàn)信號解調(diào)。

但以邊緣固定的硅橫隔膜作為EFPC敏感端面的MEMS光纖傳感器在實用化過程存在4個主要問題：發(fā)生信號平均效應(yīng)[46]；溫度效應(yīng)難以克服[46]；EFPC光學(xué)信號解調(diào)困難[47]；硅橫隔膜上所鍍反射膜因硅片形變?nèi)菀妆黄茐摹?/p>

(a)玻璃基體上鍵合

(b)玻璃基本上硅基鍵合

為了最小化溫度效應(yīng)的影響并消除信號平均效應(yīng)，通過選擇恰當(dāng)橫隔模是一種最有效的方法。Wang[46]利用單個深度波狀橫隔模(Single deeply corrugated diaphragm)有效克服封裝和熱作用誘導(dǎo)的應(yīng)力，實驗表明基于此種類型的橫隔模制作的如圖6(a)所示的壓力傳感器對溫度誘導(dǎo)的應(yīng)力不敏感，因為懸掛的側(cè)面(suspending sidewall)能夠有效地釋放應(yīng)力效應(yīng)。然而，波狀橫隔模制作上難以實現(xiàn)絕對的對稱并由此產(chǎn)生了局部內(nèi)應(yīng)力，結(jié)果發(fā)生沒有外力作用時橫隔模也會發(fā)生微小撓度的零壓力偏移效應(yīng)。此外，信號平均效應(yīng)可通過最大化扁平橫隔膜面積與入射光束界面積比值來降低[59](如圖6(b)所示)，因為在此條件下，壓力誘導(dǎo)的扁平橫隔膜中心面積處發(fā)生撓度可近似看作平行，然而采用這種技術(shù)伴隨著橫隔膜尺寸增加制作進程復(fù)雜化。

(a)結(jié)構(gòu)圖

(b)工作原理圖圖6 波狀橫隔模光纖EFPC壓力傳感器

隨著經(jīng)濟高速發(fā)展，迫切需求一種能夠?qū)τ凸抟何恍畔⑦M行測量的本質(zhì)安全、精度高、量程大、穩(wěn)定性好、壽命長、易安裝、可操作性強、易網(wǎng)絡(luò)化的液位傳感器，以滿足油庫信息化管理的需求。而目前國內(nèi)外市場上主要使用的機械式[60]、電學(xué)式[61]、超聲波式[62-63]、光學(xué)式(如反射[64-65]、透射[66]、全反射[67-70]、熒光[71]、泄漏模[72]、光纖Bragg光柵[73-74]等)光纖液位測量裝置不能滿足上述要求。例如，機械式液位傳感器易受油料黏度的影響、浮球或浮子機械性能的制約，安裝復(fù)雜，可操作性差。電學(xué)式液位傳感器不能廣泛應(yīng)用在易燃易爆的工作環(huán)境。而超聲波式液位傳感器易受介質(zhì)的密度、濃度、溫度等因素影響。光學(xué)式光纖液位傳感器易受光源和液面波動、液體粘滯性、液體折射率等因素的影響，存在裝置體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝繁瑣、檢測動態(tài)范圍小、連續(xù)性差、精度不高等問題。

利用半導(dǎo)體鍵合技術(shù)在周邊固定的圓形硅橫隔膜下端中心處鍵合一凸臺(光纖中心軸線垂直于其中心)，選取不同熱膨脹系數(shù)材料制作凸臺和腔臂來抵消溫度效應(yīng)對腔長(腔臂長度與凸臺長度差值)的影響；此外，在硅橫隔膜上鍵合凸臺保證腔端面平行度還可抑制信號平均效應(yīng)和零壓力偏移效應(yīng)，方便在凸臺上鍍高反射膜并使高反射膜不在硅橫隔膜形變時發(fā)生破壞，基于此原理制作的傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖7所示[55]，一定高度液體通過導(dǎo)液孔進入傳感器內(nèi)空腔作用在三級密封高壓油腔上，對于每一個油腔而言，液體的壓力能夠無差別的向各個方向傳遞，最終液體壓力作用在第3個密封油腔最下端敏感硅片上并使其發(fā)生納米級微線性位移，調(diào)制敏感Fabry-Perot腔腔長，檢測輸出反射干涉光強變化即可測量出液體壓力(液位高度)。

圖7 高精度連續(xù)型EFPC光纖液位傳感器結(jié)構(gòu)

工作于線性區(qū)的傳感器融合了光波干涉技術(shù)和強度解調(diào)技術(shù)的優(yōu)點，利用特定液體高度與液壓成正比的關(guān)系，測量輸出反射干涉光強值即可實現(xiàn)對液位信息高精度、連續(xù)性的檢測。該傳感裝置具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、精度高、動態(tài)范圍大、響應(yīng)速度快、易于網(wǎng)絡(luò)化、便于遠程監(jiān)控、價格便宜、本質(zhì)安全防爆、運行可靠、安裝簡便、可操作性強、能全天候連續(xù)實現(xiàn)在線自動檢測等優(yōu)點，可以滿足石油儲備庫對儲油罐液位的測量要求，具有很強的實用性和推廣價值。

4 結(jié)束語

基于敏感Fabry-Perot腔的光纖壓力傳感器測量外界應(yīng)變的主要原理就是利用外界應(yīng)變誘導(dǎo)敏感腔的敏感端面，無論信號解調(diào)采用強度解調(diào)還是波長解調(diào)，調(diào)制腔長通常要發(fā)生納米級微線性位移，只有在此條件下才有可能實現(xiàn)傳感器工作于線性工作區(qū)。因此此類型傳感器今后研究中必須解決以下幾個關(guān)鍵問題：

(1)被測量應(yīng)變在一定量程范圍內(nèi)變化時誘導(dǎo)敏感端面發(fā)生微線性位移通常在λ/8范圍內(nèi)，只有在此條件下才能使敏感腔輸出曲線位于1/4周期曲線范圍內(nèi)，從而提高測量精度減小非線性誤差；

(2)敏感端面材料選擇是此類型傳感器至關(guān)重要的問題，它直接決定傳感器的主要性能指標(biāo)，如量程、響應(yīng)速度、可重復(fù)性、測量精度等；

(3)傳感器的封裝技術(shù)直接決定傳感器能否實現(xiàn)實用化；

(4)如何在實際運用中方便地利用傳感器對被測應(yīng)變進行測量；

(5)如何實現(xiàn)對傳感器信號高速解調(diào)，同時要求解調(diào)的精度高，受外界干擾小，提高測量精度。

[1] RAO Y J．Recent progress in fiber-optic extrinsic Fabry-Perot interferometric sensors．Opt．Fiber．Technol．,2006,12(3):227-237．

[2] LEE B H,KIM Y H,PARK K S,et al．Interferometric fiber optic sensors．Sensors,2012,12:2467-2486．

[3] 王廷云，孫圣和，鄭繩楦．用Fabry-Perot干涉儀建立的光纖電流傳感器．傳感技術(shù)學(xué)報,1997(3)：17-21．

[4] LU T,LANG X L,HAN Y L．Optical fiber sensor for small angle and infinite angle detection．Rev．Sci．Instrum．,2008,79(5):053105．

[5] 江紹基，朱析，汪河洲 等．非對稱型法布里-珀羅光纖顱內(nèi)壓傳感器．中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志,2005,22(3):548-550．

[6] XU J C,WANG X W,KRISTIE L C,et al．Miniature temperatue-insensitive Fabry-Perot fiber-optic pressure sensor．IEEE Photon．Technol．Lett．,2006,18(10):1134-1136．

[7] ZHU Y Z,WANG A B．Miniature fiber-optic pressure sensor．IEEE Photon．Technol．Lett．,2005,17(2):447-449．

[8] YU Q X,ZHOU X L．Pressure sensor based on the fiber-optic extrinsic Fabry-Perot interferometer．Photonic Sensors,2011,1(1):72-83．

[9] ZHOU M D,YANG C,LIU Z．An implantable Fabry-Perot pressure sensor fabricated on left ventricular assist device for heart failure．Biomed．Microdevices．,2012,14:235-245．

[10] PEVEC S,DONLAGIC D．All-fiber,long-active-length Fabry-Perot strain sensor．Opt．Express．,2011,19(16):15641-15651．

[11] 楊秀芳，王小明，高宗海，等．基于法布里-珀羅干涉儀的液體濃度實時檢測系統(tǒng)的研究．光學(xué)學(xué)報,2005,25(10):1343-1346．

[12] 吳文江，杜彥良，丁萬斌．法布里-珀羅光纖傳感器在橋梁健康監(jiān)測中的應(yīng)用．中國安全科學(xué)學(xué)報,2003,13(10):46-48．

[13] 黃尚廉，陳偉民，饒云江，等．光纖應(yīng)變傳感器及其在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用．測控技術(shù),2004,23(5):1-4．

[14] TRAN T A,MILLER III W V,MURPHY K A,et al．Stabilized extrinsic fiber-optic Fizeau sensor for surface acoustic wave detection．J．Lightwave Technol．,1992,10(10):1499-1506．

[15] 江紹基，曾斌，梁有程，等．實現(xiàn)微位移測量的非本征法布里-珀羅干涉型光纖傳感器．光學(xué)技術(shù),2005,31(4):595-597．

[16] 魏仁選，姜德生．光纖F-P微位移測量實驗研究．光學(xué)儀器,2003,25(5):7-9．

[17] WANG Y C,SH YU L H,CHANG C P．The comparison of environmental effects on Michelson and Fabry-Perot interferometers utilized for the displacement measurement．Sensors,2010,10:2577-2586．

[18] MORO E A,TODD M D,PUCKETT A D．Dynamics of a noncontacting,white light Fabry-Perot interferometer displacement sensor．Appl．Opt．,2012,51(19):4394-4402．

[19] 畢衛(wèi)紅，王昕，郎利影．光纖Fabry-Perot干涉式溫度測量．光電子激光,2002,13(12):1316-1317．

[20] 魏仁選，姜德生．基于F-P干涉波長的折射率測量．中國激光，2003,30(6)：551-554．

[21] 劉為俊，饒云江，冉曾令，等．基于激光微加工的新型光纖法布里-珀羅折射率傳感器．光學(xué)學(xué)報,2008,28(7):1400-1404．

[22] GAO R,JIANG Y,DING W H,et al．Filmed extrinsic Fabry-Perot interferometeric sensors for the measurement of arbitrary refractive index of liquid．Sens．Actuators B．,2013,177:924-928．

[23] HUANG J,WANG T,HUA L,et al.A coaxial cable Fabry-Perot interferometer for sensing applications．Sensors,2013,13:15252-15260．

[24] JIANG M,LI Q,WANG J N,et al．Optical response of fiber-optic Fabry-Perot refractive-index tip sensor coated with polyelectrolyte multilayer ultra-thin films．J．Light．Tech．,2013,31(14):2321-2326．

[25] SONG J,WANG L,JIN L,et al．Intensity-interrogated sensor based on cascaded Fabry-Perot laser and microring resonator．J．Light．Tech．,2012,30(17):2901-2906．

[26] 江毅,劉莉．光纖Fabry-Perot腔振動傳感器．光子學(xué)報,2003，32(9)：1059-1062．

[27] WANG W H,LI F．Large-range liquid level sensor based on an optical fibre extrinsic Fabry-Perot interferometer．Optics and Lasers in Engineering,2014,52:201-205．

[28] CHEN L H,LI T,CHAN C C,et al．Chitosan based fiber-optic Fabry-Perot humidity sensor．Sens．Actuators B．,2012,169:167-172．

[29] GONG Y,YU C,WANG T T,et al．Highly sensitive force sensor based on optical microfiber asymmetrical Fabry-Perot interferometer．Opt．Express．,2014,22(3) 3578-3584．

[30] PEVEC S,DONIAGIC D．Miniature all-fiber Fabry-Perot sensor for simultaneous measurement for pressure and temperature．Appl．Opt．,2012,51(19):4536-4541．

[31] BAE H,YUN D,LIU H,et al．Hybrid miniature Fabry-Perot sensor with dual optical cavities for simultaneous pressure and temperature measurements．J．Light．Tech．,2014,32(8):1585-1593．

[32] TAKAHASHI K,OYAMA H,MISAWA N,et al．Surface stress sensor using MEMS-based Fabry-Perot interferometer for label-free biosensing．Sens．Actuators B．,2013,188:393-399．

[33] 靳偉，阮雙?。饫w傳感技術(shù)新進展．北京：科學(xué)出版社，2005．

[34] 陳偉民，朱永，唐曉初,等．光纖法布里-珀羅傳感器串連復(fù)用的傅里葉變換解調(diào)方法初探．光學(xué)學(xué)報,2004,24(11):1481-1486．

[35] 章鵬，朱永，雷小華，等．光纖法-珀傳感器并聯(lián)復(fù)用的互相關(guān)解調(diào)．光電工程,2004,31 (11):70-72．

[36] 趙中華，高應(yīng)俊，駱宇鋒，等．干涉條紋計數(shù)法光纖Fabry-Perot腔液位傳感器．光子學(xué)報，2008,37(7):1369-1372．

[37] YUAN L B，YANG J．Tunable Fabry-Perot-resonator-based fiber-optic white-light，interferometric sensor array．Opt．Lett．,2008,33(16):1780-1782．

[38] 呂濤，劉德森，劉志麟，等．基于非本征Fabry-Perot腔光纖液位傳感器研究．光子學(xué)報，2007,36(4):690-693．

[39] CIBULA E,DONLAGIC D．In-line short cavity Fabry-Perot strain sensor for quasi distributed measurement utilizing standard OTDR．Opt．Express．,2007,15(14):8719-8730．

[40] RAO Y J,DENG M,DUAN D W,et al．Micro Fabry-Perot interferometers in silica fibers machined by femtosecond laser．Opt．Express．,2007,15(21):14123-14128．

[41] ABEYSINGHE D C,DASGUPTA S,BOYD J T,et al．A novel MEMS pressure sensor fabricated on an optical fiber．IEEE Photon．Technol．Lett．,2001,13(9):993-995．

[42] WOLTHUIS R A,MITCHELL G L,SAASKI E,et al．Deveopment of medical pressure and temperature sensors employing optical spectrum modulation．IEEE Trans．Biomed．Eng．,1991,38(10):974-981．

[43] ZHOU J,DASGUPTA S,KOBAYASHI H,et al．Optically interrogated MEMS pressure sensors for propelsion applications．Opt．Eng．,2001,40(4):598-604．

[44] LI W Z,ABEYSINGHE D C,BOYD J T．Wavelength multiplexing of microelectromechanical system pressure and temperature sensors using fiber Bragg gratings and arrayed waveguide gratings．Opt．Eng．,2003,42(2):431-438．

[45] LI M，WANG M．Optical MEMS pressure sensor based on Fabry-Perot interfereometry．Opt．Express．,2006,14(4):1497-1504．

[46] WANG W J,LIN R M,GUO D G,et al．Development of a novel Fabry-Perot pressure microsensor．Sens．Actuators A．,2004,116:59-65．

[47] 陳緒興，王鳴，戎華，等．基于波長解調(diào)的Fabry-Perot型光纖MEMS壓力傳感器的設(shè)計．傳感技術(shù)學(xué)報,2006,19(5):1875-1877．

[48] XU J C,PICKRELL G R,COOPER K L,et al．Precise cavity length control in fiber optic extrinsic Fabry-Perot interfereometers．2005 Conference on Lasers & Electro optics (CLEO)，2005:1748-1750．

[49] 雷小華，劉國平，陳星，等．一種用于光纖F-P傳感器的微納米級微位移工作臺的研究．光子學(xué)報,2006，27(6)：653-656．

[50] MARCUSE D，STONE J．Coupling efficiency of front surface and multilayer mirrors as fiber-end reflectors．J．Lightwave Technol．,1986,LT-4(4):377-381．

[51] ARYA V,VRIES M D,ATHREYA M,et al．Analysis of the effect of imperfect fiber endfaces on the performance of extrinsic Fabry-Perot interfereometric optical fiber sensors．Opt．Eng．,1996,35(8):2262-2265．

[52] ARYA V,VRIES M D,MURPHY K A,et al．Exact analysis of the EFPI optical fiber sensor using Kirchhoff’s diffraction formalism．Opt．Fiber Technol．,1995(1)：380-384．

[53] 呂濤，杜秋姣，畢潔，等．腔長損耗對非本征F-P腔光纖傳感器的影響．光電工程,2007，34(8)：130-133．

[54] MURPHY K A,GUNTHER M F,VENGSARKAR A M,et al．Quadrature phase-shifted,extrinsic Fabry-Perot optical fiber sensors．Opt．Lett．,1991,16 (4):273-275．

[55] LV T，YANG S P．Extrinsic Fabry-Perot cavity optical fiber liquid-level sensor．Appl．Opt．,2007,46 (18):2682-2687．

[56] 呂濤,劉德森,何開華．非本征敏感法布里-珀羅腔高精度光纖液位傳感器輸出特性．光學(xué)學(xué)報,2006，26(11)：1614-1618．

[57] LV T,LI Z J,XIA D Q,et al．An asymmetric Fabry-Perot fiber-optic pressure sensor for liquid-level measurement．Rev．Sci．Instrum．,2009,80(3):033104．[58] 呂濤．溫度效應(yīng)對F-P腔光纖液位傳感器系統(tǒng)的影響及自補償．光子學(xué)報,2007，36(8)：1471-1474．

[59] HAN J,KIM J,KIM T S,et al．Performance of Fabry-Perot microcavity structures with corrugated diaphragms．Sens．Actuators A．,2000,79:162-172．

[60] 張愛斌，阮捷，曹振新．浮筒式光纖液位傳感器的研究．工業(yè)儀表與自動化裝置,2000(1):43-44．

[61] REVERTER F,LI X J,MCIJER G C M．Liquid-level measurement system based on a remote grounded capacitive sensor．Sens．a(chǎn)nd Actuators A．,2007，138:1-8．

[62] OSBORNE R,WARD M,DAWKINS K．A micro-machined acoustic sensor array for fuel level indication．Sens．Actuators A．,2004,115:385-391．

[63] 李敏哲，趙繼印，李建坡．基于超聲波傳感器的無線液位測量系統(tǒng)．儀表技術(shù)與傳感器,2005(11):35-36．

[64] SANTE R D．Time domain reflectometry-based liquid level sensor．Rev．Sci．Instrum．,2005(76):095107．

[65] 能長偉，李思敏．基于光纖傳感器的分布式液位測控系統(tǒng)．儀表技術(shù)與傳感器,2008(8)：5-7．

[66] GHOSH A K,BEDI N S,PAUL P．Package design for low-cost optical liquid-level sensors．Opt．Eng．,2000,39(5):1405-1412．

[67] NATH P,DATTA,P,SAMA K C．All fiber-optic sensor for liquid level measurement．Microwave and Optical Technology Letters．,2008,50(7):1982-1984．

[68] CHANDANL S M,JAEGER N A F．Optical fiber-based liquid level sensor．Opt．Eng．,2007,46(11):114401.

[69] 管愛紅，余小戈，王曉旭,等．觸點式光纖液位傳感器傳感頭的制作及其應(yīng)用．光學(xué)技術(shù),2002,28(2):113-117．

[70] 李國哲，于清旭．基于光纖受抑全內(nèi)反射原理的高精度液位傳感器研究．儀表技術(shù)與傳感器,2004(2):50-54．

[71] WEISS J D．Fluorescent optical liquid-level sensor．Opt．Eng．,2000,39(8):2198-2213．

[72] GOLNABI H,JAFARI R．Design and performance of an optical fiber sensor based on light leakage．Rev．Sci．Instrum．,2006，77:066103．

[73] KHALIQ S,JAMES S W,TATAM R P．Fiber-optic liquid-level sensor using a long-period grating．Opt．Lett．,2001,26(16):1224-1226

[74] GUO T,ZHAO Q D,DOU Q Y,et al．Temperature-insensitive fiber Bragg grating liquid-level sensor based on bending cantilever beam．IEEE Photon．Technol．Lett．,2005,17(11):2400-2402．

Research Advances of Extrinsic Fabry-Perot Cavity Optical Fiber Pressure Sensors

LU Tao

(School of Mathematics and Physics,China University of Geosciences,Wuhan 430074，China)

Optical fiber sensors based on sensitive Fabry-Perot cavity have been widely investigated,which can be used to measure outside strains．The development process of extrinsic Fabry-Perot cavity optical fiber pressure sensors and some critical problems needed to be solved in practice were all introduced．These problems are relevant to the structure design of sensors,such as selecting sensitive material,selecting original cavity length and its control,and positing static operation point and its self-compensation．

optical fiber sensor;Fabry-Perot cavity;sensitive material;static operation point;cavity length

武漢市青年科技晨光計劃項目(201271031430)；中國博士后面上基金項目(2014M552104)；江蘇省醫(yī)用光學(xué)重點實驗室開放基金項目(JKLMO201405)；湖北省自然科學(xué)基金項目(2014CFB335)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金項目(CUG120110)

2014-08-28 收修改稿日期:2015-02-23

TP212

A

1002-1841(2015)07-0001-06

呂濤(1977—)，副教授，博士后，主要從事光纖傳感器和激光醫(yī)學(xué)研究。E-mail:lvtaohn@sina．com