光纖法布里-珀羅傳感器及其高溫應(yīng)用*

毛國培，李金洋，史 青

（北京遙測技術(shù)研究所 北京 100076）

引 言

隨著我國航天事業(yè)發(fā)展，運載火箭載荷負(fù)載能力和發(fā)射頻次不斷提高。以大推力重型運載火箭為代表的新一代航天飛行器，其工況更加惡劣，發(fā)動機燃燒室管路、渦輪、噴管等結(jié)構(gòu)承受嚴(yán)苛的熱、力交變載荷，對結(jié)構(gòu)及發(fā)動機流場狀態(tài)提出了新的挑戰(zhàn)，亟需開展精細(xì)化設(shè)計，提升火箭可靠性。

另一方面，開展有效設(shè)計的前提是準(zhǔn)確識別運載火箭實際載荷分布、結(jié)構(gòu)和流場狀態(tài)。同時，運載火箭結(jié)構(gòu)空間構(gòu)型復(fù)雜，傳統(tǒng)高溫原位測量技術(shù)手段已經(jīng)難以滿足測試需求。

光纖傳感作為一種新興傳感技術(shù)，具有尺寸小、質(zhì)量輕、耐高溫、抗電磁干擾、易于復(fù)用等優(yōu)點。光纖密度為2.32g/cm3，是金屬銅的四分之一，光纖直徑僅為125μm，相較傳統(tǒng)的電信號傳感器，不僅減少了傳輸線纜的數(shù)量，單根光纜的質(zhì)量也小于電纜質(zhì)量。利用光纖傳感器進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，可以大幅減少監(jiān)測系統(tǒng)的質(zhì)量，對于航空航天等領(lǐng)域具有重大意義[1]。不同種類的光纖傳感器，如光纖布拉格光柵、法布里-珀羅FP（Fabry-Perot）傳感器、長周期光纖光柵以及它們之間的組合傳感器，都已經(jīng)成功應(yīng)用于應(yīng)變、溫度、壓力、位移等物理量的監(jiān)測。其中，光纖布拉格光柵局限于紫外調(diào)制的制作機理，高溫下柵區(qū)會發(fā)生退化，難以長時間工作在大于200°C的高溫環(huán)境。長周期光纖光柵存在結(jié)構(gòu)缺陷，導(dǎo)致機械性能較差，而且高溫響應(yīng)不具有重復(fù)性[2]。

本文主要圍繞FP傳感器，闡述其在高溫溫度、高溫應(yīng)變、高溫壓力方面的應(yīng)用進(jìn)展。光纖FP傳感器根據(jù)形成法珀腔結(jié)構(gòu)的不同可以分為本征型光纖法珀傳感器（IFPI）和非本征型光纖法珀傳感器（EFPI）。IFPI傳感器調(diào)制區(qū)位于光纖內(nèi)，光纖既是傳光介質(zhì)，也是敏感元件，通過調(diào)制區(qū)光學(xué)性質(zhì)變化實現(xiàn)傳感監(jiān)測；EFPI傳感器是借助其它敏感元件感知被測信息，光纖只起到傳導(dǎo)光的作用，不是連續(xù)的。1988年C.E.Lee等通過磁控濺射在光纖端面形成了TiO2反射膜，成功制作了首支IFPI傳感器[3]。隨后Kent A.Murphy 等人將兩根光纖相對插入準(zhǔn)直毛細(xì)管內(nèi)，并采用環(huán)氧樹脂將光纖和毛細(xì)管粘接固定，從而形成了最早的EFPI傳感器，并成功應(yīng)用于F15戰(zhàn)斗機[4,5]。EFPI傳感器中法珀腔由空氣或者其它導(dǎo)光介質(zhì)構(gòu)成，結(jié)構(gòu)更加靈活，選擇更加多樣，尤其是大動態(tài)范圍的測量，IFPI受限于光纖性能難以勝任，因此，EFPI在實驗研究和工程應(yīng)用中都更加普遍。

1 FP傳感器結(jié)構(gòu)及原理

光纖FP傳感器是一種干涉型光纖傳感器，通過光纖端面間的多次反射形成干涉光譜，以EFPI傳感器為例，兩個光纖端面可以視為反射面，入射光在兩個反射面之間多次反射形成干涉，如圖1所示。

由于兩根單模光纖材質(zhì)相同，設(shè)兩個反射端面的反射率均為R，入射光波長為λ，光強為I0，相鄰兩束干涉光的相位為φ，F(xiàn)P腔折射率為n，長度為L，入射光與反射端面之間的夾角為θ，根據(jù)多光束干涉原理可知，F(xiàn)P腔發(fā)射光強為

圖1 EFPI干涉示意Fig.1 A schematic diagram of the EFPI interference

其中，相位差為

單模光纖中入射光通常是正入射到FP腔中，因此cosθ≈1，附加的相位π為光疏介質(zhì)入射到光密介質(zhì)發(fā)生反射時產(chǎn)生的半波損耗引起的相位差。對于端面處理良好的光纖，R≈0.04，R?1，此時，多光束干涉可簡化為雙光束干涉，故式（1）可寫為

在相位解調(diào)過程中，干涉光譜為余弦譜線。當(dāng)干涉光譜的光強為極大值和極小值時，分別滿足如下關(guān)系式

當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時，腔長變?yōu)長+LΔ，此時，對應(yīng)的干涉光譜波峰位置也會發(fā)生位移，波長變?yōu)棣?λΔ，滿足

聯(lián)合式（4）和式（6），在腔長變化范圍小于波長的情況下，可得

光纖傳感器利用光纖對某些特定物理量敏感的特性，能夠?qū)⑼饨缥锢砹康淖兓D(zhuǎn)換成光信號的變化。當(dāng)被測結(jié)構(gòu)的溫度、壓力、應(yīng)變、位移等物理量中的一種發(fā)生變化時，這種變化作用到光纖FP傳感器上，引起FP腔長L發(fā)生變化，因此，通過監(jiān)測干涉光譜波峰波長變化獲取腔長L，就能對這種變化的物理量進(jìn)行監(jiān)測。

2 高溫應(yīng)用

2.1 高溫溫度

在溫度測量方面，航空航天發(fā)動機、油井勘探、鋼鐵冶煉等應(yīng)用場景往往會面臨數(shù)百甚至上千攝氏度的高溫。雖然石英光纖耐溫極限超過1000°C，但是各種研究表明，光纖涂覆層是其耐溫最薄弱環(huán)節(jié)，普通光纖的丙烯酸脂涂層耐溫極限不超過250°C，采用聚酰亞胺涂層可以將耐溫極限提升至400°C，使用鍍金涂層的光纖可以工作在800°C環(huán)境[6]。對于1000°C以上的工作環(huán)境，需要采用耐溫性能更好的藍(lán)寶石光纖。藍(lán)寶石光纖熔點高達(dá)2043°C，在1600°C以上的超高溫環(huán)境下仍然具有良好的光學(xué)性能，是目前超高溫光纖傳感的唯一選擇。

L Xu等人通過將一小段單模PCF光纖與普通單模光纖進(jìn)行熔接，熔接時PCF光纖的空氣孔塌陷，從而形成法珀腔，該傳感器可以在800°C以下的環(huán)境中長時間工作[7]。南京大學(xué)J Kou等人將石英光纖進(jìn)行拉錐，通過激光刻蝕在錐區(qū)得到一個約4.4μm的空氣微腔，該傳感探頭溫度靈敏度達(dá)到20pm/°C，可以在超大溫度梯度的復(fù)雜環(huán)境中工作，并且需要的安裝空間較小[8]。M Yang等人通過物理氣相沉積的方法在多模光纖端面先后鍍上ZrO2、Al2O3、ZrO2薄膜，傳感器可以實現(xiàn) 250°C～750°C溫度測量，其靈敏度約5.4pm/°C[9]。美國Luna公司的Elster等人將EFPI溫度傳感器應(yīng)用在波音公司的飛機結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中，該試驗完成了高溫傳感系統(tǒng)安裝流程、數(shù)據(jù)處理及傳感器耐溫性能的驗證[10]。

對于藍(lán)寶石高溫溫度傳感器的研究，美國弗吉尼亞大學(xué)A Wang團(tuán)隊成功在藍(lán)寶石光纖端面制作FP腔，然后與單模光纖熔接形成光纖FP溫度傳感器，實現(xiàn)了310°C～976°C溫度測量，溫度分辨率達(dá)到0.2°C[11]。在之后的研究中，該團(tuán)隊通過把藍(lán)寶石晶片安裝在藍(lán)寶石光纖的一端形成FP腔，藍(lán)寶石晶片產(chǎn)生的干涉信號經(jīng)過藍(lán)寶石光纖和石英光纖傳輸至分光計，隨后對干涉信號進(jìn)行解調(diào)。在實驗室條件下實現(xiàn)了1593°C的高溫測量，并且測試誤差小于1°C[12]。

電子科技大學(xué)的饒云江等通過激光微加工技術(shù)，在石英光纖和藍(lán)寶石光纖端面制備微型FP腔，并分別與石英光纖熔接，形成的FP溫度傳感器均能實現(xiàn)100°C～1100°C溫度測量，經(jīng)過對比，藍(lán)寶石FP腔的溫度靈敏度是石英FP腔的5倍[13]。

天津大學(xué)劉鐵根等采用藍(lán)寶石芯片和藍(lán)寶石光纖形成FP腔，并通過在非高溫區(qū)熔接普通多模光纖的方法得到了成本可控的超高溫光纖溫度傳感器，該傳感器在130°C～1080°C范圍內(nèi)的靈敏度能夠達(dá)到3.11nm/°C，測試溫差小于±3°C[14]。該傳感器結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，并且具有較高測試精度，對于航空航天等高溫工業(yè)應(yīng)用具有一定的參考價值。

圖2 藍(lán)寶石光纖FP腔傳感器Fig.2 Sapphire fiber sensor based on FP cavity

圖3 藍(lán)寶石光纖與石英光纖熔接Fig.3 Schematic diagram of sapphire fiber and quartz fiber fusion

在實驗室條件下，利用藍(lán)寶石光纖已經(jīng)能夠?qū)?600℃以下的溫度進(jìn)行監(jiān)測，并且誤差較小，但是距離實際工程應(yīng)用還有較大的差距。工程化應(yīng)用不僅需要能夠在惡劣的環(huán)境下對溫度變化做出快速、準(zhǔn)確響應(yīng)的傳感探頭，還需要針對測試環(huán)境設(shè)計可靠的安裝方案。缺乏穩(wěn)定、可操作性強的安裝方案已經(jīng)成為制約高溫光纖傳感器應(yīng)用的重要原因之一。目前，高溫環(huán)境下光纖傳感器的安裝方式主要分為膠粘、焊接、等離子噴涂三種。膠粘可以適用于大部分工況，但是選擇一款粘接性強、性能穩(wěn)定、固化簡單的膠需要大量篩選實驗；焊接對于安裝環(huán)境要求高，可適用范圍小，并且隨著測試溫度不斷升高，傳感器各組件材料熱膨脹系數(shù)差異帶來的影響越來越明顯，焊接安裝容易引入一個較大的內(nèi)部應(yīng)力。等離子噴涂系統(tǒng)龐大，難以運輸?shù)桨惭b現(xiàn)場，并且不適用于狹窄的安裝面。因此，在未來的一段時間內(nèi)，對于FP高溫溫度傳感器工程化應(yīng)用的研究，將主要集中在傳感器安裝工藝方面的攻關(guān)。

2.2 高溫應(yīng)變

監(jiān)測結(jié)構(gòu)在高溫環(huán)境下的力學(xué)特性，尤其是結(jié)構(gòu)的應(yīng)變特性，是結(jié)構(gòu)健康評估、力學(xué)性能優(yōu)化的關(guān)鍵。結(jié)構(gòu)高溫狀態(tài)下的應(yīng)變測試方法有很多種，如圖4所示。美國NASA研究指出，普通箔式應(yīng)變片只能工作在400°C以下的環(huán)境中，1000°C以上的環(huán)境只能選用線擾式應(yīng)變計或者光纖傳感器[15]。在光纖高溫應(yīng)變測試方法中，主要有光纖光柵和光纖FP測試技術(shù)兩種。本節(jié)主要討論光纖FP傳感器在高溫環(huán)境下的應(yīng)變測試應(yīng)用。

圖4 高溫應(yīng)變測試技術(shù)對比Fig.4 Comparison of high temperature strain testing techniques

電子科技大學(xué)饒云江等采用157nm激光制作的光子晶體光纖法布里-珀羅傳感器，應(yīng)變靈敏度為5.93nm/με，實驗表明，該微腔不受溫度的影響，800°C范圍內(nèi)腔長變化僅20nm，溫度與應(yīng)變的交叉敏感度約為0.075με/°C[16]。

X Liao等結(jié)合長周期光柵和FP腔實現(xiàn)溫度和應(yīng)變的同時測量，完成了500°C環(huán)境500μ?的測量[17]。重慶大學(xué)的 M Deng通過將多模光子晶體光纖與普通單模光纖焊接，完成了750°C高溫環(huán)境下1850με測量[18]。A Wang等通過激光熱熔技術(shù)將光纖和準(zhǔn)直毛細(xì)管焊接在一起，采用該方法制作的FP應(yīng)變傳感器成功避免了高溫退化等問題[19]。但是采用刻蝕熔接形成的FP腔在結(jié)構(gòu)上具有缺陷，應(yīng)變測量范圍有限。在之前的報道中，這類結(jié)構(gòu)測量溫度甚至可以達(dá)到1000°C，但是應(yīng)變普遍小于3000μ?。采用非連續(xù)光纖的EFPI傳感器則沒有這種限制。

武漢大學(xué)熊麗等在發(fā)表的論文中采用兩段自由光纖在毛細(xì)管中形成FP腔結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了500°C下10000μ?的測量[20]。Y Huang等提出一種結(jié)合EFPI和LPFG的準(zhǔn)分布光纖傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)700°C環(huán)境下12%應(yīng)變測量，局限于試驗條件，完成了700°C、60000μ?的同時測試試驗，該傳感器可以用于建筑物在地震等大應(yīng)變條件下的健康監(jiān)測[21]。

光纖FP高溫應(yīng)變傳感器的工程化應(yīng)用一直是一個難題。NASA德萊頓飛行研究中心針對X37飛行器的襟副翼和方向升降舵進(jìn)行了詳細(xì)的仿真和試驗研究，并提出了基于光纖EFPI高溫應(yīng)變傳感器。光纖EFPI高溫應(yīng)變傳感器如圖5所示，由鍍金光纖和石英套管構(gòu)成，并由等離子噴涂工藝固定在待測結(jié)構(gòu)體上[15]。

圖5 NASA制作的高溫應(yīng)變傳感器Fig.5 High temperature strain sensor made by NASA

美國Missouri大學(xué)的Kaur等人提出了一種耐高溫可嵌入式光纖EFPI應(yīng)變傳感器。采用飛秒激光器加工的傳感器能夠在800°C環(huán)境下穩(wěn)定工作，并且驗證了傳感器與航天用復(fù)合材料擁有良好的兼容性。如圖6所示，該團(tuán)隊將傳感器嵌入航天用復(fù)合材料中，在0～4000μ?的測試范圍內(nèi)，傳感器展示了高度的線性應(yīng)變特性[22]。

圖6 傳感器嵌入示意圖及顯微圖像Fig.6 An image of a sensor embedded under a microscope

應(yīng)變監(jiān)測對于航天飛行器、運載火箭、彈道導(dǎo)彈等國防基礎(chǔ)科研具有重要指導(dǎo)意義。近年來，美國及歐洲發(fā)達(dá)國家不斷增加研發(fā)費用，搶占耐溫超過800℃應(yīng)變傳感器研制技術(shù)的制高點。目前，美國、德國、俄羅斯、日本都已經(jīng)成功研發(fā)出超過800℃的高溫應(yīng)變傳感器，處于技術(shù)領(lǐng)先狀態(tài)，但這些先進(jìn)傳感器始終對中國禁運。國內(nèi)相關(guān)技術(shù)發(fā)展較晚，與國際領(lǐng)先水平仍然有一定差距，基本都是模仿國外技術(shù)路線。基于EFPI的高溫應(yīng)變傳感探頭結(jié)構(gòu)簡單、易于制作，但是和高溫溫度傳感器一樣，高溫應(yīng)變傳感器也面臨著傳感器安裝困難的技術(shù)難點。除此之外，國內(nèi)沒有高溫應(yīng)變傳感器的專用測試設(shè)備，測試設(shè)備基本都是由研究單位改造得到。目前，已經(jīng)有多家單位建立了高溫應(yīng)變傳感器攻關(guān)團(tuán)隊，如北京遙測技術(shù)研究所、天津大學(xué)、電子科技大學(xué)、北京環(huán)境強度研究所等，但是距離工程應(yīng)用還有一定距離。

2.3 高溫壓力

光纖壓力傳感器的研究起始于上世紀(jì)七十年代，目前，全球范圍內(nèi)已經(jīng)有幾家機構(gòu)推出了光纖FP壓力傳感器，但受限于測試系統(tǒng)的可靠性、溫度與壓力的交叉影響、傳感器的封裝與現(xiàn)場安裝等關(guān)鍵技術(shù)難題，還沒有一家能夠完全解決高溫壓力精密測試，只能滿足部分實際需求[23]。由于傳感器制作依賴手工，測試重復(fù)性差，導(dǎo)致傳感器目前仍然無法量產(chǎn)和工程化。光纖原理的壓力傳感器國內(nèi)研究較少，美國NASA、英國Oxsensis、歐洲航空局、美國Luna公司、Florida大學(xué)、Virginia理工大學(xué)，都相應(yīng)開展了基于FP腔超高溫壓力傳感器的研究，其研究方向集中在利用MEMS技術(shù)與光纖技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)全SiC或全藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)的敏感芯片。

英國Oxsensis公司從2005年開始研制基于光纖FP干涉原理的高溫壓力傳感器，并與阿爾斯通、西門子、斯奈克瑪?shù)裙竞献鲝V泛，近年來，該公司已推出多款商業(yè)化高溫壓力產(chǎn)品，可以連續(xù)工作在750°C高溫下，并可以短時間耐受1000°C的高溫[24,25]，傳感器如圖7所示。2016年，Oxsensis公司參與了由Rolls-Royce公司和英國航空工業(yè)研究所發(fā)起的發(fā)動機健康監(jiān)測系統(tǒng)E2EEHM（the end to end engine health management programme）的研發(fā)，旨在利用光纖傳感器系統(tǒng)一體化解決發(fā)動機關(guān)鍵參數(shù)的原位監(jiān)測難題。

圖7 英國Oxsensis公司高溫壓力傳感器Fig.7 High temperature pressure sensors for the company of Oxsensis

美國Luna Innovation公司在光纖傳感領(lǐng)域享有盛名，其光纖高溫傳感器主要面向NASA和美國空軍。該公司集中利用MEMS技術(shù)與光纖技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了全SiC或藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)的敏感頭制備，其傳感器測量參數(shù)覆蓋溫度、壓力、加速度、摩擦力等，耐溫性能分別達(dá)到1400°C、800°C、850°C、870°C[26]。

Pulliam等人對EFPI壓力傳感器在渦輪發(fā)動機及高速燃燒室中的應(yīng)用進(jìn)行探討，并在渦輪發(fā)動機研究中心完成了對跨聲速風(fēng)扇的測試[27]。

電子科技大學(xué)饒云江課題組采用157nm深紫外激光，在石英和光子晶體光纖上加工制作微腔，分別實現(xiàn)了400°C和700°C高溫壓力的測量[28]。

天津大學(xué)劉鐵根等開發(fā)了微型光纖FP壓力傳感器、聲壓傳感器以及相應(yīng)的多通道解調(diào)儀，還對傳感器的封裝進(jìn)行了一定研究[29,30]。西北工業(yè)大學(xué)單寧等將EFPI壓力傳感器用于航空發(fā)動機葉片裂紋的監(jiān)測[31]。Fusiek等針對石油井下壓力測量需求，研究了專用光纖FP壓力傳感器，并對實際應(yīng)用工況進(jìn)行了考核[32]。但是這些傳感器使用溫度普遍較低。

目前，為了解決超高溫壓力傳感器的需求和壓力傳感器耐溫低之間的矛盾，在實際應(yīng)用中主要采用以下兩種替代方法：一是采用水冷或者氣冷的壓力傳感器，其工作溫度可以達(dá)到1000℃。二是引壓管結(jié)合常溫壓力傳感器的測量方法，溫度范圍更高。這兩種方法都具有著明顯的缺點：水冷式或氣冷系統(tǒng)比較復(fù)雜，將導(dǎo)致重量大大增加以及水冷或氣冷產(chǎn)生的安全問題，限制了該類型傳感器在航空發(fā)動機中的應(yīng)用；在引壓管結(jié)合常溫壓力傳感器的測量方法中，引壓管起著傳遞壓力和隔離熱量傳遞的功能，這樣不但會導(dǎo)致非原位測量準(zhǔn)確度不高，而且引壓會降低測量的動態(tài)特性，不能滿足實時動態(tài)壓力測量需求。因此，高溫環(huán)境下的壓力測量仍然是目前測量技術(shù)的一個瓶頸。

3 結(jié)束語

光纖FP傳感器自二十世紀(jì)九十年代問世以來，受到各國學(xué)者的廣泛關(guān)注，經(jīng)過二十多年的發(fā)展，高溫溫度、高溫應(yīng)變、高溫壓力等方面的研究碩果累累，并成功在石油煤礦、航空航天、電力系統(tǒng)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用?；谑⒐饫w的法布里-珀羅傳感器能夠應(yīng)用于1000°C以下的工作環(huán)境，不同環(huán)境溫度使用不同涂覆材質(zhì)，丙烯酸脂、聚酰亞胺及鍍金涂層耐溫極限分別為250°C、400°C、800°C，對于1000°C以上環(huán)境，目前，只能選擇藍(lán)寶石光纖作為敏感元件和傳光介質(zhì)。光纖FP傳感器在特殊、惡劣環(huán)境中應(yīng)用優(yōu)勢明顯，但是傳感器制作依然依賴手工，測試穩(wěn)定性、重復(fù)性較差，制作的傳感器需要逐個標(biāo)定，嚴(yán)重制約批量化生產(chǎn)。隨著工程應(yīng)用的深入，今后的研究方向?qū)@惡劣環(huán)境應(yīng)用需求，重點突破FP腔自動化、規(guī)模化生產(chǎn)工藝，傳感器現(xiàn)場安裝技術(shù)以及傳感系統(tǒng)的長期可靠性等關(guān)鍵技術(shù)?？梢灶A(yù)見，光纖FP傳感器高溫應(yīng)用將會是光纖傳感器未來的重點發(fā)展方向之一。