光纖法布里-珀羅干涉儀高溫傳感器研究進展

李愛武，單天奇，國 旗，潘學(xué)鵬，劉善仁，陳 超，于永森*

（1. 吉林大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院 集成光電子國家重點實驗室, 吉林 長春 130012；

2. 中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所 發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國家重點實驗室, 吉林 長春 130033）

1 引 言

光纖傳感技術(shù)是光電子技術(shù)的一個重要分支，在光電子領(lǐng)域扮演著十分重要的角色。近十多年來，隨著光纖通信技術(shù)[1]和半導(dǎo)體光電技術(shù)[2]等相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，光纖傳感技術(shù)日漸成熟[3]。與傳統(tǒng)的電傳感器相比，光纖傳感器具有抗電磁干擾能力強、靈敏度高、體積小、重量輕、可遠程監(jiān)控和可分布式傳感等優(yōu)點[4-6]，這使其廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域、能源領(lǐng)域、電力工業(yè)領(lǐng)域和周界安全領(lǐng)域等方面。

光纖傳感技術(shù)主要涉及不同類型光纖傳感器的開發(fā)和應(yīng)用。在目前已經(jīng)開發(fā)出的各種類型光纖傳感器中應(yīng)用比較廣泛的有光纖布拉格光柵[7-8](Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)、長周期光纖光柵[8-9](Long Period Fiber Grating，LPFG) 和幾種基于干涉原理的傳感器，包括馬赫-曾德爾干涉儀(Mach-Zehnder Interferometer，MZI)、邁克爾遜干涉儀(Michelson Interferometer，MI) 和法布里-珀羅干涉儀(Fabry-Perot Interferometer，F(xiàn)PI)等。

反射型光纖傳感器在環(huán)境動態(tài)監(jiān)測中具有較大的優(yōu)勢，特別是基于FBG 和FPI 結(jié)構(gòu)的高溫傳感探頭[10-12]已經(jīng)引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。其中FPI 傳感器具有尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單和靈敏度高等優(yōu)點，常被用于測量折射率[13]、溫度[14]和壓力[15]等參數(shù)，特別是當(dāng)測試位置在狹窄且封閉的空間時，F(xiàn)PI 傳感器能最大程度地發(fā)揮其優(yōu)勢。

本文從光纖FPI 高溫傳感器的傳感原理、傳感性能和傳感特性出發(fā)，對其溫度、壓力和應(yīng)變的靈敏度和測量范圍等特征參數(shù)進行歸納?？偨Y(jié)了光纖FPI 高溫傳感器的國內(nèi)外研究進展及性能參數(shù)。詳細介紹了光纖FPI 傳感器溫度和壓力的交叉敏感問題及解決方法和基于不同種類光纖的FPI 高溫傳感特性。總結(jié)了濕法化學(xué)腐蝕制備法、電弧放電制備法和飛秒激光加工制備法等光纖FPI 高溫傳感器的制作方法。另外針對近幾年光纖FPI 高溫傳感器的研究進展介紹了多種可用于雙參數(shù)測量的光纖FPI 高溫傳感器。最后對光纖FPI 高溫傳感器未來發(fā)展趨勢和前景進行了展望。

2 光纖法布里-珀羅干涉儀傳感器傳感原理

光纖FPI 傳感器是基于多光束干涉原理，其中多光束干涉是指一組相互平行并且任意兩束光之間光程差都相同且頻率相同的光束相干疊加。典型的FPI 通常由兩個平行的反射面構(gòu)成，如圖1 所示，當(dāng)一束光以傾角θ，入射到厚度為L的平行玻璃板時，光會發(fā)生多次反射，從而形成多光束干涉。

圖1 多光束干涉原理圖Fig. 1 Schematic diagram of multi-beam interference

并且無論是反射光還是透射光，任意兩束相鄰光束之間的相位差δ可都是相同的。相位差δ可由公式(1)計算：

在公式(1)中，λ0為光的波長，n為玻璃板的折射率，θt為射入玻璃板光束的折射角，L為玻璃板的厚度。反射面上的光強為：

其中I0為初始光源。透射面上的光強為：

其中T是玻璃板單面的透射率，R是玻璃板單面的反射率。從公式(1)可知，任意兩個相鄰光束的相位差δ由入射光的波長λ0，玻璃板的折射率n，玻璃板的厚度L和進入玻璃板光束的折射角θt共同決定。

光纖FPI 傳感器的兩個反射面可近似看作玻璃板的上下表面。當(dāng)傳感器受到環(huán)境的影響時，法珀腔內(nèi)部的折射率或腔長發(fā)生變化，表現(xiàn)為其反射譜的反射峰發(fā)生紅移或藍移。當(dāng)反射率非常低時，可以將多光束干涉近似地視為雙光束干涉。此時，F(xiàn)PI 干涉光譜的光強公式可以表示為：

其中，I1和I2分別是從FPI 兩個反射面反射的光的強度，而φ是FPI 隨壓力和溫度變化引起的相變，可以表示為：

其中n1是FPI 中法珀腔內(nèi)部的折射率，φ0是初相位，L是法珀腔的腔長，λ是入射光的波長。FPI干涉光譜的自由光譜范圍(Free Spectrum Range，F(xiàn)SR)為：

其中λ1是干涉波谷的波長，λ2是λ1相鄰干涉波谷的波長。

2.1 光纖FPI 傳感器的溫度傳感原理

當(dāng)外界溫度改變時，光纖的折射率以及長度會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致FPI 的相位發(fā)生變化，引起光纖FPI 的干涉譜發(fā)生移動。因此可以通過檢測其干涉譜的移動來感知外界溫度的變化。FPI 的干涉波谷的波長可以表示為：其中m為干涉級數(shù)，L為法珀腔的腔長。所以其溫度靈敏度可以表示為：其中Δλ為波長的變化量，Δn1為折射率的變化量，ΔL為FPI 腔長的變化量，ΔT為溫度的變化量，L為FPI 的腔長，α為熱膨脹系數(shù)，κ為熱光系數(shù)。

2.2 光纖FPI 傳感器的應(yīng)變/壓力傳感原理

當(dāng)外界的應(yīng)變或壓力作用于光纖時，光纖的直徑和長度將會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致FPI 的相位發(fā)生變化，引起FPI 干涉譜發(fā)生移動。因此可以通過檢測其干涉譜線的移動來感知外界應(yīng)變或壓力的變化。其相位的變化可以表示為：

其中Δφ為相位的變化量，λ是光的波長，ΔL為腔長的變化量。

3 光纖法布里-珀羅干涉儀高溫傳感器傳感性能和傳感特性

3.1 光纖FPI 高溫傳感器傳感性能

3.1.1 光纖FPI 傳感器的分類及傳感性能

根據(jù)光纖FPI 中法珀腔的結(jié)構(gòu)可以將FPI分為本征型法布里-珀羅干涉儀(Intrinsic Fabry-Perot Interferometer，IFPI)、非本征型法布里-珀羅干涉儀(Extrinsic Fabry-Perot Interferometer，EFPI)和具有復(fù)合腔的在線型法布里-珀羅干涉儀(In Line Fabry-Perot Interferometer，ILFPI)。

圖2(a)(彩圖見期刊電子版) 為典型的以光纖本身為腔的本征型光纖法布里-珀羅干涉儀，圖2(b)(彩圖見期刊電子版)為典型的具有空氣腔的非本征型光纖法布里-珀羅干涉儀，圖2(c)(彩圖見期刊電子版)為典型的具有復(fù)合腔的在線型法布里-珀羅干涉儀。表1、表2 和表3 分別是對近些年IFPI、EFPI 和ILFPI 高溫傳感器溫度、壓力和應(yīng)變的測量范圍和靈敏度進行的總結(jié)歸納。

表2 不同EFPI 的參數(shù)對比Tab.2 Comparison of parameters of various EFPIs

圖2 典型的（a）IFPI、（b）EFPI 和（c）ILFPI 結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Structure diagrams of a typical (a) IFPI, (b) EFPI and (c) ILFPI

受熱光效應(yīng)影響，相較于應(yīng)變或壓力，IFPI 對溫度更加敏感。從表1 可以看出IFPI 常被用于溫度傳感，而較少被用于應(yīng)變或壓力傳感，并且溫度靈敏度通常為10～20 pm/ °C。

表1 不同IFPI 的參數(shù)對比Tab.1 Comparison of parameters of various IFPIs

具有空氣腔的EFPI 在受到外界應(yīng)變或壓力作用時相較于IFPI 更容易發(fā)生形變，因此其對應(yīng)變或壓力更加敏感。從表2 也可以看出，EFPI 常被用于高溫應(yīng)變和高溫壓力傳感。并且可以通過設(shè)計EFPI 空氣腔的尺寸以及形狀提高其對外界應(yīng)變或壓力的靈敏度，使其溫度靈敏度和壓力靈敏度相差幾個數(shù)量級，減小溫度對壓力測量產(chǎn)生的交叉干擾。ILFPI 是一種復(fù)合形式的光纖FPI 傳感器，其在高溫應(yīng)變和高溫壓力傳感方面的性能參數(shù)如表3 所示。與IFPI 和EFPI 相比，具有復(fù)合腔的ILFPI 綜合了IFPI 和EFPI 的特點，可以根據(jù)不同的應(yīng)用場景靈活設(shè)計不同的結(jié)構(gòu)。

表3 不同ILFPI 的參數(shù)對比Tab.3 Comparison of parameters of various ILFPIs

3.1.2 光纖FPI 傳感器高溫和應(yīng)變/壓力交叉敏感問題

光纖FPI 傳感測量中的交叉敏感問題是光纖FPI 傳感器實用化中的一個關(guān)鍵問題。對光纖FPI 傳感器的溫度和應(yīng)變/壓力的交叉敏感度進行了總結(jié)，如表4 所示。在FPI 中常用溫度補償?shù)姆椒p小交叉靈敏度。溫度補償是通過對法珀腔的結(jié)構(gòu)進行特殊設(shè)計，使其對溫度不敏感，而對應(yīng)變/壓力敏感，從而達到測量應(yīng)變/壓力或同時測量溫度和應(yīng)變/壓力的目的。該方法常被用于具有空氣腔的EFPI[5-6]。

表4 FPI 高溫應(yīng)變/壓力傳感器交叉靈敏度對比Tab.4 Comparison of cross-sensitivity of FPI high temperature strain/pressure sensors

對于傳感應(yīng)用中的交叉敏感問題，可以通過在FPI 傳感器內(nèi)制備兩個具有不同參數(shù)的法珀腔來解決。因為不同參數(shù)的法珀腔對溫度和應(yīng)變/壓力的靈敏度各不相同，可以通過解如下靈敏度矩陣的方式解決交叉敏感問題[10]。以高溫壓力測量為例：

其中ΔP為傳感環(huán)境的壓力變化量，ΔT為傳感環(huán)境的溫度變化量，KT1和KP1為其中一個法珀腔的溫度靈敏度和壓力靈敏度，KT2和KP2為另一個法珀腔的溫度靈敏度和壓力靈敏度，Q=KT2KP1-KT1KP2，ΔλFPI1和ΔλFPI2分別為兩個法珀腔對應(yīng)的干涉波長的變化量。

此外，還可以通過將FPI 和其他光纖傳感器級聯(lián)的方法解決交叉敏感問題。以FPI 級聯(lián)FBG 為例，因為FPI 和FBG 的溫度和應(yīng)變/壓力的靈敏度各有差異，可通過解如下靈敏度矩陣來解決此問題[45]，其靈敏度矩陣如下：

其中KFPIT和KFPIP為法珀腔的溫度靈敏度和壓力靈敏度，KFBGT和KFBGP為FBG 的溫度靈敏度和壓力靈敏度，M=KFPITKFBGP-KFBGTKFPIP，ΔλFPI和ΔλFBG分別為FPI 和FBG 對應(yīng)的波長的變化量。

3.2 基于不同種類光纖的FPI 高溫傳感特性

在光纖中通過一定的方法制作特定的結(jié)構(gòu)，光纖同時起到傳感元件和傳輸光信號的作用，因此光纖的結(jié)構(gòu)和材料都對光纖傳感器的性能起著決定性的作用。普通的單模光纖(Single Mode Fiber，SMF)纖芯由摻鍺的石英玻璃制成，可以在800 °C 甚至更高的溫度下進行傳感[4,14,28-29]。但是SMF 摻雜的纖芯在高溫情況下會發(fā)生一定的元素擴散，從而限制了SMF 在更高溫度傳感方面的應(yīng)用。相比于傳統(tǒng)的芯摻雜光纖，由純石英制成的PCF 和HCF 可以在1 200 °C 下進行傳感[30,37]。使用電弧放電法熔接SMF 和PCF 或HCF 制備的光纖FPI 傳感器具有體積小、重復(fù)性高等優(yōu)點，這使得其在高溫傳感領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[24,27,33]。但是受石英軟化點的限制，基于石英光纖的傳感器很難應(yīng)用在大于1 200 °C 的高溫環(huán)境。

由于單晶藍寶石具有超高的熔點、穩(wěn)定的化學(xué)性能和機械強度，SF 成為光纖超高溫傳感器的首選材料。2009 年Lally 等人首次將反應(yīng)性離子蝕刻工藝和直接鍵合制作工藝相結(jié)合制備了一個全藍寶石FPI 高溫壓力傳感器[74]。2011 年，他們又通過將兩個藍寶石晶片粘合，成功地制備了基于藍寶石的光纖FPI 壓力傳感器，該傳感器能在0.04～1.38 MPa 的壓力范圍內(nèi)進行傳感[18]。同年他們使用電子束蒸鍍法在拋光SF 的端面沉積了一層五氧化二鉭薄膜制備了微型FPI 傳感器，該傳感器僅為75 μm，可在200～1 000 °C 的溫度范圍內(nèi)進行溫度測試[18]。

2016 年，弗吉尼亞理工大學(xué)王安波等人[75]使用氧化鋁套管固定SF 和藍寶石晶片制備了用于超高溫傳感的無源EFPI 傳感器，如圖3(a)所示。該傳感器基于環(huán)境熱輻射干涉原理，實現(xiàn)了1 593 °C 的超高溫傳感，分辨率可達1 °C，并且其在1 593 °C 時溫度靈敏度為3.135 nm/ °C。

圖3 （a）基于SF 和藍寶石晶片制備的無源EFPI 高溫傳感器[75]；（b）雙SF 和藍寶石晶片制備的自濾波EFPI 高溫傳感器[12]Fig. 3 (a) Sourceless EFPI high temperature sensor based on sapphire fiber and sapphire wafer[75]; (b) self-filtering EFPI high temperature sensor fabricated by double sapphire fiber and sapphire wafer[12]

2019 年，天津大學(xué)江俊峰等人[12]使用兩根SF 并固定在藍寶石套管內(nèi)，與藍寶石晶片組合成了具有高分辨率的自濾波EFPI 傳感器，如圖3(b)所示，其中兩根SF 分別作為輸入光纖和輸出光纖。該傳感器在1 000 °C 時溫度靈敏度為4.786 nm/°C，分辨率為0.25 °C。2020 年，北京航空航天大學(xué)丁銘等人[34]使用SF 和藍寶石晶片制作了晶片式的光纖FPI 傳感器，如圖4(a)所示。該傳感器在1 550 °C 時的溫度靈敏度為32.5 pm/ °C。除此之外，該傳感器被封裝在氧化鋁陶瓷管中，具有高度的穩(wěn)定性，在航空發(fā)動機和燃氣輪機等極端環(huán)境具有重要的應(yīng)用價值。同年，龐拂飛等人[10]使用SF 和三層藍寶石晶片制作了用于高溫壓力測量的FPI 傳感器，如圖4(b)所示。作者還使用氧化鋯套管對該傳感器進行封裝，提高了傳感器的穩(wěn)定性，使其更好地應(yīng)用于惡劣環(huán)境。2020 年，弗吉尼亞理工大學(xué)王安波等人[11]使用飛秒激光在SMF 端面加工出圓柱形微氣腔并使用CO2激光熔接技術(shù)制備了一種用于高溫測量的全藍寶石微型光纖FPI 傳感器，該傳感器在1 455 °C 時溫度靈敏度為2.45 nm/°C，平均溫度分辨率為0.68 °C。作者還對該傳感器的熱響應(yīng)進行了仿真分析，并通過實驗證明其響應(yīng)時間約為1.25 ms，與仿真結(jié)果基本吻合。

圖4 （a）基于SF 和藍寶石晶片制備的FPI 高溫傳感器[34]；（b）使用三層藍寶石晶片直接鍵合制備的EFPI 高溫傳感器[10]Fig. 4 (a) FPI high temperature sensor based on sapphire fiber and sapphire wafer[34]; (b) EFPI high temperature sensor fabricated by direct bonding of three-layer sapphire wafers[10]

但是藍寶石光纖因缺少包層并且高度多模[11]，在傳輸過程中會引入模間干涉，需要對光譜進行傅立葉變換，解調(diào)出藍寶石光纖傳輸?shù)母缮嫘盘朳3]，因此制作長期穩(wěn)定的封裝結(jié)構(gòu)以及減少其模式使其與單模光纖更好地匹配將是基于 SF的光纖 FPI 高溫傳感器的重要研究方向。

通過熔融芯法制備的藍寶石晶體衍生光纖[76](Sapphire Derived Fiber，SDF)進一步擴展了藍寶石光纖的應(yīng)用范圍[55]。通過電弧放電的方法可以在藍寶石晶體衍生光纖內(nèi)部析出莫來石晶體[3]，使光纖纖芯折射率發(fā)生改變以形成FPI 并用于高溫傳感，該傳感器能夠承受高達1 600 °C 的高溫[31]，這是目前非晶光纖工作的最高溫度。

4 光纖法布里-珀羅干涉儀高溫傳感器的制備

光纖FPI 傳感系統(tǒng)主要由光纖FPI 傳感探頭和傳感解調(diào)裝置兩部分構(gòu)成。其中光纖FPI 傳感探頭是光纖FPI 傳感器系統(tǒng)的核心部分，直接影響傳感器的傳感性能。本文對常用的FPI 高溫傳感探頭的制備方法進行總結(jié)。

4.1 濕法化學(xué)腐蝕制備法

濕法化學(xué)腐蝕通常是使用化學(xué)腐蝕劑有選擇性地腐蝕光纖，由于光纖纖芯和包層的摻雜濃度不同，導(dǎo)致其化學(xué)活性不同，使腐蝕速度存在差異。在進行了一定時間的腐蝕后可以通過熔接方法在光纖中引入氣泡，形成光纖微腔[52]。通過濕法化學(xué)腐蝕制備FPI 是比較常見的制備方法，該方法直接使用化學(xué)腐蝕劑有選擇性地腐蝕光纖，具有制作簡單和成本較低等優(yōu)點。但是在腐蝕過程中需要考慮有效的腐蝕劑和腐蝕劑的選擇性，并且要求精確的控制腐蝕速率和時間[77]。

4.2 電弧放電制備法

相比于濕法化學(xué)腐蝕制備法，通過電弧放電制備FPI 傳感器具有更便捷和更高效的優(yōu)勢。該方法通過將光纖置于光纖熔接機的電極中間，調(diào)節(jié)放電電流和放電時間，然后重復(fù)放電制作微腔[50]，最后對光纖進行切割制備出FPI 傳感探頭。通過電弧放電法制備的具有微氣腔的EFPI傳感器具有較高的應(yīng)變靈敏度和壓力靈敏度，并且溫度和壓力的交叉干擾小，但該方法重復(fù)性較差，光纖的機械強度會降低[78]。另外一種電弧放電制備法是使用熔接機熔接不同種類(例如PCF、HCF 和SDF 等)的光纖[19,21,27,31]，通過將光纖熔接處和光纖與空氣的接觸面作為反射面制備FPI 傳感探頭。

通過熔接不同類型光纖制備的FPI 傳感器具有尺寸小和制作簡單等優(yōu)點，但是通過此方法制備的 FPI 傳感器的一個反射面是光纖和空氣的接觸面，容易受到空氣中的接觸介質(zhì)(例如液體、灰塵雜質(zhì)等)的干擾。所以對于使用該方法制作的FPI 傳感器，為了確保測量數(shù)據(jù)的可靠性，傳感器的封裝設(shè)計必不可少。

4.3 飛秒激光加工制備法

飛秒激光具有快速和高精度的材料加工能力，是制備光纖FPI 傳感器的一種非常有效的工具。通過飛秒激光掃描可以在光纖內(nèi)部產(chǎn)生一定程度的折射率調(diào)制區(qū)域，飛秒激光經(jīng)過物鏡聚焦到光纖纖芯，產(chǎn)生兩個或多個折射率調(diào)制區(qū)域形成反射面從而制備IFPI 傳感器[25]。另外一種常見的飛秒激光加工制備法是使用飛秒激光在光纖內(nèi)部進行刻槽形成微腔[6]，然后對微腔進行拋光和熔接制備EFPI 傳感器。

使用飛秒激光加工制備法制作的FPI 傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小和性能穩(wěn)定等優(yōu)點。雖然飛秒激光加工系統(tǒng)成本相對較高但是通過該方法制作的光纖傳感器可設(shè)計性強，目前已廣泛應(yīng)用于各類光纖傳感器的制作。

5 光纖法布里-珀羅干涉儀高溫傳感器的應(yīng)用

光纖法布里-珀羅干涉儀傳感器具有體積小、制作簡單和靈敏度較高等優(yōu)點，在苛刻環(huán)境下的溫度壓力測量中具有重要的應(yīng)用價值。在應(yīng)力測量方面，重慶大學(xué)朱永等人[79]開發(fā)了混凝土專用溫度自補償型光纖FPI 應(yīng)變傳感器，并將其應(yīng)用于橋梁的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。在壓力測量方面，針對航空航天領(lǐng)域的特殊需求，2005 年，重慶大學(xué)佟艷群等人與南京航空航天大學(xué)梁大開等人[80]聯(lián)合開展了基于光纖FPI 傳感器的光纖智能加層的研究，并對其進行了彎曲試驗，證明了光纖智能夾層對結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測的可行性。2009 年，西北工業(yè)大學(xué)的單寧等人[81]將光纖FPI 傳感器用于飛機發(fā)動機葉片裂紋的檢測，該傳感器可以根據(jù)反射信號判斷葉片是否存在裂紋。2011 年，F(xiàn)usiek 等人[82]制備了用于石油井下的溫度和壓力測量的光纖FPI 傳感器。該傳感器可在350 °C 下、0～68.95 MPa 的壓力范圍內(nèi)進行石油井下的環(huán)境檢測。對國內(nèi)外光纖FPI 高溫傳感器在雙參數(shù)測量方面的應(yīng)用進行總結(jié)如下。

5.1 高溫應(yīng)變測量

光纖FPI 高溫傳感探頭具有較好的穩(wěn)定性和重復(fù)性，常被用于高溫環(huán)境下的應(yīng)變測量。使用電弧放電制備法將SMF 和其他具有空氣芯的特種光纖(例如PCF 和HCF 等) 熔接制備的具有復(fù)合腔的ILFPI 具有較好的機械強度，常被用于高溫應(yīng)變測量。2018 年，Liu 等人[68]通過在兩根SMF 之間熔接一段HCF 制備了ILFPI 高溫應(yīng)變傳感器，如圖5(a)(彩圖見期刊電子版)所示。該傳感器具有23 nm 的自由光譜范圍，26 dB 的消光比和高質(zhì)量的光譜，這提高了該傳感器溫度和應(yīng)變的測量范圍和精度。該傳感器在從室溫到1 000 °C 的溫度范圍內(nèi)溫度靈敏度高達33.4 pm/°C，并且在503 °C 下應(yīng)變靈敏度為0.64 pm/με，極大地減小了溫度和應(yīng)變的交叉干擾，實現(xiàn)了溫度和應(yīng)變雙參數(shù)測量。

圖5 （a）使用SMF 和HCF 熔接制備的ILFPI 傳感器[68]；（b）使用FBG 和FPI 級聯(lián)制備的混合光纖傳感器[83]；（c）使用CDF 制備的光纖FPI 傳感器[32]Fig. 5 (a) ILFPI sensor fabricated by fusion of SMF and HCF[68]; (b) hybrid fiber-optic sensor fabricated by cascade of FBG and FPI[83]; (c) fiber-optic FPI sensor fabricated by CDF[32]

另外，可以通過將FPI 和其他光纖傳感器級聯(lián)制備成混合光纖高溫應(yīng)變傳感器。2018 年，電子科技大學(xué)冉曾令等人[83]通過將FBG 和EFPI級聯(lián)制備了用于雙參數(shù)測量的混合光纖傳感器，如圖5(b)(彩圖見期刊電子版)所示。該傳感器的溫度測量由FBG 實現(xiàn)，應(yīng)變測量則由EFPI 實現(xiàn)，因此該傳感器可以用于溫度應(yīng)變雙參數(shù)測量。該傳感器在500 °C 時應(yīng)變靈敏度為5.34 pm/με。

2019 年，龐拂飛等人[32]通過在兩根SMF 之間熔接一段新型的用于高溫應(yīng)變傳感的氧化鋁陶瓷衍生光纖(Ceramic Derived Fiber，CDF)制作了用于高溫應(yīng)變測量的FPI 傳感器，如圖5(c)(彩圖見期刊電子版)所示。該傳感器在900 °C 的溫度下和在0～3 000 με的應(yīng)變范圍內(nèi)應(yīng)變靈敏度為1.5 pm/με，實現(xiàn)了在高溫環(huán)境下應(yīng)變的測量，擴大了高溫和應(yīng)變雙參數(shù)測量的范圍。

5.2 高溫壓力測量

具有空氣腔的EFPI 在受到外界壓力作用時相較于IFPI 更容易發(fā)生形變，因此其對壓力更加敏感。通過對EFPI 的空氣腔進行特殊的設(shè)計還可以提高其壓力靈敏度，因此其常被用于高溫環(huán)境下的壓力測量。

2018 年，中北大學(xué)賈平崗等人[51]通過將光纖布拉格光柵和空芯石英管(Hollow Silica Tube，HST)從兩側(cè)插入到石英套管中制備了FPI 高溫壓力傳感器，如圖6(a)(彩圖見期刊電子版)所示。該傳感器在800 °C 的溫度下和在0.1～0.7 MPa的壓力范圍內(nèi)壓力靈敏度為1.15 nm/MPa。由于該傳感器的溫度測量由FBG 實現(xiàn)，高溫環(huán)境下的壓力測量由FPI 實現(xiàn)，減小了溫度和壓力之間的交叉干擾，實現(xiàn)了溫度和壓力雙參數(shù)的測量。

圖6 （a）使用FBG 和HST 插入石英套管制備的FPI 傳感器[51]；（b）使用藍寶石晶片直接鍵合制備的FPI 傳感器[5]；（c）使用飛秒激光對SMF 進行刻槽，然后通過拋光和熔接制備FPI[6]Fig. 6 (a) FPI sensor fabricated by inserting FBG and HST into quartz sleeve[51]; (b) FPI sensor fabricated by direct bonding of sapphire wafer[5]; (c) SMF grooved by femtosecond laser, then FPI fabricated by polishing and welding[6]

2019 年，中北大學(xué)梁庭等人[5]通過藍寶石晶片和具有刻蝕腔的藍寶石晶片直接鍵合制備了光纖FPI 高溫壓力傳感器，如圖6(b)(彩圖見期刊電子版)所示，該傳感器在800 °C 下，20～700 kPa 的壓力范圍內(nèi)壓力靈敏度為2.768 μm/MPa。值得一提的是，該傳感器通過藍寶石晶片直接鍵合制備，沒有任何中間層，避免了在高溫環(huán)境下不同材料之間熱膨脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生的傳感器不穩(wěn)定問題，實現(xiàn)了溫度和壓力的雙參數(shù)測量。

同年，江毅等人[6]使用飛秒激光加工形成空氣腔的SMF 和無芯光纖熔接制備了用于高溫高壓測量的EFPI 傳感器，另外需要對無芯光纖進行切割、拋光減薄和飛秒激光加工粗糙處理，最后厚度僅為3.8 μm，其結(jié)構(gòu)如圖6(c)(彩圖見期刊電子版)所示。該傳感器在最高800 °C 的溫度下和0～10 MPa 的壓力范圍內(nèi)壓力靈敏度為70.8 nm/MPa，同時具有0.02 MPa 的分辨率和0.2 MPa 的測量誤差，實現(xiàn)了溫度和壓力的雙參數(shù)測量。

2020 年，龐拂飛等人[10]使用藍寶石晶片制作的FPI 傳感器如圖4(b)所示。該傳感器在1 200 °C的溫度下和在0.4～4.0 MPa 的壓力范圍內(nèi)壓力靈敏度為1.20 nm/MPa，擴大了溫度和壓力雙參數(shù)測量的范圍。

具有空氣腔的光纖EFPI 高溫壓力傳感器具有較高的壓力靈敏度，并且溫度和壓力的交叉干擾小，在苛刻環(huán)境下的高溫壓力測量中具有重要的應(yīng)用價值。

5.3 高溫振動測量

高溫振動傳感器在航天、油氣管道運輸、火山地震活動檢測、煤礦開采等領(lǐng)域的設(shè)施設(shè)備維護和故障檢測等方面具有重要的應(yīng)用價值。光纖FPI 高溫傳感器不僅可以在高溫環(huán)境下測量壓力和應(yīng)變，還可以對振動參數(shù)進行測量。當(dāng)光纖FPI 振動傳感器受到外界振動信號作用時，其法珀腔的腔長會發(fā)生變化，引起其干涉譜發(fā)生變化，可通過對其干涉譜進行檢測實現(xiàn)對振動參數(shù)的測量。

2019 年，武漢理工大學(xué)童杏林等人[84]利用由微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)加工出的溫度敏感膜片與SMF 相結(jié)合制備了FPI 高溫振動傳感器，如圖7 所示。在高溫鑄造現(xiàn)場的振動測試表明，該傳感器在800 °C 和100～1 000 Hz 的工作環(huán)境下，測量頻率的相對誤差為1.56%。

圖7 光纖FPI 高溫加速傳感器示意圖[84]Fig. 7 Schematic diagram of optical fiber FPI high temperature acceleration sensors[84]

2019 年，北京理工大學(xué)江毅等人[85]使用飛秒激光加工技術(shù)制備了具有懸臂梁的FPI 高溫振動傳感器，如圖8 所示。該傳感器由單模光纖，空芯光纖和無芯光纖熔接制備，另外需要對無芯光纖進行飛秒激光微加工和粗糙化處理制成長度為80 μm 的懸臂梁。該傳感器在室溫至800 °C 的溫度范圍內(nèi)溫度靈敏度為84.8 pm/°C，在頻率為300 Hz 時其加速度靈敏度為11.1 mV/g。

圖8 具有懸臂梁的FPI 高溫振動傳感器示意圖[85]Fig. 8 Schematic diagram of FPI high temperature vibration sensors based on micro-cantilever beam[85]

2020 年，清華大學(xué)唐飛等人[86]使用SF 和具有懸臂梁的6H-SiC 振動敏感元件制備了可以在1 200 °C 下工作的6H-SiC 藍寶石光纖振動傳感器，其中6H-SiC 振動敏感元件的懸臂梁結(jié)構(gòu)是利用納秒激光制備的，其結(jié)構(gòu)如圖9 所示。該傳感器通過FPI 將振動信號轉(zhuǎn)換為光信號，并通過光學(xué)解調(diào)獲得振動參數(shù)。在室溫到1 200 °C 的溫度范圍內(nèi)其振動頻率測量靈敏度為0.999 7 Hz/Hz，并且在800 °C 下其加速度靈敏度為17.86 mV/g。該傳感器在高溫鑄造現(xiàn)場應(yīng)用時最大頻率測量誤差僅為4.72 Hz，可實現(xiàn)高溫環(huán)境下振動參數(shù)的測量。

圖9 6H-SiC 藍寶石光纖高溫振動傳感器示意圖[86]Fig. 9 Schematic diagram of 6H-SiC sapphire fiber vibration sensor[86]

2021 年，唐飛等人[87]又利用氮化鋁和ZrO2套管對6H-SiC 藍寶石光纖高溫振動傳感器進行了封裝，解決了溫度劇烈變化時傳感器不穩(wěn)定的問題。

光纖FPI 振動傳感器因具有測量范圍廣、耐高溫、耐腐蝕和抗電磁干擾等優(yōu)點成為振動傳感領(lǐng)域的研究熱點?，F(xiàn)有的光纖FPI 振動傳感器大都需要依賴外部振動響應(yīng)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致溫度交叉敏感嚴(yán)重。隨著智能時代的到來，制作出實用的微型化光纖FPI 振動傳感器具有重要的意義，同時提升傳感器的靈敏度和減小傳感器的溫度交叉敏感性也是研究的重要方面[88]。

6 結(jié)束語

近些年光纖FPI 高溫傳感器在制備方法和解調(diào)方法等方面發(fā)展迅速，在高溫傳感、應(yīng)變傳感、壓力傳感和振動傳感等方面取得了重要進展，并在航空航天、石油開采和能源工程等領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用。本文總結(jié)了光纖IFPI 高溫傳感器、EFPI 高溫傳感器和ILFPI 高溫傳感器的溫度、壓力和應(yīng)變的靈敏度和測量范圍等性能參數(shù)。其次介紹了光纖法布里-珀羅干涉儀傳感器溫度和壓力的交叉敏感問題及解決方法和基于不同種類光纖的FPI 高溫傳感特性?？偨Y(jié)了濕法化學(xué)腐蝕制備法、電弧放電制備法和飛秒激光加工制備法等光纖FPI 高溫傳感器制作方法。介紹了可用于高溫環(huán)境下應(yīng)變、壓力和振動測量的光纖FPI 傳感器。光纖FPI 高溫傳感器常被用于特殊、惡劣的環(huán)境下，其今后的發(fā)展也會繼續(xù)圍繞苛刻環(huán)境下的應(yīng)用需求展開。同時，光纖FPI 高溫傳感器的封裝技術(shù)、對惡劣環(huán)境的耐受性和傳感器的長期穩(wěn)定性與可靠性等方面也將是研究的重要方面，光纖FPI 高溫傳感器仍會是光纖高溫傳感領(lǐng)域的研究熱點。