一种EFPI光纤压力传感器的结构分析及零点稳定性

黄彩霞，张立喆

（中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京100095）

一种EFPI光纤压力传感器的结构分析及零点稳定性

黄彩霞，张立喆

（中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京100095）

介绍了一种基于法布里-珀罗干涉原理的EFPI光纤压力传感器。详细分析了这种光纤压力传感器的原理、结构和解调方法；讨论分析了材料、结构以及制作工艺对零点稳定性的影响；探讨了传感器内部热应力的分布以及消除方法。该结构传感器在经历－40℃和400℃的严酷温度考验后，零点漂移小于3 nm。

EFPI；光纤压力传感器；F-P腔；稳定性；零点漂移

0 引言

20世纪70年代中期，光纤传感技术的应用为传统传感测量领域引进了新方法。光纤传感器具有抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、优良的安全性能等优点，还具有灵敏性高、重量轻、便于多传感器组网等优点。

光纤法布里-珀罗传感器是用光纤构成的F-P干涉仪［1］，主要有本征型、非本征型、线型复合腔三种代表性结构。本征型光纤法-珀腔是指法-珀腔本身由光纤构成；而非本征型光纤法-珀腔是指用两光纤端面之间的空气隙构成一个腔长为L的微腔。其中，非本征型光纤法-珀腔压力传感器是性能最好、应用最为广泛的一种。本文重点研究了一种非本征型（EFPI）光纤法-珀压力传感器的结构和零点稳定性。

1 EFPI光纤压力传感器的基本工作原理

1.1 EFPI光纤压力传感器的结构示意图

反射光纤和导入光纤从两端分别插入一段空芯光纤或石英毛细管（毛细管的孔径约为126～128μm，比125μm的光纤外径稍大），再用焊接的方式将毛细管两端分别与反射光纤和导入光纤固定，形成EFPI光纤压力传感器。EFPI光纤压力传感器结构示意图如图1所示。

1.2 基于白光干涉绝对测量的原理和解调方法

图2为EFPI白光干涉绝对测量原理图［2］，LED宽谱光源经过3 dB耦合器注入EFPI传感器，EFPI传感器两个端面的反射光从耦合器的另一端进入光谱分析仪。

白光光源LED的光谱近似高斯分布，因此光强分布可表示为

式中：I0为峰值光功率；Δλ为光源的谱线宽度；λ0为中心波长。

因此，EFPI输出干涉信号为

式中：γ（L）是与腔长L有关的对比度的下降因子；φ0为两个干涉光束间的初始相位因子。

将式 （2）对光源光谱求归一化，得归一化的干涉输出

光源中，波长分别为λ1和λ2的两束光到达光谱仪所产生的相位差为

所以腔长为

1.3 EFPI光纤压力传感器的压力传感机理

当压力施加到传感器上，石英毛细管发生变形，传感器腔长发生变化，EFPI光纤压力传感信号解调系统能够解调出传感器腔长变化。施加压力p对应的EFPI压力传感器腔长变化的表达式为

式中：L标是EFPI光纤压力传感器两个激光焊点间的距离，也叫标矩；ΔL是传感器腔长变化量；μ是石英毛细管材料的泊松比；E是石英毛细管材料的杨氏模量；di是石英毛细管的内径；do是石英毛细管的外径。参见图1。式 （6）表明腔长变化和传感器的压力成正比；腔长变化和石英毛细管的壁厚有关，壁越薄，灵敏度越高。

2 EFPI光纤压力传感器测试系统

EFPI光纤压力传感测试系统主要由美国MOI公司的sm 125光纤传感波长查询仪、3 dB耦合器、待测EFPI光纤压力传感器、EFPI光纤压力传感器腔长解调系统这几部分组成。如图3所示。腔长解调系统的主要原理是建立在低细度法布里-珀罗干涉模型基础上。首先根据低细度法布里-珀罗干涉模型，建立理论上不同腔长值的归一化干涉光谱信号，然后将理论上不同腔长值的干涉光谱信号和信号采集得到的真实EFPI光纤压力传感器归一化干涉光谱信号进行交叉相关运算，得到交叉相关系数，交叉相关系数最大的理论上归一化干涉光谱信号的腔长值就是真实待测EFPI传感器的腔长值。

3 影响EFPI光纤压力传感器零点稳定性的因素

评价传感器最重要的性能之一是稳定性。实际上，稳定性指的是在给传感器输入相同信号时，传感器是否能在长时间内都保持输出量不变的性能。

3.1 石英玻璃材料对零点稳定性的影响

EFPI光纤压力传感器中的敏感元件的材料是石英玻璃。石英玻璃是非晶体，是各向同性的均质体，没有熔点，只有软化温度范围，在低温时为固体，高温时黏度非常大，1100℃黏度为1018.9Pa·s，此黏度不会因自重而变形；1300℃黏度为1010.8Pa·s，长期使用会有少量变形［3］。石英玻璃的高温黏度确保了其耐高温性能。表1是透明石英玻璃在典型温度点的温度值、熔制温度、热加工温度以及使用温度建议值。资料来源于德国贺利氏（Heraeus）石英公司。

3.2 EFPI光纤压力传感器结构对零点稳定性的影响

由EFPI光纤压力传感器结构示意图（图1）可以看出：两个光纤端面反射光要形成良好的干涉信号，插入毛细石英管内的两根光纤的反射端面和相应的光纤轴线必须垂直；还要注意标距L标过大会增加传感器对温度敏感性，要尽量缩短导入光纤在两激光焊点之间的长度；同时反射光纤选用与石英毛细管热膨胀系数基本一致的单模光纤或石英光纤。

3.3 EFPI光纤压力传感器的制作工艺对传感器零点稳定性的影响

EFPI光纤压力传感器结构制作关键点之一是光纤和石英毛细管的连接。传统的粘贴连接通常使用环氧树脂、焊料或者其他粘贴料，这些材料在实际使用中会发生物理的和化学的变化，稳定性较差。在EFPI光纤压力传感器的测量系统中，分辨力通常以纳米来度量，因此材料的稳定性是至关重要的。由于石英玻璃具有良好的稳定性，用CO2激光脉冲将石英毛细管和石英光纤热熔接，不再增加其它材料，在敏感元件所用的材料性能稳定性上明显优于传统的粘贴方法。在EFPI压力传感器的热熔接制作过程中，由于不同位置之间存在明显的温度梯度，会造成石英玻璃内部存在着一定的残余热应力。传感器内部残余热应力的缓慢释放，会引起传感器初始腔长的漂移，造成测量中零点漂移，影响传感器的长期稳定性。所以去除石英玻璃内的残余热应力是EFPI压力传感器制作过程中至关重要的步骤。

4 EFPI光纤压力传感器的应力

EFPI光纤压力传感器内部应力分为热应力和机械应力。热应力和机械应力都是在传感器及其零部件的制体过程中生成的，由于形成机理不完全相同，这些内部应力需要分别用不同的方法减小或消除。

4.1 石英玻璃的热应力

石英玻璃管在制作中经高温熔融或在CO2激光热熔结过程中，由于温差可以产生不同程度的热应力。应力的存在会劣化传感器的结构稳定性。热应力分为暂时应力和永久应力两种。

4.1.1 暂时应力

石英玻璃在应变点温度（η＝1018.5Pa·s）以下加热或者冷却时，由于它是热的不良导体，内外层之间产生温度梯度从而形成了热应力，热应力形成机理［4］示意图见图4。图中，X为应力；Y为玻璃各层到中心层距离；＋为张应力；－为压应力；O′为玻璃中心层上的点。

石英玻璃开始冷却时，外层比内层降温快，外层力求收缩但受较热内层的阻碍而产生张应力，内层产生压应力，张应力过渡到压应力之间存在零应力层。冷却结束时，外层几乎不再收缩，而较热内层力求收缩，于是内层收缩受外层阻碍产生张应力，外层产生压应力，恰好与冷却开始时产生的应力大小相等、性质相反，两者可以逐步抵消。冷却全部结束时，玻璃内外温差完全消失，应力也消失。暂时应力的计算公式［4］为

式中：σ是暂时应力；E是石英玻璃的杨氏弹性模量；α是与冷却温度相对应的热膨胀系数；ΔT是玻璃各层与中间层的温度差；μ是石英毛细管材料泊松比。由公式 （7）可见，温度梯度是形成热应力的关键因素。

4.1.2 永久应力

当温度梯度消失时，仍残留于玻璃中的应力称为永久应力，又称内应力。其形成机理参考图4。石英玻璃从高温冷却时，内外层存在温差，但温度较高、黏度η＜1012Pa·s时，其结构中分子热运动能量大、结构调整速度快，温差产生的应力能很快消除，即应力松弛，此时石英玻璃内外层有温差但无应力。继续冷却，石英玻璃逐渐由黏弹性向弹性转变，由于外层冷却快，这种转变由外层开始。冷却时，外层收缩将压缩内层，而弹黏性内层比外层有更大的收缩，其收缩受外层阻碍产生张应力，外层则产生压应力。其间应力松弛可消除部分应力，但由于冷却过程中石英玻璃的黏度越来越大、结构调整速率越来越慢，若冷却速率大于结构调整速率，则应力来不及完全松弛，成为永久应力保留在石英玻璃结构中。

4.2 机械应力

机械应力是在机械加工或者拉制微型石英玻璃管、光纤过程中产生的应力，其典型表现形式是微裂纹，主要影响传感器的机械强度。长期机械可靠性可归结为临近临界尺寸的裂纹生长为临界尺寸裂纹的生长速度问题。接近临界尺寸裂纹生长的模型有几种，最普遍使用的是Weiderhorn模型。机械应力主要和传感器使用寿命相关，对零点漂移的影响不大。

4.3 EFPI光纤压力传感器的应力消除

热应力与石英玻璃成型或加工的热历史有关，通过退火处理可以消除。机械应力通过精细加工或者稀释的氢氟酸（HF）处理可消除。对于EFPI光纤压力传感器来说，传统的消除应力的办法有退火、压力循环、振动等等。检测石英玻璃应力的方法主要是利用应力双折射原理，石英玻璃应力双折射是由内部应力引起的微不均匀性产生的。目前使用偏光应力仪或者偏光显微镜检测石英玻璃的应力。图5为光纤传感器的焊点处的应力在偏光显微镜下的形貌特征。

5 退火对零点漂移的改善

目前，我们用温度循环的方法考核零点的漂移。设计温度循环时，考虑到传感器的低温特性、高温特性及测试设备的局限性，采用在－40～80℃温度循环10次（参见图6温度曲线）、室温到400℃极端温度时循环5次 （参见图7温度曲线）的方法，考核零点的漂移量。经过普通退火工艺的传感器零点漂移量最好的可做到20 nm，一般零点漂移量达到微米量级或者直接失效。在经过退火去应力工艺后，EFPI光纤压力传感器在经过－40℃和400℃的极端温度考核后，零点漂移小于3 nm。具体零点漂移测试流程如图8所示，两次零点测试数据见图9、图10。

6 结束语

本文在分析EFPI光纤压力传感器的结构、解调方法及影响零点稳定性因素的基础上，给出了消除EFPI光纤传感器应力和改善零点漂移的方法。经过特殊退火处理后，可消除与石英玻璃成型或加工热历史有关的热应力，使EFPI光纤压力传感器在极端温度时的零点漂移小于3 nm，大大提升了这种EFPI光纤压力传感器的准确度。这种EFPI光纤压力传感器结构、制作工艺简单，具有良好的稳定性，有广泛的应用价值和发展前景。

［1］廖延彪.光纤光学——原理与应用 ［M］.北京：清华大学出版社，2010.

［2］江毅，唐才杰.光纤Fabry-Perot干涉仪原理及应用［M］.北京：国防工业出版社，2009.

［3］王承遇，陶瑛.玻璃材料手册 ［M］.北京：化学工业出版社，2007.

［4］王玉芬，刘连城.石英玻璃 ［M］.北京：化学工业出版社，

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

中航工业技术创新基金项目（2009F30472）

黄彩霞 （1972－），女，助理工程师，主要从事低压电器、环境实验方面的工作及光纤传感器研究。