光纤法布里--珀罗传感技术及其工程应用*

张 驰, 严珺凡, 施 斌, 王 兴

(南京大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 210093)

0 引 言

近年来，随着工程结构的不断发展，对于工程结构应变监测精度和范围的要求也越来越高[1]。光纤传感器具有高分辨率、耐高温、抗腐蚀、抗电磁干扰等优点，因此，将光纤应变传感器运用于工程结构监测已成为近几十年来各国学者研究的热点，期间设计了许多不同类型的光纤传感器，同时提高精度、分辨率和抗干扰能力也成为光纤传感器的发展方向[2]。

从光信号调制方式角度分类[3，4]，光纤传感器可分为光强调制型、波长调制型、相位(干涉)调制型及偏振调制型，其中，相位和偏振调制型传感器精度较高。对于相位调制型光纤传感器，环境应变的作用可使光纤中传输光的相位发生变化,因此，干涉型光纤传感器就是通过监测输出信号的相位变化来监测材料结构应变的[5]。

光纤法布里—珀罗干涉仪(fiber F-P interferometer,FFPI)作为近年来研究和应用较为广泛的干涉型传感器之一，有重要的发展空间和研究价值。本文在总结目前已有研发成果基础上，详细介绍了FFPI的工作原理、解调方法、实际应用以及相关问题。

1 FFPI工作原理

在20世纪80年代，人们利用光纤制成了FFPI，利用光干涉原理来完成信号的检测,可以精确测量小位移和细微的波长变化[2]。FFPI工作原理与传统的FPI基本相同，都是基于波的干涉现象，如图1所示，从反射镜反射的光L1,L2,在输出端产生干涉,干涉信号通过耦合器可由探测器检测，并由解调仪分析输出。当干涉腔腔长随被测量改变而变化时，两反射光的相位差发生变化，使光电探测器输出的电信号产生变化。

由于光的波长、反射光幅度是固定的，只有腔长度d的变化才会使输出信号强度产生改变。将被测对象连接到传感器上，当产生应变时，空腔长度d会改变，而空腔长度的变化，使反射光信号发生变化。通过分析解调光谱变化，可以获得腔长的变化量，从而获得应变数值大小，而对于如何获得改变后的腔长度则直接影响到FFPI测量的精度[6]。

图1 光纤法布里—珀罗腔结构

2 光纤法布里—珀罗(F-P)干涉腔腔长解调算法

外界应变的改变可以使F-P腔长发生改变，通过对F-P干涉光谱的解调，可以获得被测物理量的改变。因此,在FFPI系统中，腔长解调系统是整个系统的重要组成部分。解调方法和解调仪的性能直接影响测量精度和系统的分辨率。

目前对光纤F-P传感器腔长的解调方法主要包括强度解调方法和相位解调方法。强度解调法是F-P传感器解调技术中结构简单，成本较低的一种方法[7]，其光源为单色光，外部应变、温度变化改变两束相干光的光程差，进而引起干涉仪输出光强的变化，因此，通过测量解调仪输出光强的变化值，转换为相应的要素变化，就可以得到外部温度、应变变化的大小[8]。但此方法下光强受外界的干扰较大，同时不易排除其它因素的交叉影响，故此方法较难开展研究。

相位解调法是近年来研究较热的一种腔长解调算法，与强度解调法不同的是，其光源为白色光，测量系统与光强无关，抗外界干扰能力相较强度解调法提高很多，因此，在实际应用中相位解调法应用较广。但相位解调法也有缺点，由于采用波长分析技术，需要做频谱分析[9]，因而它的动态响应没有光强法快，灵敏度也较低，因此，多年来很多学者在算法上进行了不少研究改进。

目前对F-P腔长相位解调方法已有很多，包括傅立叶变换方法、2个峰值波长解调、波长跟踪方法、互相关算法和最小均方误差(MMSE)为基础的估计信号处理方法。然而所有这些方法都有缺点[10]:傅立叶变换方法和2个峰值波长解调方法分辨率通常不超过几十纳米；波长跟踪方法分辨率可达0.03 nm，但不能进行绝对测量；基于互相关算法和基于MMSE的信号处理方法分辨率很高，同时都能够进行绝对测量，但动态范围小，被“模式跳跃”问题所限制。这些方法本身都不能够同时进行绝对测量亚纳米分辨率和大动态范围。目前，一些新的解调方法还在不断探索中。

3 应变式FFPI类型及其应用

在工程结构中，应变是一项重要的监测指标。光纤应变计可以通过钻孔等方式植入到结构内部，这样将大幅提高传感器与结构应变的同步性。在应变监测方面，按FFPI发展历程，大致可分为本征型光纤F-P干涉仪(IFPI)和非本征型F-P干涉仪(EFPI)。

3.1 IFPI

1988年，Lee Chung E等人首次报道这种内腔式F-P光纤传感器[11]，传统的IFPI是将两端镀反射膜的光纤与2根单模光纤焊接在一起制作而成，两反射面间单模光纤为干涉腔。腔长的变化会引起待测信号的改变，用探测器接收待测信号或将其转换为电信号处理，通过腔长的变化量求出待测量的变化。由于光始终是在纤芯中传输,通过控制包层折射率，可以使光功率损耗很小,腔长理论上能做到很大,可以从100 μm～1 m。

在应变测量方面，Valis T等人[12]于1990年在悬臂梁粘贴IFPI，同时粘贴了一个箔应变计作为参考，对悬臂梁加载使其弯曲来产生应变，通过计算IFPI反射光谱的条纹间距变化，得到反射光相位变化。实验测量的范围是从0～1 000×10-6，其结果表明：IFPI测得的相位变化与应变计测得的应变成近似线性关系。1996年，Kao T W等人[13]设计了一种IFPI新型应变传感器，将含有干涉仪部分的单模光纤的一端焊接到隔膜上，并在干涉仪至传感器外壳间附加纵向应力，使应力与隔膜长度的变化形成对应关系;2004年,Shen F等人在掺杂GeO2的光敏光纤中利用紫外线聚焦光束进行照射，形成低反射率和低功耗的F-P腔，其后提出用多模光纤代替反射腔镜焊接在两根单模光纤之间即可，构建了一种新型低反射率的IFPI，大大简化了IFPI的制作。Huang Zhengyu等人[14]将这种传感器用于检测悬臂梁的应变，结果显示应变与腔长具有良好的线性关系。

由于对外界温度、应变、应力、振动交叉敏感，且IFPI由于由光纤本身构成F-P腔,对各方向应力的变化都比较敏感，需要不同的补偿方法来消除相互之间的影响[15]，因此,其最主要的应用在温度传感方面，在应变监测方面的IFPI实例较少。

3.2 EFPI

EFPI的F-P腔为空气，没有偏振态引起的信号漂移问题,横向压力产生轴向应变的交叉影响也小，从结构上天然具有温度补偿特性，温度的影响并不敏感，因此,EFPI在应变监测上的灵敏度大于IFPI，具有极大的使用价值。

1991年，Murphy等人用环氧树脂将将导入光纤和反射光纤固定于毛细管内部，成功制作了EFPI。利用非本征型F-P传感头作为该传感器的探头，选取适当的光纤类型，准毛细管材料减小温度参数对应变检测结果的影响[16]，严格处于同一条直线的2个光纤端面间距有十几至数百微米。当外界温度、应变等物理参量发生变化时，2个光纤端面间距即EFPI的腔长改变，通过从返回干涉光信号中解调出腔长信息即可实现相应参量的传感。

此后许多学者改进了传感器的稳定性和精度。2000年,韩国的Wang Anbo等人[17]采用激光热熔技术将光纤与准直毛细管熔接在一起，制作了光纤EFPI，提高了传感器的稳定性。2007年，Aref S H等人[18]设计了一种新的机械压力传导结构，使EFPI具有较低的温度敏感性，同时可将液压转换为传感器的纵向压力并进行测量。江绍基等人通过对多光束干涉理论的分析推导，建立了EFPI模型，得到了白光条件下干涉型EFPI相位与应变关系的理论计算公式。2002年，黄民双等人[19]采用中空纤膜与SiO2膜片套圈粘结，使得传感器的精度得到了提高;同时在端面上进行磨平抛光以及镀多层电介质膜处理后，提高了传感器的信噪比，可以用于恶劣环境下的测量。大连理工大学于清旭教授及其试验组对EFPI在高温高压下的长期稳定性进行了研究总结，尝试了多种方法提高其稳定性，并成功用于辽河油田油气井的长期压力监测。

3.3 其他基于FFPI的应变传感器

1997年，Rao Y J等人将光纤Bragg光栅(FBG)与F-P干涉腔结合，研制出一种针对大动态范围，并具备高分辨率的静态应变测量传感器[20]。利用FBG可以串联复用的特点，传感器能够在应变、温度与振动同时存在的情况下进行多路数据测量，其光纤F-P干涉腔是由2个FBG组成,并利用干涉时的波长漂移检测干涉信号条纹,获得被测对象的绝对应变。传感器的核心部件由一个低相干干涉传感器与FBG传感器构成，其中低相干光纤传感器可提供非常高的空间分辨率，而FBG提供准确的空间定位，使传感器可以对应变进行绝对测量。

采用FBG与F-P干涉腔传感器特有的双波长法则可解决单波长难以读取的问题，通过2个有细微波长差光源之间的光相位差来确定干涉条纹的数目，同时能够延长干涉传感器的检测范围。在实际测量中，2个FBG中的一个不受应变影响，它产生的波长漂移被用于温度补偿，从而使得该系统能够实现应变、温度与振动的准分布式测定[21]。

2003年，Rao Y J及其课题组又提出了一种应用LPFG/EFPI集成式光纤传感器实现温度和应变的同时测量方法，克服了传感器信噪比较低的特点[22]，其中长周期光栅(LPFG)可用于温度监测，EFPI则用于应变监测，传感器信号较强,信噪比较高。该课题组将LPFG/EFPI测得的应变值与用标准应变计测得的应变值进行了比较，2组数据都有很好的线性关系，传感器应变测量精度达到±2×10-6。

4 FFPI感测技术在结构应变监测中的应用

FFPI具有测量精度高、长期稳定性好等优点，已在工程结构长期应变监测中取得较好效果。目前该类型传感器已应用于混凝土结构、大型桥梁结构、高温测压油井、高速公路、大坝和复合材料固化等结构的应变监测。

4.1 混凝土结构应变监测

2001年，Ravisankar K等人[23]将封装的FBG/EFPI黏贴于混凝土圆柱结构，用来测量截面环向和径向的应变;2006年，Leng J S等人[24]做过类似试验，选用不同的法兰，并改进传感器的封装。试验结果与应变计所得数据比较，其误差在5 %以内，满足工程要求。杨建春等人[25]于2006年将40个EFPI处理后植入到桥梁内部，测量混凝土因环境温度产生的内部应变，其结果同样证实了F-P传感器可应用于混凝土结构中，同时传感器保持了较好的准确性和耐用性。2005年，王宁等人[26]利用FFPI成功对混凝土收缩应变进行测量的基础上，提出了通过FFPI进行混凝土弹性模量标定的方法，测试得到了弹性模量的标定曲线，其试验结果与理论值基本相符。

FFPI具有防水耐腐蚀、对原有结构影响较小的特点,因而非常适合用来监测混凝土固化期的应变。如果将多个FFPI埋入混凝土结构内部组成监测网,可以对混凝土结构内部应变分布状况进行长期实时在线监测,对整个混凝土结构从养护期至使用期的安全监测都具有十分明显的应用价值[27]。

4.2 桥梁结构

在桥梁结构应变测量中，电测法应用比较广泛。该法易受电磁干扰、存在漂移，精度较低等问题，难以用于结构的长期实时监测。光纤F-P应变传感器具有稳定性好、精度高、体积小、抗干扰强等特点，在桥梁结构应变监测中得到广泛应用。

早期，Choquet等人将FFPI焊入桥梁内部，其分辨率达到0.5×10-6，在三辆重型卡车匀速通过桥梁时应变值为25×10-6；2003年，吴文江等人[28]将EFPI埋入应用于预应力混凝土连续梁应变监测中,在施工现场对桥梁应变进行连续跟踪测试，其结果与传统的电阻应变计进行比较，证实了EFPI传感器在应变监测方面的可行性，以及由环境温度引起的传感器相干光相位移在工程应变监测中可以忽略不计；夏威夷大学Fung等人将将传感器安装在夏威夷岛大跨度桥钢筋混凝土桥表面应力集中部位，其测量范围达1 000×10-6，压应变或拉应变精确度为1×10-6，能够在20 Hz振动条件下获取各传感器的应变监测值。

5 FFPI相关问题

现有FFPI具有较好的环境适应性，其应变精度可达0.5×10-6，而且温度漂移很小，理论上适合恶劣环境下工程结构长期准确的应变监测。已有多名学者将FFPI应用于不同结构并取得较好结果，但是由于FFPI仍存在一些不足，没有完全进入商业化，目前多用于航天航空结构，军事装备方面的应变测量。其不足主要表现在：

1)在制作加工方面，FFPI的工艺要求较高，如：光纤断面反射镜的加工、带反射镜处的光纤连接，以及不同段光纤的对准问题。近年来虽然已有很多文献探索并研制了一些基于不同环境下的FFPI，但多数仍处于摸索阶段，难以在加工技术上实现较大的突破。

2)在应用方面，FFPI的安装工艺相对要求较高，同时适用于施工现场工作的传感器封装和保护技术相对还不够成熟。F-P光纤传感头比较脆弱，传感头会因施工过程的晃动、构件之间的碰撞、安装后的结构振动作用导致疲劳磨损，其精确度和耐久性下降，达不到长期监测的目的。另一方面，施工工程往往会对传感器造成较大的冲击，处理不当常常会损坏已经埋入的FFPI，降低其成活率。

3)在价格方面，F-P传感器成本较高，制作过程比较复杂，且FFPI仍是点式传感器，多路复用技术相对不成熟，在工程监测点较多的情况下，其监测成本相对较高。

6 结 论

FFPI属于新型准分布式传感器，能够进行绝对应变的测量，适用于各种复杂环境,是现在工程结构监测领域的研究热点。传统测量手段在针对复杂应变场、温度场以及振动的测量中所暴露出的低同步、误差大、耗时长的缺点，利用FFPI均可以得到改善。目前该传感器仍处于试验阶段，在实际工程实践中应用的案例还较少，但是随着技术的不断进步，可以预见在不久的将来该类传感器将有广阔的应用前景。

参考文献:

[1] Yoshino T,Kurosawa K,Itoh K,et al.Fiber-optic Fabry-Perot interferometer and its sensor applications[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techntques,1982,30(10)：1612-1621.

[2] Glisic B,Inaudi D.Fiber-optic methods for structural health monitoring[M].Chichester：John Wiley & Sons Inc，2007.

[3] Habel W R M,Hofmann D.Determination of structural parameters concerning load capacity based on Fiber-Fabry-Pérot-Interfe-rometers[J].Proc SPIE,1994(2361):176-179.

[4] 丁小平，王 薇，付连春，光纤传感器的分类及其应用原理[J].光谱学和光谱分析，2006，26(6)：1176-1178.

[5] 郭亚林,梁国正,丘哲明，等,复合材料光纤应变传感器发展概况[J].纤维复料,2002(3):42-44.

[6] Wei Tao,Han Yukun,Li Yanjun,et al.Temperature-insensitive miniaturized fiber inline Fabry-Perot interferometer for highly sensitive refractive index measurement[J].Optics Express,2008，16(8)：5764-5769.

[7] Mitchell G L.Intensity-based and Fabry-Perot interferometer sensors[J].Fiber optic sensors: An introduction for engineers & scientists,1991(2):119-134.

[8] Zeng Xu,Wu Yu,Hou Changlun,et al.High-finesse displacement sensor and a theoretical accelerometer model based on a fiber Fabry-Perot Interferometer[J],Journal of Zhejiang University:Science,2009,10(4):589-594.

[9] Huang Ying,Bevans Wesley James.Structural behavior evaluation of a steel frame in simulated post-earthquake fire environment using a comprehensvie sensing network[J].Proceeding of ANCRiSST,2011,1(12):30-42.

[10] Zhou X,Yu Q.Wide-range displacement sensor based on fiberoptic Fabry-Pérot interferometer for sub nanometer measure-ment[J].IEEE Sensors,2011，11(7)：1602-1606.

[11] Lee C E,Taylor H F.Interferometric optical fibre sensors using internal mirrors[J].Electronics Letters,1988,24(4):193-194.

[12] Valis T,Hogg D.Fiber-optic Fabry-Perot strain gauge[J].IEEE Photonics Technology Letters,1990,2(3):227-228.

[13] Kao T W,Taylor H F.High-sensitivity intrinsic fiber-optic Fabry-Perot pressure sensor[J].Optics Letters,1996,21(8):615-617.

[14] Huang Zhengyu,Zhu Yizheng,Chen Xiaopei,et al.Intrinsic Fabry-Pérot fiber sensor for temperature and strain measurement-s[J].IEEE Photonics Technology Letters,2005，17(11):2403-2405.

[15] 甘 雄.光纤珐珀应变测量系统周期性误差研究[D].重庆：重庆大学，2007.

[16] Murphy K A,Gunther M F,Vengsarkar A M,et al.Fabry-Perot fiber optic sensors in full-scale fatigue testing on an F-15 aircraf-t[J].Applied Optics,1992(31):431-433.

[17] Wang A B.Optical fiber sensors for energy-production and energy intensive industries[J].Advanced Sensor Systems and Applications,2002,4920:377-381.

[18] Aref S H,Latifi H,Zibaii M I,et al.Fiber-optic Fabry-Perot pre-ssure sensor with low sensitivity to temperature changes for downhole applications[J].Optics Communication,2007,269(2):322-330.

[19] 黄民双.基于端面镀膜的Fabry-Perot光纤传感器研究[J].光电工程,2002,29(1):12-14.

[20] Rao Y J.In-fibre Bragg grating sensors[J].Measurement Science and Technology,1997,8(4):355.

[21] 饶云江,曾祥楷,朱 永,等.非本征型法布里—珀罗干涉仪光纤布拉格光栅应变温度传感器及其应用[J].光学学报,2002,22(1):85-88.

[22] 江 建，饶云江，牛永昌，等.应用LPFG/EFPI集成式光纤传感器实现温度及应变的同时测量[J].光子学报,2003(9):1063-1066.

[23] Ravisankar K,Kesavan K,Parivallal S.Fiber optic sensors as NDT tool for structural monitoring[C]∥ASCE Conf on Investigation Techniques and Technology,2010:121-134.

[24] Leng J S,Barnes R A,Hameed A,et al.Structural NDE of concrete structures using protected EFPI and FBG sensors[J].Sensors and Actuators A:Physical,2006,126(2):340-347.

[25] 杨建春,陈伟民,徐 谋,等.光纤法—珀应变传感器在桥梁状态监测中的应用[J].传感器与微系统，2006,25(7)：76-79.

[26] 王 宁，朱 永，符欲梅.光纤法珀应变测量系统在混凝土弹性模量标定中的应用[J].土木工程学报，2003，36(8)：53-56.

[27] 刘勇前，杜彦良.埋人式F-P光纤应变传感器的疲劳性能试验研究[J].光学技术，2006，32(3)： 349-352.

[28] 吴文江,杜彦良,丁万斌,等,法布里—珀罗光纤传感器在桥梁健康监测中的应用[J].中国安全科学学报,2003,13(10)：73-75.