蓝宝石光纤空气隙非本征型法布里-珀罗高温传感器复用技术研究

刘 琨

（沈阳职业技术学院，沈阳 110045）

0 引言

近10年来，单晶蓝宝石光纤传感器引起了人们的极大的兴趣。由于蓝宝石具有许多独特的特性，如高熔点（2040℃），耐化学腐蚀，硬度高，宽的透光光谱范围[1]，因此，蓝宝石传感器在温度高达2000℃的环境中不退化。各种传感器结构，如蓝宝石晶片，空气腔FP传感器，蓝宝石光纤光栅等都已实现。在这些传感器中，空气腔FP传感器具有价格低廉，功能强大，灵敏度和动态范围可调等优点而备受关注。此外，在线式的空气腔FP传感器也非常易于串联复用进行多点测量。此前研究结果表明，由于蓝宝石光纤的大的模场直径，因此为了获得加号的条文对比度，对空气腔长和两断面的平行度有很高的要求。最终，这个影响限制了空气腔传感器的制作的重复性和可达到的对比度，致使空气腔传感器很难复用。

本文中，我们通过采用蓝宝石管线抛光技术和氧化锆准直管来获得FP传感器高对比度。这些优点使我们第一次实现了蓝宝石光纤传感器的串联复用多点温度测量。此外，由于采用氧化锆准直管有效地增加了传感器的长度，空气隙的FP传感器表现了比此前膜片式传感器更加高的灵敏度。

1 实验装置及原理

图1所示为一单点空气隙高温FP传感器结构示意图。两根同时抛光的蓝宝石光纤[Micro Materials, Inc.; outside diameter (o.d.) 75 um]能够获得最好的平行度(ULTRAPOL, 0.5 um polishing film)，然后精确地插入到氧化锆准直管里[Swiss Jewel, inside diameter (i.d.) 78 um, length 1 cm]来形成FP腔产生干涉条纹。抛光时，将斯根蓝宝石光纤放入到一根5cm长内径239um的氧化锆毛细管内固定。由于每根光纤最大能够占据89um的位置，因此，四根光纤端面的家督误差最大为（89um/5cm）=0.1°。

图1 空气腔FP温度传感器结构

图2 不同腔长空气腔FP传感器反射光谱

同时，传感器解调单元用于实时查询传感器光程差的变化。当光程差值达到我们需要的数值时，采用高温陶瓷胶(Cotronics, HP903)将蓝宝石光纤同氧化锆粘结起来。通过控制两根蓝宝石光纤端面间空气隙的大小来获得不同的光程差。然后，将传感器放置于1150℃的电阻炉(Thermolyne 48000)里进行热退化来增强其稳定性。图2所示为一空气隙FP传感器的反射谱图。从图中我们可以看出大的光程差时光谱波动的频率也会高。我们可以通过对传感器反射光谱进行快速傅里叶变换来对多个传感器进行解复用和对单个传感器的腔长进行测量。温度变化引起的传感器空气腔长的变化的原因是由于氧化锆准直毛细管和蓝宝石光纤的热胀冷缩效应，

式中，OPD(T)是任意温度T是的光程差（OPD），OPD(T0)为温度为T0时的光程差。Cz和Cs分别为氧化锆准直管和蓝宝石光纤的热膨胀系数。Leff为蓝宝石光纤和氧化锆准直毛细管两个粘结点之间的有效长度。

三个温度点串联复用系统结构示意图如图3所示。三个蓝宝石空气腔传感器串联在一根蓝宝石光纤上，将入射蓝宝石光纤熔接到一根100/140um多模石英光纤上。有一个超辐射发光二极管(SLED) (Honeywell, central wavelength 850 nm,FWHM 50 nm)发出的宽谱光通过一个50:50的多模光纤耦合器(Gould Optics)，其中一路入射到三个串联的传感器上，其反射光通过耦合器后入射到光谱仪(Ocean Optics, USB2000)中。耦合器的另一端放入匹配液中以消除杂散光。

图3 多点传感系统结构示意图

图4 三个传感器的反射谱

图5 三个传感器反射谱FFT结果

图6 传感器2的标定曲线

2 实验结果及分析

三个传感器的光程差分别为47，95，145um，图4所示为连接有传感器和没连接传感器是光谱仪接收到的光谱。图5所示为三个传感器相应的傅里叶变换谱。如图5所示，三个传感器的快速傅里叶变换谱对应三个分析的峰值，每一个对应一个传感器的唯一的光程差。解调时，我们采用快速傅里叶变换和带通滤波器来选择每一个传感器。然后再进行反傅里叶变换，相位展开，线性拟合计算出每个传感器的光程差。再选择不同个带通滤波器重复上述过程，三个传感器的光程差便都计算出来了。不同于峰值跟踪方法，这种信号解调方法使用了整个光谱信息，而不是一个或者几个波长信息来计算光程差，因此，该方法既有极高的精度。详细的方法介绍见参考文献[8]。

将传感器置于测试电阻炉里(Thermolyne 48000)，然后采用表针B型热电偶(Omega)来标定传感器。电阻炉内的温度由程序控制以3℃/min的速度由200℃升至1000℃再降到200℃。图6所示为传感器2的标定曲线。在标定过程中，温度在上升和下降的过程中传感器的光程差都要做记录。在温度上升和下降的过程中产生的传感器的迟滞现象我们认为是由于高温陶瓷胶所致。我们采用温度上升和下降时光程差的平均值给出了传感器的标定曲线，如图6所示。温度和光程差的关系用三次多项式拟合。

图7 三个传感器的标定曲线

图8 传感器2的光程差波动曲线

图7 所示为三个传感器的标定曲线。由于这三个传感器具有不同的腔长，为了比较，采用600℃时的腔长值来归一化传感器的光程差。由图7我们可以看出所有三个传感器具有非常好的灵敏度，在整个标定范围内，每只传感器的灵敏度为30nm/℃。由于在高温时氧化锆准直管和蓝宝石光纤的热膨胀系数差变小，灵敏度随着温度的升高而降低。在1050℃时的灵敏度为20nm/℃，是膜片式传感器的十倍。

空气腔传感器的固有的高的灵敏度引起高的温度分辨率。为了测量该值，我们将传感器2放置于任意温度和1050℃进行10分钟的测试。每次测试记录100个数据点，测量结果如图8所示。标准差分别为2.8nm，2.9nm。在1050℃式的传感器的灵敏度为20nm/℃，南无其温度分辨率为0.3℃。

3 结论

本文实现了基于蓝宝石光纤空气腔高温FP传感器的串联复用结构。三个具有不同腔长的传感器制作成串联到一起，并且进行了测试和标定。三个传感器具有非常高的灵敏度，其温度分辨率为0.3℃，能够稳定地工作于1000℃。该多点空气腔温度传感器能够应用于环境恶劣的环境中。

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