光纤法布里-珀罗传感器及其高温应用*

毛国培，李金洋，史 青

（北京遥测技术研究所 北京 100076）

引 言

随着我国航天事业发展，运载火箭载荷负载能力和发射频次不断提高。以大推力重型运载火箭为代表的新一代航天飞行器，其工况更加恶劣，发动机燃烧室管路、涡轮、喷管等结构承受严苛的热、力交变载荷，对结构及发动机流场状态提出了新的挑战，亟需开展精细化设计，提升火箭可靠性。

另一方面，开展有效设计的前提是准确识别运载火箭实际载荷分布、结构和流场状态。同时，运载火箭结构空间构型复杂，传统高温原位测量技术手段已经难以满足测试需求。

光纤传感作为一种新兴传感技术，具有尺寸小、质量轻、耐高温、抗电磁干扰、易于复用等优点。光纤密度为2.32g/cm3，是金属铜的四分之一，光纤直径仅为125μm，相较传统的电信号传感器，不仅减少了传输线缆的数量，单根光缆的质量也小于电缆质量。利用光纤传感器进行结构健康监测，可以大幅减少监测系统的质量，对于航空航天等领域具有重大意义[1]。不同种类的光纤传感器，如光纤布拉格光栅、法布里-珀罗FP（Fabry-Perot）传感器、长周期光纤光栅以及它们之间的组合传感器，都已经成功应用于应变、温度、压力、位移等物理量的监测。其中，光纤布拉格光栅局限于紫外调制的制作机理，高温下栅区会发生退化，难以长时间工作在大于200°C的高温环境。长周期光纤光栅存在结构缺陷，导致机械性能较差，而且高温响应不具有重复性[2]。

本文主要围绕FP传感器，阐述其在高温温度、高温应变、高温压力方面的应用进展。光纤FP传感器根据形成法珀腔结构的不同可以分为本征型光纤法珀传感器（IFPI）和非本征型光纤法珀传感器（EFPI）。IFPI传感器调制区位于光纤内，光纤既是传光介质，也是敏感元件，通过调制区光学性质变化实现传感监测；EFPI传感器是借助其它敏感元件感知被测信息，光纤只起到传导光的作用，不是连续的。1988年C.E.Lee等通过磁控溅射在光纤端面形成了TiO2反射膜，成功制作了首支IFPI传感器[3]。随后Kent A.Murphy 等人将两根光纤相对插入准直毛细管内，并采用环氧树脂将光纤和毛细管粘接固定，从而形成了最早的EFPI传感器，并成功应用于F15战斗机[4,5]。EFPI传感器中法珀腔由空气或者其它导光介质构成，结构更加灵活，选择更加多样，尤其是大动态范围的测量，IFPI受限于光纤性能难以胜任，因此，EFPI在实验研究和工程应用中都更加普遍。

1 FP传感器结构及原理

光纤FP传感器是一种干涉型光纤传感器，通过光纤端面间的多次反射形成干涉光谱，以EFPI传感器为例，两个光纤端面可以视为反射面，入射光在两个反射面之间多次反射形成干涉，如图1所示。

由于两根单模光纤材质相同，设两个反射端面的反射率均为R，入射光波长为λ，光强为I0，相邻两束干涉光的相位为φ，FP腔折射率为n，长度为L，入射光与反射端面之间的夹角为θ，根据多光束干涉原理可知，FP腔发射光强为

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

其中，相位差为

单模光纤中入射光通常是正入射到FP腔中，因此cosθ≈1，附加的相位π为光疏介质入射到光密介质发生反射时产生的半波损耗引起的相位差。对于端面处理良好的光纤，R≈0.04，R≪1，此时，多光束干涉可简化为双光束干涉，故式（1）可写为

在相位解调过程中，干涉光谱为余弦谱线。当干涉光谱的光强为极大值和极小值时，分别满足如下关系式

当外界环境发生变化时，腔长变为L+LΔ，此时，对应的干涉光谱波峰位置也会发生位移，波长变为λ+λΔ，满足

联合式（4）和式（6），在腔长变化范围小于波长的情况下，可得

光纤传感器利用光纤对某些特定物理量敏感的特性，能够将外界物理量的变化转换成光信号的变化。当被测结构的温度、压力、应变、位移等物理量中的一种发生变化时，这种变化作用到光纤FP传感器上，引起FP腔长L发生变化，因此，通过监测干涉光谱波峰波长变化获取腔长L，就能对这种变化的物理量进行监测。

2 高温应用

2.1 高温温度

在温度测量方面，航空航天发动机、油井勘探、钢铁冶炼等应用场景往往会面临数百甚至上千摄氏度的高温。虽然石英光纤耐温极限超过1000°C，但是各种研究表明，光纤涂覆层是其耐温最薄弱环节，普通光纤的丙烯酸脂涂层耐温极限不超过250°C，采用聚酰亚胺涂层可以将耐温极限提升至400°C，使用镀金涂层的光纤可以工作在800°C环境[6]。对于1000°C以上的工作环境，需要采用耐温性能更好的蓝宝石光纤。蓝宝石光纤熔点高达2043°C，在1600°C以上的超高温环境下仍然具有良好的光学性能，是目前超高温光纤传感的唯一选择。

L Xu等人通过将一小段单模PCF光纤与普通单模光纤进行熔接，熔接时PCF光纤的空气孔塌陷，从而形成法珀腔，该传感器可以在800°C以下的环境中长时间工作[7]。南京大学J Kou等人将石英光纤进行拉锥，通过激光刻蚀在锥区得到一个约4.4μm的空气微腔，该传感探头温度灵敏度达到20pm/°C，可以在超大温度梯度的复杂环境中工作，并且需要的安装空间较小[8]。M Yang等人通过物理气相沉积的方法在多模光纤端面先后镀上ZrO2、Al2O3、ZrO2薄膜，传感器可以实现 250°C～750°C温度测量，其灵敏度约5.4pm/°C[9]。美国Luna公司的Elster等人将EFPI温度传感器应用在波音公司的飞机结构健康监测系统中，该试验完成了高温传感系统安装流程、数据处理及传感器耐温性能的验证[10]。

对于蓝宝石高温温度传感器的研究，美国弗吉尼亚大学A Wang团队成功在蓝宝石光纤端面制作FP腔，然后与单模光纤熔接形成光纤FP温度传感器，实现了310°C～976°C温度测量，温度分辨率达到0.2°C[11]。在之后的研究中，该团队通过把蓝宝石晶片安装在蓝宝石光纤的一端形成FP腔，蓝宝石晶片产生的干涉信号经过蓝宝石光纤和石英光纤传输至分光计，随后对干涉信号进行解调。在实验室条件下实现了1593°C的高温测量，并且测试误差小于1°C[12]。

电子科技大学的饶云江等通过激光微加工技术，在石英光纤和蓝宝石光纤端面制备微型FP腔，并分别与石英光纤熔接，形成的FP温度传感器均能实现100°C～1100°C温度测量，经过对比，蓝宝石FP腔的温度灵敏度是石英FP腔的5倍[13]。

天津大学刘铁根等采用蓝宝石芯片和蓝宝石光纤形成FP腔，并通过在非高温区熔接普通多模光纤的方法得到了成本可控的超高温光纤温度传感器，该传感器在130°C～1080°C范围内的灵敏度能够达到3.11nm/°C，测试温差小于±3°C[14]。该传感器结构简单，性能稳定，并且具有较高测试精度，对于航空航天等高温工业应用具有一定的参考价值。

图2 蓝宝石光纤FP腔传感器Fig.2 Sapphire fiber sensor based on FP cavity

图3 蓝宝石光纤与石英光纤熔接Fig.3 Schematic diagram of sapphire fiber and quartz fiber fusion

在实验室条件下，利用蓝宝石光纤已经能够对1600℃以下的温度进行监测，并且误差较小，但是距离实际工程应用还有较大的差距。工程化应用不仅需要能够在恶劣的环境下对温度变化做出快速、准确响应的传感探头，还需要针对测试环境设计可靠的安装方案。缺乏稳定、可操作性强的安装方案已经成为制约高温光纤传感器应用的重要原因之一。目前，高温环境下光纤传感器的安装方式主要分为胶粘、焊接、等离子喷涂三种。胶粘可以适用于大部分工况，但是选择一款粘接性强、性能稳定、固化简单的胶需要大量筛选实验；焊接对于安装环境要求高，可适用范围小，并且随着测试温度不断升高，传感器各组件材料热膨胀系数差异带来的影响越来越明显，焊接安装容易引入一个较大的内部应力。等离子喷涂系统庞大，难以运输到安装现场，并且不适用于狭窄的安装面。因此，在未来的一段时间内，对于FP高温温度传感器工程化应用的研究，将主要集中在传感器安装工艺方面的攻关。

2.2 高温应变

监测结构在高温环境下的力学特性，尤其是结构的应变特性，是结构健康评估、力学性能优化的关键。结构高温状态下的应变测试方法有很多种，如图4所示。美国NASA研究指出，普通箔式应变片只能工作在400°C以下的环境中，1000°C以上的环境只能选用线扰式应变计或者光纤传感器[15]。在光纤高温应变测试方法中，主要有光纤光栅和光纤FP测试技术两种。本节主要讨论光纤FP传感器在高温环境下的应变测试应用。

图4 高温应变测试技术对比Fig.4 Comparison of high temperature strain testing techniques

电子科技大学饶云江等采用157nm激光制作的光子晶体光纤法布里-珀罗传感器，应变灵敏度为5.93nm/με，实验表明，该微腔不受温度的影响，800°C范围内腔长变化仅20nm，温度与应变的交叉敏感度约为0.075με/°C[16]。

X Liao等结合长周期光栅和FP腔实现温度和应变的同时测量，完成了500°C环境500μɛ的测量[17]。重庆大学的 M Deng通过将多模光子晶体光纤与普通单模光纤焊接，完成了750°C高温环境下1850με测量[18]。A Wang等通过激光热熔技术将光纤和准直毛细管焊接在一起，采用该方法制作的FP应变传感器成功避免了高温退化等问题[19]。但是采用刻蚀熔接形成的FP腔在结构上具有缺陷，应变测量范围有限。在之前的报道中，这类结构测量温度甚至可以达到1000°C，但是应变普遍小于3000μɛ。采用非连续光纤的EFPI传感器则没有这种限制。

武汉大学熊丽等在发表的论文中采用两段自由光纤在毛细管中形成FP腔结构，实现了500°C下10000μɛ的测量[20]。Y Huang等提出一种结合EFPI和LPFG的准分布光纤传感器，能够实现700°C环境下12%应变测量，局限于试验条件，完成了700°C、60000μɛ的同时测试试验，该传感器可以用于建筑物在地震等大应变条件下的健康监测[21]。

光纤FP高温应变传感器的工程化应用一直是一个难题。NASA德莱顿飞行研究中心针对X37飞行器的襟副翼和方向升降舵进行了详细的仿真和试验研究，并提出了基于光纤EFPI高温应变传感器。光纤EFPI高温应变传感器如图5所示，由镀金光纤和石英套管构成，并由等离子喷涂工艺固定在待测结构体上[15]。

图5 NASA制作的高温应变传感器Fig.5 High temperature strain sensor made by NASA

美国Missouri大学的Kaur等人提出了一种耐高温可嵌入式光纤EFPI应变传感器。采用飞秒激光器加工的传感器能够在800°C环境下稳定工作，并且验证了传感器与航天用复合材料拥有良好的兼容性。如图6所示，该团队将传感器嵌入航天用复合材料中，在0～4000μɛ的测试范围内，传感器展示了高度的线性应变特性[22]。

图6 传感器嵌入示意图及显微图像Fig.6 An image of a sensor embedded under a microscope

应变监测对于航天飞行器、运载火箭、弹道导弹等国防基础科研具有重要指导意义。近年来，美国及欧洲发达国家不断增加研发费用，抢占耐温超过800℃应变传感器研制技术的制高点。目前，美国、德国、俄罗斯、日本都已经成功研发出超过800℃的高温应变传感器，处于技术领先状态，但这些先进传感器始终对中国禁运。国内相关技术发展较晚，与国际领先水平仍然有一定差距，基本都是模仿国外技术路线。基于EFPI的高温应变传感探头结构简单、易于制作，但是和高温温度传感器一样，高温应变传感器也面临着传感器安装困难的技术难点。除此之外，国内没有高温应变传感器的专用测试设备，测试设备基本都是由研究单位改造得到。目前，已经有多家单位建立了高温应变传感器攻关团队，如北京遥测技术研究所、天津大学、电子科技大学、北京环境强度研究所等，但是距离工程应用还有一定距离。

2.3 高温压力

光纤压力传感器的研究起始于上世纪七十年代，目前，全球范围内已经有几家机构推出了光纤FP压力传感器，但受限于测试系统的可靠性、温度与压力的交叉影响、传感器的封装与现场安装等关键技术难题，还没有一家能够完全解决高温压力精密测试，只能满足部分实际需求[23]。由于传感器制作依赖手工，测试重复性差，导致传感器目前仍然无法量产和工程化。光纤原理的压力传感器国内研究较少，美国NASA、英国Oxsensis、欧洲航空局、美国Luna公司、Florida大学、Virginia理工大学，都相应开展了基于FP腔超高温压力传感器的研究，其研究方向集中在利用MEMS技术与光纤技术相结合，实现全SiC或全蓝宝石结构的敏感芯片。

英国Oxsensis公司从2005年开始研制基于光纤FP干涉原理的高温压力传感器，并与阿尔斯通、西门子、斯奈克玛等公司合作广泛，近年来，该公司已推出多款商业化高温压力产品，可以连续工作在750°C高温下，并可以短时间耐受1000°C的高温[24,25]，传感器如图7所示。2016年，Oxsensis公司参与了由Rolls-Royce公司和英国航空工业研究所发起的发动机健康监测系统E2EEHM（the end to end engine health management programme）的研发，旨在利用光纤传感器系统一体化解决发动机关键参数的原位监测难题。

图7 英国Oxsensis公司高温压力传感器Fig.7 High temperature pressure sensors for the company of Oxsensis

美国Luna Innovation公司在光纤传感领域享有盛名，其光纤高温传感器主要面向NASA和美国空军。该公司集中利用MEMS技术与光纤技术相结合，实现了全SiC或蓝宝石结构的敏感头制备，其传感器测量参数覆盖温度、压力、加速度、摩擦力等，耐温性能分别达到1400°C、800°C、850°C、870°C[26]。

Pulliam等人对EFPI压力传感器在涡轮发动机及高速燃烧室中的应用进行探讨，并在涡轮发动机研究中心完成了对跨声速风扇的测试[27]。

电子科技大学饶云江课题组采用157nm深紫外激光，在石英和光子晶体光纤上加工制作微腔，分别实现了400°C和700°C高温压力的测量[28]。

天津大学刘铁根等开发了微型光纤FP压力传感器、声压传感器以及相应的多通道解调仪，还对传感器的封装进行了一定研究[29,30]。西北工业大学单宁等将EFPI压力传感器用于航空发动机叶片裂纹的监测[31]。Fusiek等针对石油井下压力测量需求，研究了专用光纤FP压力传感器，并对实际应用工况进行了考核[32]。但是这些传感器使用温度普遍较低。

目前，为了解决超高温压力传感器的需求和压力传感器耐温低之间的矛盾，在实际应用中主要采用以下两种替代方法：一是采用水冷或者气冷的压力传感器，其工作温度可以达到1000℃。二是引压管结合常温压力传感器的测量方法，温度范围更高。这两种方法都具有着明显的缺点：水冷式或气冷系统比较复杂，将导致重量大大增加以及水冷或气冷产生的安全问题，限制了该类型传感器在航空发动机中的应用；在引压管结合常温压力传感器的测量方法中，引压管起着传递压力和隔离热量传递的功能，这样不但会导致非原位测量准确度不高，而且引压会降低测量的动态特性，不能满足实时动态压力测量需求。因此，高温环境下的压力测量仍然是目前测量技术的一个瓶颈。

3 结束语

光纤FP传感器自二十世纪九十年代问世以来，受到各国学者的广泛关注，经过二十多年的发展，高温温度、高温应变、高温压力等方面的研究硕果累累，并成功在石油煤矿、航空航天、电力系统等领域实现应用。基于石英光纤的法布里-珀罗传感器能够应用于1000°C以下的工作环境，不同环境温度使用不同涂覆材质，丙烯酸脂、聚酰亚胺及镀金涂层耐温极限分别为250°C、400°C、800°C，对于1000°C以上环境，目前，只能选择蓝宝石光纤作为敏感元件和传光介质。光纤FP传感器在特殊、恶劣环境中应用优势明显，但是传感器制作依然依赖手工，测试稳定性、重复性较差，制作的传感器需要逐个标定，严重制约批量化生产。随着工程应用的深入，今后的研究方向将围绕恶劣环境应用需求，重点突破FP腔自动化、规模化生产工艺，传感器现场安装技术以及传感系统的长期可靠性等关键技术。可以预见，光纤FP传感器高温应用将会是光纤传感器未来的重点发展方向之一。