基于CO2激光焊接的高温光纤压力传感器的研制

张慧君,隋广慧

(航空工业北京长城计量测试技术研究所,北京 100095)

0 引言

近年来,光纤传感技术作为一种新兴的测试手段,受到了国内外研究机构的广泛关注。与传统的电学传感器相比,光纤传感器具有重量轻、体积小、抗电磁干扰能力强等优点,已在航空航天、石油、爆炸等多个领域中显现出独特的优势[1-4]。高温F-P 光纤压力传感器是基于法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)干涉原理的一类光纤传感器[5],其动态响应高、耐温性能好,能够适应恶劣工作环境,可用于航空发动机高温动态压力的测量,为发动机的故障监测提供技术保障[6-7]。

目前,常见的高温F-P 光纤压力传感器多采用高温胶进行封装,虽能够满足耐高温的使用要求,但胶黏剂在高温下产生的热应力较大,且稳定性差,容易对光信号的传输造成影响,进而导致传感器性能降低甚至失效。本文研制了一种基于CO2激光焊接的高温F-P 光纤压力传感器,通过激光热熔的原理将传感器组件粘接在一起,可靠性高、性能良好,能够实现高温压力的准确测量。

1 传感器工作原理

如图1 所示,高温F-P 光纤压力传感器由敏感结构、准直管、光纤三部分组成,其材料主要成分为Si,SiO2,具有良好的耐温特性。其工作原理是:当入射光进入光纤后,光在组成F-P 腔的多个界面上发生反射(分别为R1,R2,R3,R4),反射光之间彼此发生干涉,形成复合F-P 腔的干涉信号[8-9]。当外界压力作用在感压膜片时,膜片产生变形,F-P 腔的腔长随之发生变化,进而引起干涉信号的变化。通过探测干涉信号的变化,可以解调得出外界压力的大小。

图1 高温F-P 光纤压力传感器结构示意图

根据弹性力学原理,传感器的灵敏度Y为

式中:Δd为膜片的形变量,nm;ΔP为外界压力的变化量,kPa;h为膜片的厚度,nm;E为膜片材料的杨氏模量,kPa;r为膜片的有效半径,nm;μ为膜片材料的泊松比。膜片厚度越小,有效半径越大,传感器的灵敏度越高。

2 传感器制作

2.1 敏感结构制备

传感器的敏感结构包括感压膜片和基底两部分,由MEMS 工艺制备而成,如图2 所示。主要制备过程是:在洁净的基底表面溅射一定厚度的金属镍,如图2(a)所示;在金属镍表面旋涂光刻胶,光刻显影,形成F-P 腔刻蚀窗口,如图2(b)所示;以光刻胶为刻蚀掩膜,湿法腐蚀金属镍,如图2(c)所示;以光刻胶和金属镍为刻蚀掩膜,采用高密度等离子体刻蚀技术干法刻蚀基底,刻蚀出具有一定深度的圆形凹槽,如图2(d)所示;将刻蚀好的基底表面进行表面处理,同时与另一基片进行键合,如图2(e)所示;将上层材料进行减薄抛光,直至上层膜片的厚度及表面粗糙度达到设计要求,如图2(f)所示。

图2 压力敏感结构MEMS 工艺流程

2.2 传感器焊接

根据光纤压力传感器结构微小的特点,设计了具有多维调节功能、夹持功能和信号解调功能的激光焊接系统,如图3 所示。焊接系统主要由CO2激光器、微位移平台、CCD 显微相机、解调仪等部分组成。其中,微位移平台用于将光纤传感器的各组件进行精密对准组装;CCD 显微相机用于对光纤传感器的组装和焊接过程进行显微视频监测;解调仪对光纤压力传感器返回的干涉光谱信号进行实时监测,并实时解调传感器的腔长、对比度等参数。

图3 激光焊接系统

利用CO2激光焊接系统对传感器进行焊接的过程为①焊接敏感结构与准直管:将准直管和敏感结构进行精密对准,发射一定功率的CO2激光脉冲对其进行点焊预固定,之后再进行360°密封焊接,保证焊接的可靠性;②焊接准直管与光纤:将切割好的光纤穿入上述焊接后的准直管中,直至光纤端面与敏感结构底面接触。发射一定功率的激光脉冲,对光纤与准直管进行预固定和360°密封焊接;③记录光谱及腔长值,完成传感器的焊接。焊接过程如图4 所示。

图4 传感器激光焊接过程示意图

激光焊接是将材料熔化粘接在一起的过程,由于光纤直径为0.125 mm,与准直管外径尺寸差异较大,其焊接的难点在于既要实现光纤与准直管的可靠焊接,又不能影响传感器信号的传输。当设定的激光能量较小时,由于准直管管壁较厚,光纤表面吸收的能量不足以使其软化,导致光纤无法与准直管熔融在一起;而激光能量太大时,光纤可能发生弯曲或断裂,从而造成传感器光谱质量下降。因此,需要对激光焊接参数(占空比和脉冲时间)进行筛选,图5 是采用最佳参数焊接得到的传感器实物图。

图5 传感器实物图

3 试验结果及分析

3.1 温度特性

将经过焊接封装后的传感器放入高温检定炉内,对其温度特性进行测试。设置高温炉温度由25 ℃缓慢升至300 ℃,当温度达到设定值时,保温60 min,记录传感器在不同温度下的光谱图和腔长值。图6 是传感器在25 ℃和300 ℃下的光谱图,可以看出传感器在高温下的光谱信号正常,且光谱能量没有发生衰减。由此表明,该传感器封装可靠,温度升高未对传感器信号的有效传输造成影响。

图6 传感器光谱图

图7 是温度从25 ℃升至300 ℃时的传感器腔长-温度变化曲线,拟合方程Y=0.000948941X2+0.43569X+19754.728,R2=0.99948。可以看出,随着温度的升高,传感器的腔长值不断增大,原因是材料的热膨胀导致传感器在高温下产生了零点漂移。温度从25 ℃升至300 ℃时,传感器的腔长变化量为211 nm,带来的压力测量误差约为86 kPa,因此在高温测试环境中应考虑零点漂移这一影响因素。

图7 传感器腔长-温度变化曲线

3.2 高温压力测试

利用高温静态压力测试装置对传感器进行高温下的压力测试,其安装示意图如图8 所示。传感器前端的传感头位于高温密封压力管腔中,尾端连接解调仪,标准压力发生器和高温检定炉分别提供标准压力和高温环境。当温度到达设定值后,在当前温度下保温30 min,然后调节标准压力发生器,以0.4 MPa 为一级,增加压力至2.5 MPa,之后再调节标准压力发生器,将压力从2.5 MPa 减小至0 MPa,此为一个循环。重复3 个循环,记录各压力稳定点下的仪表输出值,完成传感器在该温度下的压力测试。

图8 传感器高温压力测试安装示意图

图9 是传感器在25 ℃和300 ℃下的腔长-压力变化曲线,分别对其进行线性拟合,两曲线的线性度均可达0.9999。对测试数据进行处理可得,在0～2.5 MPa 压力范围内,传感器的测量误差均小于0.2 %FS,能够实现最高300 ℃下压力的准确测量。

图9 不同温度下传感器的腔长-压力曲线

图10 是传感器压力灵敏度随温度变化曲线,拟合方程为Y=0.00000066X2-0.000048X+2.51624,R2=0.99936。由图10 可以看出,压力灵敏度随着温度的升高而变大,这是由于膜片的杨氏模量在高温下发生变化导致的[10]。随着温度的升高,膜片的杨氏模量减小,导致传感器的压力灵敏度增大。

图10 传感器压力灵敏度-温度变化曲线

综上所述,温度变化对传感器的零点和压力灵敏度均有影响。在实际测试过程中,应根据图7 及图10两个拟合曲线,对传感器进行温度补偿。

4 结论

设计了一种基于CO2激光焊接的高温F-P 光纤压力传感器,研究了传感器的制作过程及焊接工艺,并对其性能进行了测试。研究结果表明,激光焊接的方法能够实现高温F-P 光纤压力传感器的可靠封装。且在最高温度300 ℃下,传感器性能稳定,在0～2.5 MPa 范围内的测量误差小于0.2 %FS。此外,温度变化对传感器的零点和压力灵敏度均有一定的影响。为了避免由温度带来的测量误差,在测试过程中需对环境温度进行实时测量,从而对传感器进行温度补偿。