基于EFPI-FBG 结构的光纤复合传感器研究

刘冬冬 王 伟 王昆鹏 刘 彬

(1.中国人民解放军92493 部队,葫芦岛 125001;2.西安航天动力试验技术研究所,西安 710100;3.沈阳黎明航空发动机集团有限公司,沈阳 110000;4.哈尔滨工程大学信息与通信工程学院,哈尔滨 150001)

1 引言

实时有效的压力原位测量在诸多领域都有重要应用前景,如在发动机状态监测领域,通过压力信号可及时有效地判断发动机喘振、燃烧稳定性、循环疲劳等问题[1]。常规压电、压阻式敏感器件在发动机运行的高温场景下,无法稳定开展测试工作,时常出现失效或者损坏现象。随着光纤传感技术的不断发展,光纤传感器件展现出体积小、耐高温、抗电磁干扰等诸多优势[2],可以有效填补传统敏感器件在恶劣环境下的缺点和不足。膜片式光纤法布里珀罗（F-P）干涉传感器就是其中的典型代表,近些年获得了广泛的研究和关注[3,4]。

1997 年,Kim Myung Gyoo 采用MEMS 工艺研制了一种氮化硅和石英复合薄膜的光纤压力传感器,其传感单元尺寸达到8×8 mm2时,灵敏度可增加1.57 rad／kPa[5]。2005 年,Denis Donlagic 提出的基于SiO2薄膜的光纤EFPI 压力传感器可实现（0～1）MPa范围的压力测量,分辨率为300 Pa[6]。2019 年,北京理工大学的赵琴琴以硅与特种玻璃为基本单元,使用MEMS 工艺制作光纤压力传感器,可实现（0～1）MPa 范围的压力测量[7]。在膜片式光纤EFPI 压力传感器中,膜片在压力作用下发生变形,从而引起F-P 腔长发生变化,进而引起F-P 干涉谱的变化,通过检测干涉谱的变化即可实现对压力的测量。但在实际应用中,传感器工作环境的温度变化将引起材料尺寸和材料热光系数发生变化,即同样引起F-P 腔的干涉谱发生变化。因此,传统EFPI 压力传感器存在温度压力交叉敏感问题。一种解决方法是进行压力测量的同时实现对温度的测量,从而实现温度影响的消除[8]。因此,在某些需要双参数测量领域,这一方法得到了较大的关注。

在本文中,研究了一种串联式EFPI-FBG 结构的压力—温度复合传感器。通过在EFPI 结构的引导光纤上引入FBG 结构,实现对压力和温度参数的测量。采用熔融石英材料构建压力传感器的敏感单元,提高了传感器的稳定性,对传感器的温度和压力响应进行了测量,并对试验结果进行了详细的讨论。研究结果表明,该类型传感器在温度压力双参数测量中具有广阔的应用前景。

2 EFPI-FBG 复合传感器工作原理

2.1 EFPI-FBG 复合传感器光学原理

入射光Iin进入光纤后,首先通过FBG 传感结构,其反射光信号为I1,则

式中:fFBG——FBG 结构的反射谱。通过FBG 的透射光I2可表示为

透射光I2从光纤端面出射后,入射到膜片内表面反射,随后再次耦合进入光纤中,形成干涉光谱I3为

式中:fEFPI——EFPI 结构的反射谱。

I3折返至FBG 传感结构后,产生透射光I4为

I4与I1叠加,形成最终的出射干涉光谱Iout表示为

式中:R1——FBG 的峰值反射率;λFBG——FBG 的中心波长;c——反射峰的宽度大小;R2——引导光纤进入F-P 腔端面的反射率;R3——F-P 腔敏感膜片的反射率;L——F-P 腔长;λ——入射光的波长。

2.2 EFPI-FBG 复合传感器结构

所采用的EFPI-FBG 复合传感器由膜片层、支撑层1、支撑层2、支撑层3、石英管和光纤光栅构成,如图1 所示。

图1 复合结构光纤传感器基本结构示意图Fig.1 Basic structure diagram of composite structure optical fiber sensor

膜片层、支撑层1、支撑层2、支撑层3 的材料均为熔融石英玻璃。采用相同材料的好处是可以避免热膨胀系数不同带来的应力不匹配,从而提高传感器的性能稳定性。作为压力敏感结构的膜片层厚度为100 μm,支撑层1 和支撑层2 厚度为300 μm,支撑层3 厚度为500 μm。支撑层1 中间的通孔尺寸（ϕ1.5 mm）决定了压力敏感膜片的有效直径,从而决定了传感器的压力灵敏度。支撑层2 提供石英毛细管的阻挡作用,其中间通孔（ϕ1.5 mm）用于通过光纤结构;支撑层3 提供石英毛细管的支撑,其中间通孔直径为1 mm,与所采用的石英毛细管直径相匹配。引导光纤经由石英管固定,光纤端面和膜片的内表面之间组成F-P 腔结构,在靠近光纤端面处刻写FBG 结构。在支撑层2 和支撑层3 同时加工了两个对称的圆形联通孔（ϕ0.15 mm）结构,联通孔中心距支撑层中心0.675 mm,用于连通F-P 腔和外部大气。

2.3 EFPI-FBG 复合传感器压力敏感机理

采用边缘固定的圆形平板作为压力敏感膜片。假设敏感膜片半径为R,厚度为d,其杨氏模量为E,则在均匀压力P作用下,膜片中心受迫形变量σ0可以表示为

式中:v——膜片材料的杨氏模量。所采用的熔融石英材料尺寸为d=100 μm,R=0.75 mm,计算可得其膜片中心位置的压力灵敏度约为0.8 μm／MPa。

2.4 EFPI-FBG 复合传感器温度敏感机理

外界温度发生变化时,热光效应及热膨胀效应会改变FBG 传感结构的光栅周期和有效折射率,促使中心波长产生漂移现象。其偏移量满足

式中:λFBG——中心波长;ΔλFBG——中心波长变化量;Λ——光栅周期;ΔΛ——光栅周期变化量;ne——有效折射率;Δne——有效折射率变化量;α——热膨胀系数;β——热光系数;ΔTFBG——外界温度变化量。因此,光纤光栅的温度灵敏度系数可表示为KT=α+β。常温下,普通石英材质的掺锗光纤热膨胀系数α=0.5×10-6／℃、热光系数β=8.3×10-6／℃,则KT=8.8×10-6／℃,在本文中,λFBG=1 550 nm,对应温度灵敏度理论值为13.6 pm／℃。

利用公式（5）进行仿真,得到传感器干涉谱信号如图2 所示,假设波长的有效区间范围为（1 520～1 565）nm,对FBG 而言,R1=90%,λFBG=1 550 nm,3 dB 带宽为0.3 nm;对于F-P 结构而言,R2=R3=4%,L=300 mm。可以发现,其反射谱明显由两部分组成,分别是用于压力测量的双光束干涉区域和用于温度测量的FBG 区域。

图2 EFPI-FBG 复合传感器干涉谱仿真信号Fig.2 EFPI-FBG composite sensor interference spectrum simulation signal

在实际情形中,EFPI-FBG 复合传感器的腔长变化ΔL和中心波长的变化ΔλFBG同时受到外界压力变化ΔP及温度ΔT变化的影响,因此,它们之间满足

式中:A11——F-P 腔的压力灵敏度;A12——F-P 腔的温度交叉灵敏度;A21——FBG 的压力交叉灵敏度;A22——FBG 的温度灵敏度。对于特定的传感器,上述四个参数可以通过试验进行校准。在测量得到F-P 腔的腔长变化和FBG 的中心波长变化后,可以计算得到外界的压力和温度变化。

3 EFPI-FBG 复合传感器加工

EFPI-FBG 传感单元制作流程如图3 所示,步骤为:（1）定制三块不同规格的石英基片a1、b1、c1,并将表面进行清洁处理;（2）采用机械刻蚀工艺分别在基片上加工对应的通孔结构,得到a2、b2、c2;（3）采用飞秒激光将三层结构焊接成支撑结构e;（4）制作特殊规格的石英敏感膜片d,将其与支撑结构e 焊接牢固,组成与外部联通的结构f;（5）在石英膜片内表面,采用电子束蒸镀的方法制作金属银增反层,得到g 结构;（6）从背板插入石英插芯并固定后（h）,插入预先刻写完成的FBG 单模光纤进行高温固化,完成传感单元i 的制备。图4（a）为飞秒激光键合工艺制备完成的传感器敏感单元。图4（a）中的插图是利用扫面电镜测量得到的键合区域,可以发现石英层之间焊接的区域实现了良好的键合;而未焊接的部分有空隙存在,这正是石英片上彩虹状条纹产生的原因。图4（b）为完成的传感单元实物。

图3 EFPI-FBG 传感单元制作流程示意图Fig.3 Schematic diagram of EFPI-FBG sensing unit manufacturing process

图4 制备完成的传感单元实物图Fig.4 Prepared physical drawing of sensing unit

4 光纤EFPI-FBG 复合传感器性能测试

光纤传感器测试系统如图5 所示。解调系统由宽带激光器（LSB-ASE-C,OPEAK,波长为1 530～1 560 nm）、环形器、待测光纤传感器、光谱分析仪（AQ6370C,YOKOGAWA）和测试计算机组成。激光器宽带信号经环形器进入光纤传感器,其反射光经环形器后入射到光谱分析仪,计算机对采集的干涉谱数据进行解算。右侧虚线框内为测试用设备,电热板（温度控制最大允许误差为±1℃）用于对光纤传感器的温度响应进行测试,压力罐、精密调压阀（IR2020-02BG,最大允许误差为±0.2% FS）及氮气罐用于对光纤传感器进行压力测试。精密调压阀的压力调整范围为（0～0.8）MPa。电热板的加热区间是50℃～300℃。需要说明的是,由于条件限制,所采样的温度和压力控制单元的控制误差会不可避免地影响传感器性能,导致测量结果出现偏差。在测试过程中,需要通过延长温度和压力稳定时间以及多次测量的方式尽可能降低其影响。在传感器的后续研究中,还应采用标准设备对传感器性能进行标定。

图5 光纤传感器测试系统示意图Fig.5 Composition diagram of optical fiber sensor test system

4.1 干涉谱信号及初始腔长

利用图5 所述装置进行测量,得到常温、常压状态下的干涉谱,如图6 所示。与仿真结果不同的地方在于FBG 的反射谱附近出现了较多的毛刺现象,其可能的原因是FBG 的有效区域同光纤端面相隔较近,FBG 区域同光纤端面的反射光之间发生了寄生干涉现象。当采样点数较少时,该现象消失。

图6 光纤传感器干涉光谱测量结果Fig.6 Measurement results of interference spectrum of optical fiber sensor

分析可知,图2 和图6 中双光束干涉条纹的相邻两个波峰或波谷之间的相位差为2π,因此可以计算F-P 腔的腔长Lcav为

式中:λ1和λ2——分别为干涉条纹相邻两个波谷（或波峰）处的波长值。取λ1=1 530.956 nm,λ2=1 535.772 nm,计算可得传感器的初始腔长为244.102 μm。

对于干涉谱中特定某个波峰或者波谷信号而言,根据公式（6）可知,其波长值将随着F-P 腔长的变化而变化。F-P 腔长的相对变化量ΔLcav与波峰或者波谷处波长的相对变化量Δλ满足

因此,根据测量得到干涉谱中特定波峰或者波谷位置的波长相对变化量,可以计算得到腔长的相对变化量,该方法称为单峰测量法。

利用光谱仪的峰值提取功能,可以直接读取得到FBG 的中心波长为1 549.932 nm。将此结果作为传感器在常温常压下的初始状态。

4.2 EFPI-FBG 传感器压力响应测试结果

首先,对加工得到传感器的压力稳定性进行测试。将压力保持在0.6 MPa 处,每隔1 min 采集一次光谱数据,测试结果如图7 所示。在测试过程中,光谱采集区间设置为1 525～1 575 nm,采集点数为12 501。可见,传感器光谱重复性良好。将1 538 nm处的光谱信号放大,可以发现其波长只偏移了约30 pm。由于光谱的偏移有可能来自于所施加的压力自身的不稳定,因此,可以认为加工得到的压力传感器具有良好的稳定性。

图7 0.6 MPa 作用下的传感器稳定性测试结果Fig.7 Sensor stability test results under action of 0.6 MPa

对传感器的压力响应进行测试。将传感器安装在压力罐中,从常压（0 MPa）开始,以0.1 MPa 为步长,逐渐加压至0.8 MPa,然后再以相同步长降压至0 MPa。重复3 次,在每个压力点处都记录一次光谱数据,测试结果如图8 所示。可以发现,在升压过程中的干涉谱信号发生漂移现象。为了更好的观察F-P 腔光谱的偏移,将1 535～1 540 nm 波长范围内的干涉谱信号进行放大,如图8 中虚线框中子图（纵坐标已转换为对数形式）所示,可以明显看出光谱红移的效果。利用单峰测量法,通过监测波谷处波长的变化,即可得到腔长的变化值。

图8 升压作用下传感器响应测试结果Fig.8 Sensor response test results under boost

升降压过程中0.6 MPa 处的光谱信号及其局部放大图如图9 所示。可以发现,光谱信号具有较高的重复性。将1 538 nm 波谷处的光谱放大后可以发现此时波长差值不超过0.166 nm。利用单峰追踪法,可以得到在此压力处的腔长变化值不超过26.2 nm。

图9 三次升降压作用过程中传感器重复性测试结果Fig.9 Repeatability test results of sensor during three pressure rise and fall

三次循环测试后EFPI 腔长随压力变化的趋势如图10 所示,图中同时标出了测试结果的均值及其线性拟合结果。可以得到测量腔长动态范围输出为0.569 μm。参考《GB／T 15478-2015 压力传感器性能试验方法》中规定的重复性定义,对传感器的压力响应重复性进行计算。三次压力升降过程中,最大标准差为0.009 8 μm,取重复性系数为2,则压力测试的重复性为3.44%。计算可得压力传感部分最大的非线性误差为0.021 μm,线性度为3.56%;其迟滞误差出现在0.5 MPa 处,计算可得此时对应的迟滞误差为1.27%。传感器最大允许误差由重复性误差、非线性误差和迟滞误差共同决定,计算可得所实现的传感器最大允许误差为4.12% Fs。相比现有的传感器,所实现的传感器最大允许误差尚不理想。根据计算过程可知,传感器的重复性和非线性误差均较大,其可能的原因包括所用测试设备自身的重复性和准确性,同时也来自于所采用的传感器腔长解调算法。根据斜率可得传感器的压力灵敏度A11为-0.729 μm／MPa。实际测量得到的传感器压力灵敏度小于理论值,可能的原因在于膜片的厚度、中间孔的直径等存在加工误差。

图10 EFPI-FBG 复合压力响应测试结果Fig.10 EFPI-FBG composite pressure response measurement results

虽然FBG 的封装结构使其免于受到应力的影响,但根据公式（5）可知,FBG 的中心波长同时也受到F-P 腔长的调制。因此,FBG 中心波长对压力变化的敏感情况进行了测试,结果如图11（a）所示。测试结果表明,压力的不断升高使测试样品FBG 中心波长呈现渐大趋势。压力和温度之间的拟合结果如图11（b）所示,其拟合曲线斜率即FBG 中心波长的压力灵敏度为0.071 nm／MPa,表明FBG 的中心波长受到了F-P 腔长的调制。

图11 FBG 中心波长随压力变化测试结果Fig.11 Test results of FBG central wavelength varying with pressure

4.3 EFPI-FBG 复合传感器温度响应测试结果

将传感器置于加热板上,改变其工作温度。测试温度范围为50℃～200℃,每次数据记录间隔25℃（稳定30 min）。保持大气压状态,进行不间断升降温测试,将一次升降温作为一组测试行程,共进行三组,测试结果如图12 所示,其FBG 的中心波长随温度变化趋势如图中虚线框内所示。可以看出,温度的升高可使中心波长不断增加。

图12 FBG 反射谱中心波长随温度变化测量值Fig.12 Measured value of central wavelength of FBG reflection spectrum varying with temperature

画出三次测试结果的平均值及对应的线性拟合结果,如图13 所示。FBG 在三次升降温环节中的满量程最大输出为1.558 nm。同样参考压力传感器的重复性概念对FBG 测量结果的重复性进行表征。三次正反行程测量中,正向（0.021 nm）和反向（0.048 nm）最大重复性误差均出现在175℃处,计算可得该点的标准差为0.02 nm。取重复性系数为2,则温度测试重复性为2.57%。通过拟合计算,温度传感部分的最大非线性误差为0.027 nm,则可得线性度为1.73%。拟合结果的皮尔逊系数为0.999,表明FBG 的中心波长同温度之间存在良好的线性关系,拟合曲线的斜率表明FBG 传感器的温度灵敏度为0.009 nm／℃。

图13 光纤传感器温度传感重复测试数据结果Fig.13 Repeated test data results of optical fiber sensor temperature sensing

由于材料热膨胀等原因,温度变化会影响F-P腔腔长,从而影响压力测量。因此,将F-P 腔腔长对温度变化敏感情况进行了测试,结果如图14 所示。可见,温度的升高会使F-P 腔腔长逐渐变大。而当温度升高之后腔长的离散性增加,其可能的原因是传感器封装中所采用的高温胶性质不稳定。在后续的研究中,将采用具有更高性质的无机胶结构或进行激光焊接。测试结果中,拟合曲线的皮尔逊系数为0.986,体现出高度线性相关性,此项交叉敏感影响不可忽略。拟合曲线斜率表明,F-P 腔腔长受温度变化影响约为22 nm／℃。

图14 F-P 腔腔长与温度变化的关系曲线Fig.14 Relationship curve between cavity length and temperature of F-P cavity

根据上述测试结果,可以得到得EFPI-FBG 复合传感器的灵敏度矩阵关系式为

通过该矩阵关系式,可以由FBG 中心波长与F-P腔腔长变化直接计算得到压力和温度变化量,较好地解决了工程实际应用的快速测量问题。然而,从实际应用角度来说,矩阵中的相关系数A12和A21应尽可能趋近于0,从而降低交叉敏感影响,这也为后续深化研究提供了方向。

5 结束语

研究了一种基于EFPI-FBG 串联结构的光纤复合传感器。利用EFPI 结构实现对于压力信号的测量,利用FBG 结构实现对于温度信号的测量。传感器整体结构为熔融石英构成,并采用飞秒激光焊接的方式进行传感器的封装。通过分析传感器的工作原理,搭建解调装置,对制作的EFPI-FBG 传感器结构进行测试与分析。传感器膜片结构的压力灵敏度约为-0.729 μm／MPa,其F-P 腔的温度交叉灵敏度为0.022 μm／℃。FBG 结构的温度灵敏度为0.009 nm／℃,其压力交叉灵敏度为0.071 nm／MPa。所研究的EFPI-FBG 复合传感器有望应用于需要压力—温度双参数测量的领域。