光纤F_P腔压力传感器的研究进展
面向内燃机腔室压力监测的光纤F-P传感系统
1 研究内容 1.1 双 F-P 腔光纤压力传感器 1.1.1 原理分析 传感器结构如图 1 所示。利用厚度为 h1 的双抛硅的 两个反射面构成 FP1 结构，作为温度敏感单元；利用石英 膜片作为压力敏感单元。利用硅的外表面与石英膜片的内 表面构成腔长为 h2 的 FP2 结构。利用石英包层固定单模 光纤后，将其贴合在硅材料上。石英膜片和硅片都被固定 高硅玻璃上，形成完整的压力传感结构。
参考文ห้องสมุดไป่ตู้院 [1]S. Pevec and D. Donlagic, “Miniature all -fifiber Fabry -Perot
sensor for simultaneous measurement of pressure and temperature,”Appl. Opt., vol. 51, no. 19, pp. 4536 – 4541, Jul.
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内燃机与配件
面向内燃机腔室压力监测的光纤 F-P 传感系统
黄乐然曰李政阳
（哈尔滨工程大学信息与通信工程学院，哈尔滨 150001）
摘要院本项目旨在实现内燃机腔室压力的精确监测，构建通过温度补偿，精确测量压力的光纤传感系统。利用串联 Fabry-P佴rot
（F-P）腔结构光纤传感器，在测量压力信号的同时监测腔室内的温度。利用光谱仪采集双 F-P 腔的干涉光谱后，使用结合 Buneman 频
FP1，FP2 与总长腔分别对应式（1）的第二、三和四项。因 此，通过合理设置可实现解调的初始腔长，即可实现两腔 腔长的监测，进而完成压力与温度信号的测量。
1.2 结合 Buneman 频率估计的 FFT 相位解调法 1.2.1 FFT 解调法 FFT 相位解调法将干涉谱信号变换到频域进行分析， 是针对双光束干涉的一种解调方法。以单 F-P 腔为例，其 干涉谱可简化为双光束干涉：
基于光纤F-P腔的湿度传感器研究论文
基于光纤F-P腔的湿度传感器研究论文基于光纤F-P腔的湿度传感器研究2010年4月题目基于光纤Fabry-Perot腔的湿度传感器研究英文The Research of Humidity Sensor Base on2009年5月中文摘要对于环境相对湿度的检测在许多地方都是十分有必要的，人们的日常生活和生产活动以及动植物的生长和生存，都与周围环境的湿度息息相关，家电、交通、到医疗、气象、工农业都需要进行湿度测量。
武器库易燃易爆物品存储仓库这些地方使用电子式湿度计是十分危险的，而且现今市场上的湿度计大多存在湿度测量精度不高的缺点。
光纤Fabry-Perot（F-P）传感器是基于F-P干涉原理制作的光学干涉传感器，传感信号是全光信号，可远距离传输不衰减，可适用与苛刻环境下的测量，光学干涉测量具有分辨率极高的特点有望实现高精度的相对湿度测量。
本文基于光纤F-P干涉原理在光纤端面镀膜研究开发光纤F-P腔湿度传感器。
以陶瓷插芯固定光纤端面，以增加薄膜对光纤端面的结合力，在光纤端面镀制银膜/多孔硅膜/银膜，以两层银膜构成一个F-P干涉结构，中间的多孔硅薄膜作为湿度敏感原件制作的光纤F-P湿度传感探头，并进行湿度测试实验对制作的湿度传感器性能进行验证。
针对上述内容本论文主要完成了下述研究工作：（1）光纤F-P干涉理论分析分析了多光束干涉理论、高精细度光纤F-P腔理论以及低精细度光纤F-P 干涉的传输损耗特性分析。
（2）光纤F-P腔的制作高效简单光纤F-P腔的制作方法是困扰光纤F-P腔传感器走向实用化的主要原因，本文利用磁控溅射在用陶瓷插芯固定的端面镀膜，通过对其制作工艺的研究来提高和完善传感器探头的制作。
（3）湿度敏感薄膜特性分析影响传感器探测精度除了F-P腔的反射薄膜制备效果之外还有湿度敏感薄膜的制备效果和其特性的影响，本文使用多孔硅薄膜制备的湿度敏感原件得到了很高的湿度响应特性。
（4）湿度传感器实验测试设计了光纤F-P腔湿度传感器实验测试系统，搭建实验光路测试了传感器对红外宽带光源入射时的光谱响应和单色激光光源入射时的光功率变化，并对测试结果数据进行分析得出湿度传感器的特性。
F-P光纤传感器的损耗特性分析及其研制
１ 传 感 器 的 结构
Ｅ Ｐ 光纤传感器光纤 间的耦合损耗有多 种原因 ， ＦＩ 比如 空气 隙 的存在 、 两光纤 间的横向偏 移 、 两光纤 端面 的夹 角 、 光纤端 面
维普资讯
２０ ７年
仪 表 技 术 与 传 感 器
Ｉ ｓ ｕ ｎ Ｔ ｃ ｎｑ ｅ ａ ｄ Ｓ ｎ ｏ ｎ ｔ ｍｅ ｔ ｅ ｈ ｉ ｕ ｎ ｅ ｓ ｒ ｒ
２ ７ ００ Ｎｏ． ５
第 ５期
Ｆ—Ｐ光 纤传 感 器 的损 耗特 性 分 析及 其 研 制
光纤传感器是从 ２ 世纪 ７ 年代 飞速发展起来 的新 型传感 ０ ０ 器， 与传统传感器相 比， 它具有灵敏度 高 、 电磁干扰 、 抗 耐腐 蚀 、 容易实现分 布式测量 【 等优点 。而在众多 形式 的光 纤传感 器 １ ｊ 中，ａｒ ｅ ｔＦ—Ｐ 干 涉型光纤 传 感器 是一 个很 重要 的分 Ｆｂ ｙ—Ｐｒ （ ｏ ） 支， 因其结构简单灵 巧 、 体积小 、 安装简便 、 成本较低 ， 因此在微
Ｋｅ ｒ ｓ ｏ ｔ ａ ｆ ｅ ｅ ｏ ；ａ ｒ — ｅｏ ｎｅｆｒ ｍｅｅ ；ｎｅ ｉ ｏ ； ｎ ｈ ｏ ａ ｉ ｙ ｗｏ ｄ ￣ ｐｉｌ ｉ ｒｓｎ ｒ ｆｂ ｙ ｐ ｒｔｉｔｒ ｏ ｔｒ ｉｔｎ ｔ ｌｓ ｌ ｇ ｃ ｖｔ ｃ ｂ ｓ ｅ ｓｙ ｅｔ ｆ ｙ
０ 引言
２ 损 耗分 析 与膜 反 射 率选 择
Ａｂ ｔａ ｔ Ｔ ｅｅ ｉ ｉ ｔ ｉ ｏｓｗｈ ｎ ｔ ｅｌ ｈ ａ ｓｔｒ ｕ ｈ ｔｅｃ ｖｔ ｏ ｔ ｎ ｉ ａ ｒ － ｅ ｏ Ｉ ｔ ｆｒｍｅｅ 、 ｈｓｐ ｐ ｒｓ ｄｅ ｅ ｓｒ ｃ ： ｈ ｒ ｅ ｔ ｌ ｅ ｇ ｔ ｓ ｏ ｇ ａ ｉ ｆ ｒ ｓｃＦ ｂ ｙ Ｐ ｒ ｔ ｎ ｅ ｅｏ ｔｒ Ｔ ｉ ａ ｅ ｔ ｉｄ ｔ ｓｎ ｎ ｙ ｓ ｓ ｈ ｉ ｐ ｈ ｈ ｙ Ｅ ｉ ｘ ｒ ｕ ｈ ｃ ａａ ｔｒ ｔ ｔ ｉ ｓ ， ｄ ｔｅ ｒｓ ｎｅ ｅ ｒ ｌｔ ｎ ｈｐ ｂ ｔ ｅ ｎ ｌｓ ｏ ｆｃｅ ｔａ ｄ ｔｅ ｌｎ ｔ ｆｔｅ ｃ ｖｔ Ｔ ｅ ｌｓ ｅ ｏ ｓ ｈ ｒｃｅｉｉ ｏ ｉ ｅ ｔ ｌ ｓ ａ ｎ ｐ ｅｅ ｔｄ ｔ ｅａｉｓ ｉ ｅ ｗ ｅ ｓ ｃ ｅｆ ｉｎ ｅ ｇｈ ｏ ａ ｉ ｈ ｏ ｓｂ ｃ ｍｅ ｓ ｃｆ ｎ ｎ ｙ ｏ ｎ ｈ ｓ ｈ ｏ ｏ ｉ ｎ ｈ ｈ ｙ． ｌｒｅ ｐｄｙ ｗｉ ｈ ａ ｉ ｅ ｇｈ ｂ ｃ ｍｉ ｇｌｎ ｅ ． ｅ ｈ ｕ ｐ ｔ ｉｎ ｌ ｏ ｔ ｓ ｒａ ｈ ｓｉ’ ａ ｉ ｍ，ｈ ｅａｉｎ ｈ ｐ ｂ ｔ ｅ ｎ ｔｅ ａｇ ｒｒ ｉｌ ｔ ｔｅ ｃ ｖｔ ｌｎ ｔ ｅ ｏ ｎ ｏ ｇ ｒ Ｗｈ ｎ ｔｅ ｏ ｔ ｕ— ｇ ａ— ｎ ｒ ｔ ｅ ｃ ｅ ｔＳ ｍ ｘｍｕ ｔｅ ｒｌｔ ｓ ｉ ｅ ｗ ｅ ａ ｈ ｙ ｓ ｃ ａ ｏ ｈ
基于F_P腔的光纤光栅传感器波长移位量的检测
收稿日期:2010-10-18.光电技术应用基于F P 腔的光纤光栅传感器波长移位量的检测杨 颖1,2(1.上海理工大学光电功能薄膜实验室,上海200093;2.临沂师范学院信息学院,山东临沂276005)摘 要: 对构成法布里 珀罗腔(F P 腔)的光纤布喇格光栅的传输特性进行了分析,推导了F P 腔的光强透射率和反射率的解析表达式。
将F P 腔内一个光纤布拉格光栅的背面贴一压电陶瓷,通过给压电陶瓷施加扫描电压使透过F P 腔的光的波长发生改变。
光纤光栅受应力、应变及温度的影响时,其反射波长要发生相应变化,当探测器探测到最大光强时,根据给压电陶瓷施加的电压变化量就可确定布喇格光栅反射波长的移位量,测量精度可达到0.01nm 。
关键词: 光纤布拉格光栅;F P 腔;光纤光栅传感器;光强透射率;波长移位量中图分类号:T N253 文献标识码:A 文章编号:1001-5868(2011)03-0439-03Measu rement of Wavelength Shift of Fiber Bragg Grating Sensors Based on Fabry Perot CavityYANG Ying 1,2(boratory of Photo electric Functional Films,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,C HN;2.School of Electronic Information,Linyi Normal University,Linyi 276005,CHN)Abstract: Transm ission characteristics of the fiber Br ag g g ratings composing Fabry Perot (F P)cavity w ere analy zed,and the analytical ex pression of transm ission and reflection o f thelight intensity of F P cavity w as deduced.A piece o f piezoelectric cer am ic w as posted on the back of one of the tw o fiber Bragg g ratings,then the w aveleng th of transmitted light of F P cavity w ould chang e by applying a scanning v oltag e to the piezoelectric ceramic.When the fiber grating w as effected by the stress,strain and tem perature,its reflection w aveleng th chang ed cor respo nding ly.When the detector detects the maxim um intensity,the amount of w avelength shift of fiber Bragg gr ating can be determ ined by analyzing the variation of the vo ltage applied to the Piezo electr ic cer am ic,and the precision can reach to 0.01nm.Key words: fiber Bragg g rating;F P cavity;fiber Br ag g g rating sensors;rate of light tr ansm issio n;amount of w avelength shift0 引言光纤光栅是利用光纤材料的光敏性用紫外光侧面或相位掩模的方法在纤芯内形成的空间相位光栅,其作用实质上是在纤芯内形成一窄带滤光器或反射镜[1 3]。
基于光子晶体光纤F-P腔的高压电器温度传感器系统
第24卷第2期2011年2月传感技术学报CH I N ESE JOURNAL OF SE N S ORS AND ACT UATORSVo.l 24 No .2Feb .2011项目来源:浙江省科技厅科技计划项目(2007C31025),温州市科技局科技计划项目(G2*******)收稿日期:2010-08-01 修改日期:2010-09-25The Te mperature Sensor Syste m for t he H igh Volt age Apparatus Based on t he Photonic Crystal Fi ber Fabry Perot Cavity*Q IAN X iangzhong*(Colle g e of Physi c s and E lectron ic Informa tion Eng i neer ,W e nzhou Un i versit y,W enzhou Z heji ang 325027,China )Abst ract :The te m pera t u re sense syste m used on te mperature m easure for the h i g h vo ltage apparat u s is presented based on the characteristics of narro w band filtering of the pho ton ic crystal fiber(PCF)Fabry Perot(F P)cavity and li q u i d cr ystal re fractive index sensitive to te m perature .The syste m is consi s ted of t h e opti c source ,li q u i d crystalsfilling F P cav ity te m perature sensor of PCF ,fi b er F P cav ity filter ,si g nal a m plification c ircu its and d isp lay m odule .The te m perature m ay be real ti m e m easured based on t h e w aveleng th o f the m ax i m um optica l po w er po i n t change o f PCF F P cav ity w hich the ne m atic liquid crysta ls filled in ,w ave length changed represented by fi b er F P cavity fil ter ,the relati o n of li q u i d cr ystal refractive i n dex w it h te m perature ,and da ta pr ocessing .The sense syste m is spec i a l su it to the h i g h voltage apparatus te m perature on li n e as it has the perspective of the i n trinsica ll y safe ,h i g h preci si o n ,h i g h e lectrical i n su lation and anti electro m agnetic i n terference .The co mparative tests w ith W ZPB -1type standard p l a ti n um resistor ther m o m eter sho w that the m easuring accuracy of th is syste m is better than 0.1 be t w een 25 and 90 .K ey w ords :optoelectron ics ;te m perature sense syste m ;pho ton ic crysta l fi b er Fabry Perot cavity ;h i g h vo ltage appa ratus ;ne m atic li q u i d crystalsEEACC :7230E ;4150D;7320R do:i 10.3969/j .issn .1004-1699.2011.02.026基于光子晶体光纤F P 腔的高压电器温度传感器系统*钱祥忠*(温州大学物理与电子信息工程学院,浙江温州325035)摘 要:基于光子晶体光纤F P 的窄带滤波特性和液晶折射率对温度变化敏感特性,提出了一种用于高压电器温度测量的温度传感器系统。
F_P光纤压力传感器的温度特性研究
λ′1 ,Δλ= |λ1 - λ′1 | 。由于λ1 在波谷 ,因此满足 :
2s = ( m + 1/ 2)λ1
2s′= ( m + 1/ 2)λ′1
两式相减 :2Δs = ( m + 1/ 2)Δλ= 2sΔλ/λ1 ,所以 :
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Key words : optical fiber senso r ; Fabry2Perot interfero meter ; cavit y lengt h ; temperat ure characteristic ; open cavit y
1 引言
Fabry2Perot ( F2P) 干涉型光纤传感器因其结构 简单灵巧 、体积小 、安装简便 、成本较低 ,在微机电系 统[1 ] 、超声探测[2 ,3 ] 、压力测量[4 ] 、生物医学[5 ] 、磁场 测量[6] 等领域具有广阔的应用前景 。
3. 2. 2 腔内空气热膨胀
非 本 征 F2P 干 涉 仪 ( ext rinsic Fabry2Perot
interfero meter , EFPI) 中间是空气腔 ,腔内空气在体
积不变的情况下满足下面的方程 :
Pt = P0 (1 + 1/ 273)
(6)
式中 , P0 是 0 ℃时的标准大气压 , t 是当前温度 , Pt
从图 1 中可以看出 ,光程差是腔长的两倍 ,因此 腔长变化范围需限定在光波波长的十二分之一 ,取 λ= 1 550 nm ,则传感器工作在线性区时腔长的最大 变化范围是 129. 17 nm 。也就是传感器从零到满量 程 ,F2P 腔将产生 129 nm 的腔深度改变 ,将此值代 入式 (2) ,可求出传感器测量压强的上限值为 280 k Pa ,相当于 28 m 的水位高度 。
光纤F-P腔传感器波分复用技术研究
光纤F-P腔传感器波分复用技术研究段玉培;张立喆;盛晓岩;黄彩霞【摘要】描述了一种光纤F-P传感器的多路复用解调技术,该技术采用一个4通道的粗波分复用器( CWDM)和一个40通道的密集型波分复用器(DWDM)构成多路复用系统,利用探测器对系统输出光能量进行检测,通过插值法对采集信号进行拟合计算,解调出反射光谱的波长值,实现了4支具有相同参数的F-P腔传感器的同时解调.【期刊名称】《计测技术》【年(卷),期】2011(031)004【总页数】5页(P19-22,25)【关键词】F-P腔;波分复用;插值法【作者】段玉培;张立喆;盛晓岩;黄彩霞【作者单位】中航工业北京长城计量测试技术研究所,北京100095;中航工业北京长城计量测试技术研究所,北京100095;中航工业北京长城计量测试技术研究所,北京100095;中航工业北京长城计量测试技术研究所,北京100095【正文语种】中文【中图分类】TP212.140 引言近年来，光纤F-P腔传感器在制作及信号处理方面已经趋于成熟，可应用于应变、温度、压力、折射率等物理量的测量［1］。
在传感器的实际应用中，如果一套解调系统只能监测一个传感器的状态，往往会带来较高的测量成本，因此，复用技术成为光纤F-P传感器实用化发展的研究热点之一。
从复用的结构来说，常用的复用结构包括串联复用结构、并联复用结构和串并联混合型的复用结构。
与串联复用相比，并联复用在结构上相互独立，当其中一个传感器遭到破坏时不影响其它传感器工作，稳定性较好，且输出信号简单，易于分析。
本文采用两个波分复用器:4个通道的粗波分复用器 (CWDM）和40个通道的密集型波分复用器(DWDM），通过探测器对每一个DWDM的通道能量变化进行采集，并对采集的数据进行计算，证明了所构成的多路复用系统可以对4支传感器同时进行解调，实现了4支传感器的并联复用。
1 光纤F-P腔的基本原理光纤F-P腔是从F-P干涉仪发展而来的，其基本结构如图1所示。
膜片式微型F_P腔光纤压力传感器
第17卷 第12期2009年12月光学精密工程Optics and P recision EngineeringVo l.17 No.12 Dec.2009收稿日期:2009-01-15;修订日期:2009-02-18.基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.60677010)文章编号 1004-924X (2009)12-2887-06膜片式微型F -P 腔光纤压力传感器于清旭,贾春艳(大连理工大学物理与光电工程学院,辽宁大连116024)摘要:为满足工业和生物医学领域对微型化传感器的需求,实验研究了基于F abr y -P erot(F -P)干涉仪原理的膜片式微型光纤压力传感器的制作工艺。
在单模光纤端面上直接熔接外径约175L m 的毛细石英管,在石英管的另一端制作敏感膜片,从而使光纤端面与膜片内表面之间形成F -P 干涉腔。
采用电弧熔接、切割、腐蚀膜片等方法制作了石英膜片式压力传感器,该传感器在0~3.1M Pa 内F -P 腔的腔长变化灵敏度为41.09nm/M Pa,压强测量分辨率为681P a,并具有很小的温度敏感系数。
在30~140e ,温度交差敏感<1.07kPa/e 。
为了克服石英膜片减薄困难的缺点,选用聚合物材料(PSQ )作为压力敏感膜片制作了F -P 传感器。
室温下在0.1~2.1M Pa,PSQ 膜片的F -P 腔长变化灵敏度达到1886.85nm/M P a,压强测量分辨率达到53Pa,十分接近人类或其他动物的体内压强测量水平。
关 键 词:光纤Fabr y -Per ot 腔;微型压力传感器;石英膜片;聚合物膜片中图分类号:T N 253 文献标识码:ADiaphragm based miniature fiber optic pressure sensor with F -P cavityYU Q ing -x u,JIA Chun -yan(S chool of P hy sics and Op toelectronic Engineer ing ,D alian Univer sity of Technology ,Dalian 116024,China)Abstract:In order to meet the r equirements of both industry and biomedicine fo r miniature pressur e senso rs,the m iniature fiber optic pr essure senso rs based on Fabr y -Per ot (F -P)interfer ometric princ-i ple are manufactured.A piece o f ho llow fiber w ith a 175L m outer diam eter is fused directly onto a f-i ber tip and a thin diaphragm is fused onto the other end o f the hollow fiber ,then the F -P cavity is form ed betw een the fiber tip and the diaphragm.An miniatur e entire quar tz fiber optic pressure sensor is fabricated by cleaving,fused splicing and etching.The pressure response of the sensor is tested,test results show that the cavity pressure sensitivity is 41.09nm /M Pa in the full pressure scale of 0-3.1M Pa,and the pressure reso lution is 681Pa.The tem perature sensitivity of the sensor has also been tested under atmospheric pressure,and a w eak temper ature dependence of 1.07kPa/e is o b -tained in the test temperature from 20e to 140e .Since it is hard to further decrease the thickness of the quartzose diaphragm,a polym er (PSQ)diaphragm is used as a pressur e diaphragm to increase the sensitiv ity of the sensor.The pr essure response of the PSQ diaphr ag m based sensor has also been tested under r oom temperatur e,it show s the cavity pressure sensitivity is 1886.85nm/M Pa in the full pressure scale of 0.1-2.1MPa,and the pressur e reso lution is 53Pa.T hese results ar e veryclosed to the reso lution o f the pressur e measurem ent in human being and animals.Key words:optical fiber Fabry-Perot cav ity;miniatur e pressure sensor;quartzose diaphragm;po lymer diaphragm1引言基于光纤Fabry-Perot(F-P)腔的压力传感器具有耐恶劣环境、抗电磁干扰、温度交叉敏感性小等特点,适于在医疗[1]、航空航天[2]、桥梁建筑[3]、高温油井[4]和国防[5-6]等领域的压力监测应用。
基于可调F-P腔的光纤气体传感器研究
保证测量的唯一性。“和％分别是气体吸收峰对应电
压。Ｋ，Ｋ分别是２个标准光栅对应电压。即使受温度影
响，ｎ，％，屹，圪的值会发生变化，但它们之间的距离不会
变化。根据粗调得到的Ｋ，Ｋ，可以算出ｎ和％的位置
兽瓦二＝匹》。；瓦譬二＝ｉ警２七：·蠡‘。（为为定定但值）），，
（【２ｚ）
以＝（屉。＋１）Ｋ—Ｉ｜｝－Ｋ，
围内，这套装置可测量多种气体的体积分数。
２．４信号处理
ｊ
在Ａ／Ｄ ２得到了包含气体体积分数信息的电压信号
后，可直接将一个完整的峰取出计算光强变化即可，但实践
表明：由于光强变化较弱，灵敏度有限。采用谐波分析的方
法进行数据处理。取出一个完整扫描周期的信号后。进行 傅立叶变换，得到直流分量、二次谐波。取两者之比消除光 强变化的影响，最后，标定得到气体体积分数。， ａ．实验结果
根据所定方案，选用了ｌ ５５０砌的ＳＬＥＤ对乙炔气体
体积分数进行了测量，气室体积约ｌ∞ＩＩＩＬ，信号采集部分采 用了北京优采公司的ＵＡ３０２Ｓ系列数据采集卡，该采集卡 Ａ／Ｄ转换分辨力为１６位。Ｄ／Ａ输出分辨力为１２位，精度完 全满足测量要求，上位机软件包括频谱分析利用Ｖｃ＋＋编 写。采用ｌ ｍＬ的医用注射器逐次向气室里注入乙炔气体， 得到气体体积分数与谐波分量关系如图３所示。
２００７年第２６卷第６期
传感器与微系统（Ｔｈ懈ｄｕｃｅｒ ａｌＩｄ Ｍｉｃ∞Ｂｙｓｔｅｍ ７Ｉｋｈｎｏｌｏｇｉ∞）
６３
基于可调Ｆ－Ｐ腔的光纤气体传感器研究
（武汉理工大学王光立 纤传新感，技刘术柱 研究，中徐心丹 。湖北武汉枷Ｏ）
摘要：设计了一种基于可调法布里一珀罗（Ｆ．Ｐ）腔的气体体积分数测量方案：引入标准光栅作为参考，解
效期较短等缺点，基于光纤传感的新一代气体传感器的研
F-P腔光纤传感器研究
F-P腔光纤传感器研究黄旭光;黄义文【摘要】文章综述了作者研究组关于F-P腔光纤干涉型传感器多参数测量的研究进展.在单模光纤与薄膜或空气间隙等构成的法布里-珀罗腔结构基础上,分别提出基于F-P腔干涉和基于F-P腔调制菲涅尔反射的温度、液体和固体折射率光纤传感器.理论分析和实验均证明,温度的变化可转化为干涉光谱波峰或波谷中心波长的偏移测量,通过干涉光谱的条纹反衬度可解调出液体或固体折射率.光纤干涉型传感技术可拓展其它功能,是高端领域传感测量的发展方向.【期刊名称】《华南师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(048)006【总页数】7页(P50-56)【关键词】光纤干涉型;F-P腔;条纹反衬度;波长偏移【作者】黄旭光;黄义文【作者单位】华南师范大学信息光电子科技学院,广州特种光纤光子器件与应用重点实验室∥广东高校特种功能光纤工程技术研究中心∥广东省微结构功能光纤与器件工程技术研究中心,广州510006;华南师范大学信息光电子科技学院,广州特种光纤光子器件与应用重点实验室∥广东高校特种功能光纤工程技术研究中心∥广东省微结构功能光纤与器件工程技术研究中心,广州510006【正文语种】中文【中图分类】O436.1随着科学技术的飞速发展，基础科学研究、工业生产、环境检测等诸多领域对传感技术的要求越来越高. 温度、折射率等参数的测量几乎涉及现代科学的各个领域，因此，能准确快速测量出这些参数非常重要.光纤传感由于具有强的抗电磁干扰、恶劣环境耐用性、高精度、快速响应和远程在线等优点[1]，是科学研究、工业生产、食品加工、环境检测等众多领域传感测量的重要发展方向.干涉结构已被成功地用作光学传感器的温度、应变、压力测量和位移的测量[2-5]. 目前已有多种技术用于温度测量，如谐振器数字温度传感器、硅晶薄膜光纤传感器、光纤光栅温度传感器[6]等. 法布里-珀罗(Fabry-Perot，F-P)腔光纤传感技术属于干涉型光纤传感技术的其中一种. CHOI等[7]设计了一种微型混合结构的F-P腔光纤传感器用于温度测量. WEI等[8]证明了基于飞秒激光器调制的开放型F-P腔的折射率传感器，具有可靠性高、温度不敏感等优点，但随着F-P腔沉积物增多，其性能将大大下降. RAN等[9]在单模光纤端面加入密闭的F-P腔用作信号调制器，研究出一种不受温度干扰的液体折射率传感器，通过测量干涉条纹最大对比度获得液体折射率. 此外，用于液体折射率测量的技术包括基于波长移动的表面等离子体共振法[10-12]、光纤光栅传感技术[13]等. 对于固体折射率的测量，最小偏差法[14]、折射法和椭圆偏振法常用于光学玻璃折射率的测量[15]. 基于棱镜干涉仪的玻璃折射率测量技术可提供较高的精度[16]，但需将待测样品加工成棱镜形状. 也有基于F-P腔干涉法测量透明固体折射率[17-18]，但传感器采用非光纤技术，设备结构较复杂笨重.本文综述了本研究组基于光纤端面菲涅耳反射形成的F-P腔调制的多种光纤传感器的研究进展，分别讨论了F-P腔干涉型光纤传感器在液体折射率、环境温度和固体折射率测量应用中的所采用的具体结构、工作原理和实验结果.基于F-P腔干涉调制的光纤液体折射率传感器的光纤端面传感头结构如图1A所示. 薄膜是一层以SU-8光刻胶为原料、采用旋涂法制成的有机薄膜，其折射率约为1.628 5. SU-8放置在光纤末端，以适当的速度旋转光纤，使SU-8通过离心力均匀分散. 光纤旋转的角速度越大，制成的薄膜越薄. 最后形成厚度L=29.9 μm的薄膜. 光纤与薄膜、薄膜与液体的2个分界面形成了一个腔长为L的F-P腔.设光纤、薄膜和液体的折射率分别为nf、nfilm和nq，界面“1”和界面“2”的反射率分别为R1和R2. 由于入射光在2个界面的反射是菲涅尔反射，所以R1和R2满足菲涅尔反射公式：从2个界面反射回来的电场分布如图1B所示. 由于光纤端面的反射率较低，存在较高的损耗，高阶反射回来的电场强度很小，只占总电场的0.1%，可以忽略不计(图中虚线部分). 因此，反射光波的总电场Er可近似等于2个界面第一次反射回来的电场之和[18]:.Ei是入射光电场，A1是由于反射面1表面缺陷而造成的损耗因子，α是F-P腔中的衍射损耗因子，β是薄膜的传播常数. 为简化，可忽略表面缺陷对反射系数的影响. 光从光疏介质入射到光密介质，在反射面1存在着半波损失，即π相移.由式(2)及光的电磁理论可得到反射光波归一化的电场分布IFP():)，其中K=(1-A1)(1-α)是传感器头部的总损耗因子. 上式说明了反射光的干涉光场是由双光束干涉产生的余弦信号. 干涉条纹波谷的中心波长min满足：m为正整数，表示干涉条纹波谷的序数. F-P腔的腔长L可通过相邻2个波谷的中心波长求出：当式(5)中4πLnfilm/等于(2m+1)π和2mπ时，IFP()分别达到最大值和最小值：由式(5)可得，干涉光谱的条纹对数反衬度为：.当传感系统设置好后，式(6)中的R1,K和nfilm为常量，由于热光系数很小，条纹反衬度的变化可认为与温度无关. 因此，液体折射率的测量可转化为干涉条纹反衬度的监测，且该测量方法与温度无关.为了验证该技术的可行性，本文采用如图2所示的实验装置进行实验. 本装置采用一种功率为10 mW、功率谱平坦的宽带光源(Flattened Broadband Source，BBC)作为光发射器，可提供40 nm宽波长范围(1 525～1 565 nm)的单束光. BBC光源输出的光束通过光纤环形器(Optical Circulator，OC)被耦合进F-P腔，F-P腔反射回来的双光束干涉反射光谱通过环形器输入到光谱分析仪(Optical Spectrum Analyzer，OSA)，OSA通过连接电脑对干涉光谱进行分析计算. 本实验所用型号为Yokogawa AQ6370的OSA具有0.02 nm波长分辨率、0.001 dB 功率精度. 采用SMF-28光纤,其直径为8.1 m、数值孔径(无量纲)为0.14 μm.采用不同浓度的硝酸钠溶液作为样品，分别测量其折射率. 光的波长为1 550 nm 附近时，这些溶液的折射率范围为1.314 0到1.365 0. 传感器头分别在空气和折射率为1.314 0与1.360 0溶液中的干涉光谱如图3所示，该光谱的波段为1 527～1 565 nm. 干涉条纹包含2个波峰和2个波谷，与式(3)和式(6)吻合较好. 本实验中，从干涉光谱和式(3)、式(5)可算得传感器探头的损耗因子K=0.497 2，薄膜的厚度L=29.85 m，2个相邻的波峰和波谷之间的波长宽度约为13 nm，这意味着一个分辨率为0.5 nm的低成本光谱仪就可以满足本传感系统的检波要求. 干涉条纹反衬度与硝酸钠溶液折射率的关系如图4所示. 传感器参数为K=0.497 2, R1=0.003 4和nx=1.628 5时，实验结果与式(6)中的理论结果非常吻合. 随着折射率从1.314 0增到1.365 0，干涉条纹反衬度单调减小，总的变化量为10.46 dB，相对RI的灵敏度约为205 dB. 由于光谱分析仪的相对强度分辨率为0.001 dB，当被测折射率范围在1.314 0至1.365 0时，则折射率平均分辨率约为5×10-6.以上分析表明，基于F-P腔调制的光纤干涉型折射率传感器，将折射率的测量转化为干涉条纹反衬度的监测，具有很高的分辨率和测量精度. 该传感器不受温度影响，具有同时测量折射率和温度的潜能.基于F-P腔干涉条纹移动的光纤温度传感器的探头结构与液体折射率传感器的探头结构基本相同，但具体工作原理有差别. 由于温度传感器测量的是环境温度，其探头直接放置在空气中，因此探头薄膜的另一侧为空气. 光纤与薄膜、薄膜与空气形成类似图1B所示的F-P腔. 经过如同液体折射率传感器的推导过程，可得温度传感器的干涉条纹波谷的中心波长min满足：当环境温度变化时，由于热膨胀效应和热光效应，薄膜的厚度和折射率也会变化. 因此，min可由下式给出：式中,αl=1/L·dL/dT和dnfilm/dT分别是薄膜的热膨胀系数和热光系数. 由于薄膜的折射率和厚度随着温度的变化而变化，干涉图案也会随着温度移动，即干涉波谷的波长min随着温度的变化而发生漂移. 因此，测量温度的变化可以转化为测量干涉条纹波谷的波长移动.传感器实验装置(图5)与图2类似，差别仅在于传感探头结构. 温度传感器的探头置于温控仪里，利用温控仪控制温度变化. 图6显示，干涉条纹有2个波峰和3个波谷，因此可以通过测量波峰或波谷中心波长的移动来计算温度的变化.控制温控仪的温度在20～100 ℃的范围内变化，选取干涉条纹其中一个波谷，用OSA标记物对其标记(图中标有黑色三角符号及Ds的位置)，并以最小扫描法跟踪其波长变化(图7)，通过其中心波长的移动来计算温度的变化. 随着温度的上升，Ds波谷的中心波长单调向长波方向移动. 图中圆圈是实验测得数据，曲线是通过3次拟合得出，拟合相关因子R2=0.996，拟合结果与实验数据非常吻合[20].通过大量的实验可以得出温度与波长的经验公式，经校准后，环境温度可通过测量波谷Ds的中心波长、直接代入经验公式来计算得到. 由实验结果可知，该温度传感器的最高灵敏度可达到0.2 nm/℃，由于光谱分析仪的分辨率为0.02 nm，本传感器的最高温度的分辨率为0.1 ℃.总结上述实验，光纤干涉型温度传感器可通过FP腔干涉波谷波长的移动解调出环境温度的变化，利用经验公式，便可实现温度的精确测量功能.基于F-P空气腔干涉条纹反衬度的固体传感器的探头结构如图8所示，即光纤末端与被测固体之间的空气隙形成了一个空气F-P腔.设固体折射率为ns，由菲涅耳反射公式可得2个反射表面的反射率R1和R2为：在F-P腔反射表面2存在一个半波损失，即π相移. 忽略高阶反射回来的电场，反射光波的总电场Er可近似等于2个表面第一次反射回来的电场之和:其中，Ei是入射光电场，K是由于反射面1表面缺陷和F-P腔中的衍射而造成的总损耗因子，βair是空气中的传播常数. 由此可得归一化的光场cos(4πLnair/-π)，当式中4πLnair/-π满足IFP()分别达到最大值和最小值：，.干涉条纹反衬度为[21]：,其中，R1、K均为常数，ns为被测物体的折射率. 为计算传感器的总损耗因子K，需进行简单快速的校准：设置好传感系统，在实验过程中不再对传感器做任何修改，测量折射率已知的样品(如：石英)的条纹反衬度C0作为参考. 已知nair=1.000 3, nf=1.449 6[21]，R1可以由式(9)求出，因此，K的值可以在实验前通过校准测量计算出来. 在校准后，通过测量干涉条纹的反衬度C，利用式(13)可以计算出固体的折射率.固体折射率传感器的探头具有特定的设计(图9)，金属板用于固定光纤尾纤的末端，并留下固定的长度间隙. 传感探头的金属板接触样品时，光纤末端、空气间隙和被测物体表面形成空气F-P腔，这种结构不仅可以使光纤末端与待测样品表面保持平行，还可避免光纤末端的结构因接触样品而损坏.本实验中，由于加工精度等原因，间隙的长度L=0.075 mm. 为了测量干涉光谱的条纹反衬度，干涉光谱中至少在OSA测量范围内存在2个极值点. 由式(12)，对于宽带范围为1 525～1 565 nm宽带光源，传感探头的间隙即F-P腔的腔长L应大于0.03 mm. 本文选择纯度为99.999%石英玻璃作为标准样品，传感器入射光波长为1 529.52 nm时，其折射率为1.443[21]. 为保证表面的清洁，样品需用粘有去离子水的透镜清洗纸彻底清洗，并在测量待测样品折射率前对标准样品的折射率进行校准.用传感器测量石英样品的折射率，OSA接收到F-P腔调制的干涉光谱如图10所示. 干涉条纹的反衬度为11.033 dB. 根据式(13)可算出传感器探头的损耗因子K≈0.586 8.以BK7、SF10和SF11三种不同材料的光学玻璃作为待测样品，利用该传感器装置对其折射率进行测量，控制环境温度为(20±1) ℃，OSA接收到这3种材料的反射光谱如图11所示.由图11可知，BK7、SF10和SF11 三种光学玻璃的干涉条纹反衬度分别为12.560、18.796 和21.052 dB. 由式(13)，可算出折射率分别为nBK7=1.501、nSF10=1.692和nSF11=1.743，与肖特光学玻璃特性参数手册(SCHOTT Optical Glass Data Sheets, 2009)给出这3种材料的折射率nBK7=1.500 9、nSF10=1.693 1和nSF11=1.743 8非常接近，分别相差大约0.000 1、0.001 0和0.001 0. 由于加工技术的局限性，光纤末端表面与待测物体表面很难完全水平. 具有非零入射角的入射光强会略微偏离上面的反射率公式，条纹反衬度C也会随着入射角的变化而稍有变化. 但光纤已被固定在金属板中，所以入射角对条纹反衬度C的影响不变. 在比较标准样品的折射率和校准损耗因子K后，折射率的测量误差可被降到最低. 此外，传感器探头金属板与待测物体之间的气密性会对待测物体表面入射光的入射角和光路产生影响. 光源和检测器的稳定性也会影响测量结果. 因此，影响条纹反衬度C和测量的折射率准确性的主要原因有：传感器探头金属板与待测物体之间的气密性以及光源和检测器的稳定性. 因此待测物体表面必须很光滑平整，光源和检测器的稳定性在测量期间应保持稳定.上述分析表明，基于F-P腔菲涅尔反射的光纤干涉型传感器可实现高精度的固体折射率测量，固体折射率可通过计算干涉条纹的反衬度精确算出. 除测量光学玻璃外，如果吸收系数是已知，传感器可扩展到其它光滑平面固体(包括不透明固体)的折射率测量.总结了本研究组基于F-P腔干涉和F-P腔调制的菲涅尔反射的光纤传感器研究工作，探讨了利用光纤端面F-P腔干涉波谷或条纹反衬度变化去实现各种参数光纤传感的可能性. 首先讨论了液体折射率传感器的工作原理，分析了液体折射率与干涉条纹反衬度的关系；然后，在此基础上发展了基于干涉条纹波谷中心波长移动的温度传感器，并可实现温度和折射率的双参数测量；最后，拓展出基于空气F-P 腔的传感器结构，实现了固体折射率的精确测量. 总之，光纤干涉型传感器结构独特，灵敏度高，便于操作与安装，同时具有远程在线实时监测的能力，可应用于工业生产、食品加工、环境监测、科学研究等各领域.【相关文献】[1] 赵勇, 张博, 廖延彪,等. 基于位置敏感器件的光学法盐度检测技术研究[J]. 光学学报, 2003,23(11):1379-1383.ZHAO Y,ZHANG B,LIAO Y B,et al.Salinity measurement based on position sensitive detector and optical technology[J].Acta Optica Sinica,2003,23(11):1379-1383.[2] MURPHY K A,GUNTHER M F,VENGSARKAR A M,et al. 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基于F-P腔的光纤MEMS压力传感器
基于F-P腔的光纤MEMS压力传感器ZHAO Qin-qin;JIANG Yi【摘要】为了满足航天、工业等领域对微型压力传感器的需求,提出了一种基于非本征型法布里-珀罗腔的光纤MEMS压力传感器.该传感器的传感头由硅片、Pyrex7740玻璃经阳极键合制作而成,传感头与光纤准直器采用紫外胶粘合.法布里-珀罗腔的长度随加载压力的增大呈线性减小趋势,从而引起干涉光谱的变化,采用白光干涉解调方法获得法布里-珀罗腔的长度.实验测试结果表明该传感器在0～1 MPa测量范围内压力-腔长灵敏度为5.14μm/MPa,线性度达到0.999;在传感器使用范围0～80℃内,温度灵敏度为2.6 nm/℃.【期刊名称】《仪表技术与传感器》【年(卷),期】2019(000)001【总页数】4页(P16-19)【关键词】光纤传感器;压力传感器;法布里-珀罗干涉;阳极键合【作者】ZHAO Qin-qin;JIANG Yi【作者单位】;【正文语种】中文【中图分类】TP2120 引言光纤压力传感器具有耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰、响应速度快、灵敏度高、体积小、质量轻等优势，广泛地应用于航天、工业、军事等领域[1-3]。
光纤压力传感器种类繁多，其中Fabry-Perot干涉式传感器分辨率高、性能优异，已成为目前最有前景的一种光纤压力传感器[4-5]。
MEMS技术具有成本低、功耗低、高性能和集成化等优点，为膜片式压力传感器的制造提供了技术支持。
随着光纤传感技术与MEMS技术的不断发展，将两者结合制作光纤MEMS传感器成为一大研究热点，引起了国内外的广泛研究[6-9]。
本文选用具有稳定性好、热膨胀系数与Pyrex7740玻璃相近的硅片作为传感膜片，通过阳极键合技术将硅片与Pyrex7740玻璃键合构成基于F-P腔的传感头，并测试了压力传感器的压力特性，显示了良好的线性特性。
1 传感器结构及制作基本原理光纤MEMS压力传感器结构如图1所示。
光纤F—P腔压力传感器的研究进展
F-P腔式光纤压力传感器温度补偿设计研究
灵敏度 ，更适合用于精确地实现温度 、压力 、应变等 物理 量 的测 量 。
作者简介 ：王增健 （ １ ９ ６ ０一） ，男 ，工程师 ，主要从事电气工程
及管理工作。
腔 的光 谱 。当 压 力 发 生 变 化 时 ， 中空 光 纤 发 生 变 形 ， 带 动反光 光 纤 移 动 ，导致 Ｆ — Ｐ腔 长 度 发 生 变 化 ，致 使
・
７ ８・
计 测技 术
２ ０ １ ３年 第 ３ ３卷 增刊
Ｆ ・ Ｐ腔 式 光 纤 压 力 传 感 器 温 度 补 偿 设 计 研 究
王增 健
（ 中航长城 计量 测试 （ 天 津 ）有 限公 司，天津 ３ ０ ０ ４ ５ ７ ）
摘 要 ：Ｆ — Ｐ 式 光 纤 压 力 传 感 器 因 其 独 有 的 优 点 广 泛 应 用 于 军 事 、 民 用 领 域 。 由于 自身 结 构 的 关 系 ，Ｆ — Ｐ式 光
温 度特 性 直 接影 响其 在 压力 测 量上 的性 能 表 现 。可 以
图 １ 传感器示 意图
通 过外 部 补偿 的方式 减 小温 度 对 压力 测 量 的 影 响 ，本 文 通过 对 中空式 Ｆ － Ｐ压 力 传感 器 制 作 过 程 中相 关 参 数
的设计 控 制 ，实 现 自身 的温 度 补 偿 ，并 通 过 实 验
Ｅ Ｆ Ｐ Ｉ 传感器 可 以通 过对 光 纤 、准 直 毛 细 管 材 料 和 Ｆ ． Ｐ 腔结 构等参 数 的合 理 选 择 ，使 光纤 Ｆ － Ｐ温 度 传 感 器 对
环境 压力 不敏 感 ，同时 对 大 范 围 的温 度 变 化影 响做 自
Ｆ — Ｐ 腔光纤压力传感器结构。使用过程中导光光纤将测
《2024年度基于光纤光栅F-P的环形腔光纤激光器的研究》范文
《基于光纤光栅F-P的环形腔光纤激光器的研究》篇一一、引言随着光纤技术的不断发展，光纤激光器因其高效率、高稳定性及良好的光束质量等优点，在通信、传感、医疗、军事等领域得到了广泛的应用。
其中，环形腔光纤激光器（Ring-Cavity Fiber Laser，RCFL）由于其独特的光路设计和较高的光学质量，已经成为激光器研究领域的热点之一。
在众多RCFL的设计中，结合光纤光栅F-P（Fabry-Perot）技术的环形腔光纤激光器因其高稳定性、高效率及良好的调谐性能，受到了广泛的关注。
本文将针对基于光纤光栅F-P的环形腔光纤激光器（F-P RCFL）展开研究。
二、F-P环形腔光纤激光器的工作原理与结构F-P环形腔光纤激光器主要由环形腔、光纤光栅F-P滤波器、泵浦源等部分组成。
其中，环形腔是激光器的核心部分，它由光纤构成闭环结构，形成光学反馈路径。
光纤光栅F-P滤波器则作为调谐元件，可以有效地调节激光器的输出波长和线宽。
泵浦源为激光器提供能量，驱动激光器工作。
当泵浦源发出的光进入环形腔后，经过多次反射和吸收后，在腔内形成激光振荡。
此时，光纤光栅F-P滤波器通过反射和透射特定波长的光，对激光的波长和线宽进行调节。
当激光的波长与滤波器的反射峰相匹配时，激光器输出稳定的激光。
三、基于光纤光栅F-P的环形腔光纤激光器的特性分析1. 高稳定性：光纤光栅F-P滤波器的引入，使得F-P RCFL 具有了更高的稳定性。
在外部环境变化或泵浦源功率波动的情况下，F-P RCFL仍能保持稳定的输出。
2. 高效率：环形腔的设计使得光在腔内多次反射和吸收，提高了光的利用率，从而提高了激光器的效率。
3. 良好的调谐性能：通过调整光纤光栅F-P滤波器的参数，可以方便地实现激光波长和线宽的调节。
此外，还可以通过引入其他光学元件实现更复杂的调谐功能。
四、实验研究本部分将通过实验研究F-P RCFL的性能。
首先，我们将搭建实验装置，包括环形腔、光纤光栅F-P滤波器、泵浦源等部分。
基于微波光子学的f-p腔式光纤mems压力传感技术研究
基于微波光子学的f-p腔式光纤mems压力传感技术研究引言部分的内容：1. 引言概述：本篇长文将介绍基于微波光子学的F-P腔式光纤MEMS压力传感技术的研究。
随着科技的快速发展和人们对精确度越来越高的需求，压力传感器作为一种重要的传感器应用，具有广泛的应用领域和巨大的市场需求。
然而，传统压力传感技术在某些方面存在一些局限性，如精密度、稳定性和尺寸等方面。
因此，发展一种新型的压力传感器技术显得极为重要。
本文将以微波光子学为基础，并结合MEMS技术，设计和研究了F-P腔式光纤MEMS压力传感器。
2. 文章结构：本文共分为五个部分，具体结构如下：第一部分是引言部分。
主要介绍了论文概述、文章结构以及论文研究目标。
第二部分是微波光子学基础知识。
首先介绍了光纤传输原理，包括单模光纤和多模光纤，并展示了其在通信系统中的应用。
然后概述了微波光子学的基本概念，包括微波信号和光信号之间的相互转换原理。
最后，介绍了F-P腔式光纤MEMS 压力传感器的概述，包括其结构、工作原理和应用领域。
第三部分是F-P腔式光纤MEMS压力传感技术原理研究。
首先介绍了MEMS 技术的基础知识，包括MEMS的定义、发展历程以及在不同领域中的应用。
接着详细说明了F-P腔式光纤MEMS压力传感器的工作原理，包括其结构设计和工作原理分析。
最后，探讨了压力传感性能分析与优化方法研究。
第四部分是实验设计与结果分析。
首先介绍了实验的设计和搭建过程，包括所使用的设备和材料等。
然后详细描述了数据采集和处理方法，以及相应的结果展示。
最后对实验结果进行分析并进行相关讨论。
第五部分是结论与展望。
首先总结并阐述本文研究工作的贡献，并指出存在问题以及未来改进方向。
最后展望基于微波光子学的F-P腔式光纤MEMS压力传感技术在未来的应用前景。
2. 微波光子学基础知识:2.1 光纤传输原理:光纤传输原理是指通过光纤中的光信号传递和传输的机制。
一般情况下，光信号主要通过光纤的全内反射来进行传输。
超高压力灵敏度的光纤微型F-P腔
超高压力灵敏度的光纤微型F-P腔付彩玲;夏巨江【摘要】We propose a pressure sensor based on a micro air bubble at the end facet of a single mode fiber spliced with a silica tube.When immersed into liquid such as water,the air bubble acts as a Fabry-Pérot interferometer cavity.The pressure sensitivity is >1000 nm/kPa.The Fabry-Pérot interferometer cavity is expected to have potential applications in highly sensitive pressure and/or acoustic sensing.%基于法布里-珀罗（Fabry-Perot,F-P）腔的干涉原理，提出了一种新型超高压力灵敏度的可压缩光纤微型F-P腔。
该压力传感器的FP腔是将单模光纤（Single Mode Fiber，SMF）与石英管熔接后浸入水中在SMF端面处形成的空气泡来构成，其压力灵敏度大于1000nm/kPa。
该光纤微型F-P腔在高灵敏度压力测量和水声传感方面有着潜在的的应用价值。
【期刊名称】《电子测试》【年(卷),期】2015(000)009【总页数】3页(P56-58)【关键词】F-P腔;压力灵敏度;光纤传感器【作者】付彩玲;夏巨江【作者单位】武汉工程大学理学院，湖北武汉，430205;武汉工程大学理学院，湖北武汉，430205【正文语种】中文付彩玲,夏巨江（武汉工程大学理学院，湖北武汉,430205）基于F-P腔的光纤压力传感器以其高可靠性、高灵敏度、耐恶劣环境、抗电磁干扰、低温度交叉敏感等特点广泛应用在压力、应变、位移等物理量的测量。
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oi光纤 F-P 腔压力传感器的研究进展韩冰，高超( 中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京 100095)摘 要: 光纤 F-P 腔压力传感器因其独有的优点广泛应用于军事、民用领域。
国内外诸多高校、科研院所都 在对其进行研究。
本文介绍了光纤 F-P 腔压力传感器的研究进展，对全光纤结构 F-P 压力传感器、激光加工微型 光纤压力传感器、二氧化硅膜片压力传感器的结构和制作过程进行了总结，并对利用 MEMS 制作压力传感器的工 艺进行了详述，对比分析了不同加工工艺下传感器的性能及其优缺点。
关键词: 光纤压力传感器; Fabry-perot 腔; MEMS 工艺 中图分类号: TP212文献标识码: A文章编号: 1674 － 5795 ( 2012) 02 － 0005 － 06Research Progress of Optical Fiber Type Fabry-perot Pressure SensorHAN Bing ，GAO Chao( Changcheng Institute of Metrology ＆ Measurement ，Beijing 100095，China)A b s t r a c t : T he Fabr y -per o t ( F -P ) ca v it y pressure sens o r has been w idel y used in m ilitar y and ci v il f ields. It is researched b y m an y d o m es - tic o r f o rei g n uni v ersities and research institutes. T he research pr og ress o f the o ptical f iber t y pe F -P pressure sens o r is intr o duced ，and the struc - tures and m anu f acturin g pr o cesses o f F -P pressure sens o r ，the laser pr o cessin g m iniature f ibre -o ptical pressure sens o r and the f ull o ptical f iber structure silic o n diaphra g m pressure sens o r are su mm ari z ed. T he techn o l ogy o f usin g M E M S t o pr o duce pressure sens o r is described in detail. T he sens o r per f o r m ance and its ad v anta g es and disad v anta g es in di ff erent pr o cessin g techn o l ogy are c o m pared and anal yz ed.Key words : optical fiber pressure sensor; Fabry-perot cavity; MEMS technology0 引言光纤传感器技术起步于上世纪 70 年代末，是伴随 着光纤通讯技术的发展而发展起来的，由于其具有信 号不受电 磁 场 干 扰、 绝 缘 性 高、 防爆性好等诸多优 点［1 － 2］，目前在民用和军事领域都有着越来越广泛的应用前景。
例如，在医学领域，利用光纤压力传感器 进行颅压、胸压、腹压等的测量可以最大限度地减小 患者手术的风险; 而在进行断层扫描 ( CT) 及核磁共 振 ( NMR) 时，它依旧可以准确地测量病患部位的压力，突出了其抗电磁干扰的特性。
本文以传感器的加 工工艺、结构为重点，综述了几种常用的 F-P 腔光纤 压力传感器结构及其制作技术。
1 光纤 F-P 腔压力传感器原理光纤 F-P 腔，这样就形成了光纤 F-P 腔传感器。
图 1 光纤 F-P 腔压力传感器结构示意图当传感头受到外界均匀分布的压力时，其腔体轴 向变形表达式［1］为ΔPlr2 Δl = oE ( r 1 － r 2 ) ( 1 －2μ) ( 1)光纤 F-P 腔压力传感器的基本结构示意图如图 1 所示，将两根光纤的端面作为反射面，使两光纤端面 严格平行、同轴，与中空光纤形成一个腔长为 l 的密封收稿日期: 2012 － 01 － 09; 收修改稿日期: 2012 － 01 － 16 作者简介: 韩冰 ( 1983 － ) ，助理工程师，硕士，从事与计量、 测试相关的工作。
式中: ΔP 为腔体内外压强差; l 是腔体长度; r i ，r o 分 别是腔体内、外半径; E 为腔体材料的杨氏模量; μ 为 泊松比。
当腔体长度 l 一定时，其变形量与所受的压强成正 比，而腔体长度的变化影响到光纤内入射光与反射光的光程差，利用光电探测器等即可实现对光信号的解调，并最终实现对压力的测量。
2 常用光纤F-P 腔压力传感器结构及制作工艺国内外诸多科研机构( 例如: 南京师范大学物理科学与技术学院; 美国的弗吉尼亚理工学院、斯坦福大学应用物理系; 英国爱丁堡的赫瑞瓦特大学; 斯洛文尼亚的马里博尔大学等) 基于传感器材料、制作方法等的不同，已经研制出多种光纤F-P 腔压力传感器。
2. 1 全光纤结构F-P 压力传感器全光纤结构F-P 压力传感器［3］为毛细管结构，是基于非本征型法布里－珀罗干涉仪( Extrinsic Fabry-Perot Interferometer，EFPI) 结构的光纤传感器。
此类传感器由单模及多模光纤通过焊接而成，如图2所示。
图2 全光纤结构压力传感器全光纤结构F-P光纤压力传感器首先将刻蚀得到的中空光纤与单模光纤熔接在一起，然后对单模光纤( S M F-28)与多模光纤进行刻蚀或拉伸，使其外径相同，并利用电弧热熔技术进行熔接，将熔接好的单模光纤( S M F-28)与多模光纤插入中空光纤，如图2所示。
导光光纤(单模光纤)与多模光纤端面间即形成F-P腔体，利用白光干涉仪和微调机构监测并调整F-P 腔的长度，当F-P长度达到设计要求后，固定单模光纤和多模光纤插入的位置，并与中空光纤焊接在一起，即可完成传感器的制作。
全光纤结构压力传感器的主要技术指标如下:压力分辨力为689.5Pa(0.1psi)，温漂为179.14Pa/℃(0.026psi/℃)，压力量程可以做到103.4M Pa，灵敏度可以做到0.2175n m/kPa (1.5n m/psi)，外径125μm。
制作过程中存在的难点是控制敏感部分即中空光纤的长度、所用材料物理性能的一致性;控制中空光纤的制备质量;各个光纤段的焊接以及端面反射率的控制等。
由于全光纤结构F-P 光纤压力传感器的主体部分全部采用光纤材料，因此其主要特点是具有很好的热稳定性能。
全光纤结构F-P 腔压力传感器具有不受温度影响、不受电磁场影响、耐腐蚀、耐高温等优点;与光纤顶端振动膜式传感器相比具有更容易制造、抗摩擦、拥有更大的量程等优点。
由于制造原因的限制，全光纤结构F-P 腔压力传感器的尺寸略大于一般的微型F-P 腔压力传感器，这是这种传感器最大的缺点。
全光纤结构压力传感器技术成熟，制作工艺相对简单，通过选择适当的光纤、中空管材料和F-P 腔结构参数，使得在压力测量中能够对大范围温度变化影响作自动补偿，即具有较小的应变－温度交叉灵敏度。
目前该类光纤传感器被广泛应用于不同领域的应力、应变、压力、温度等物理量的测量，主要为介入式血压测量、植入材料内部进行的应力监测、油井内的压力监测等。
2. 2 激光加工微型光纤压力传感器激光微加工技术及纳米加工合成膜技术为研究新一代光通信器件和光纤传感器等提供了新的技术手段。
激光微加工技术一般有两种方案: 一种是减小激光脉冲宽度，如飞秒激光; 另一种是采用短波长激光，如准分子激光［4 －6］。
利用激光加工的微型光纤压力传感器主体结构为全石英材料，其典型结构示意图如图3 所示。
图3 激光加工微型压力传感器激光加工微型光纤压力传感器首先利用激光对单模光纤端面刻蚀，再对刻蚀进行覆膜形成F-P 腔体。
激光加工装置如图4 所示，使用柱面镜将准分子激光器输出光束准直、整形为3 cm × 3 cm的光斑，然后进入6 cm ×6 cm 聚焦矩阵透镜，再进入空间滤波器，再次进入6 cm × 6 cm 聚焦矩阵透镜，最终得到光强在1 cm 长度范围内均匀分布且形状为方形的光束。
将待刻蚀的光纤固定在玻璃毛细管中，利用三维坐标装置夹持移动，使通过模板的激光在每个光纤表面完成刻蚀，得到直径30 μm 或70 μm 的凹孔。
F-P 腔的覆膜利用聚碳酸酯制成，将聚碳酸酯薄片拉伸成直径为25 cm 的饼状，同时将一环状圈紧套在聚碳酸酯薄片上，以保持其拉紧状态，然后将更小的圆环涂抹上环氧胶粘在薄片上，通过重力拉紧薄片，并在胶固化后剪下，为更好的控制端面反射，在薄片上阳极化100 nm 的铝。
将光纤一端靠近薄片，涂抹紫外固化胶，通过机械控制和显微镜观察控制顶紧薄片，最终固化、穿破得到传感器。
在整个传感器制作过程中，激光强度及三维夹持装置的稳定性都可以利用计算机进行实时反馈控制，其难点主要是如何消除光纤的底面影响反射和紫外固化胶的涂抹。
图4 激光加工装置激光加工微型光纤压力传感器的压力响应时间可以达到3 μs，振动膜材料采用铝覆盖的聚碳酸脂薄片压力可以达到2 kg，其最大的优点是响应时间快。
所以，激光加工微型光纤压力传感器主要应用领域为生物医药、压气机内部压力监测、油井内的压力监测等。
模仿发达国家为主，缺乏创新，没有自主知识产权。
2. 3 二氧化硅膜片压力传感器上世纪七八十年代，国外已经提出基于膜片设计的光纤F-P 压力传感器结构，光学反射平面采用的是对压力敏感的膜片，当膜片随着压力的变化产生位移时，F-P 腔的腔长也随之发生变化，全光纤结构二氧化硅膜片压力传感器结构如图5 所示。
图5 全光纤结构二氧化硅膜片压力传感器全光纤结构二氧化硅膜片压力传感器制作流程如图6 ( a) ，( b) ，( c) ，( d) 所示。
将外径相同的单模光纤和多模光纤熔接在一起，然后切割多模光纤至40 μm，对多模光纤的另一个端面进行刻蚀，刻蚀完成后，与另一单模光纤熔接。
熔接后，先利用比长仪切割单模光纤，使其厚度不大于20 μm; 然后再利用氢氟酸腐蚀减薄膜片。
在进行膜片刻蚀的时候使用如图7 所示的压力容器装置进行实时监测，以便得到设计的灵敏度。