耐高温压力传感器

sure d 500 Strai n (με) 400
80
300
EFPI
300
RSG
400 500 600
200
Time (seconds)

图 3-12 被电子应变计校准后的珐 珀腔的应变特性
图 3-13 校准后珐 -珀腔和电子应变计的 测试结构对比
图3-12中的曲线示意的是研究标准具传感器长期稳定性和准确性的结果 。将一个恒定的应变施加到标准具上，保持~1小时，发现从标准具得到 的应变波动为~±1μ ε 。从CSM-1测量仪得到的数据是在通过一个低通滤 波器后记录的。通过F-P标准具和电阻应变仪测得的应变如图3-13。在图 3.13的图是从0 到 80s的应变测量结果的一个特写。从中可以看出标准 具和电阻应变仪的应变测试结果有很好的一致性。
高温温度和应变同时测量
该F-P标准具的准静态应变响应也可以通过将其粘接在悬臂梁(BDQ -1D, Hengxin Electronic Inc.)上来测试，悬臂梁是由不锈钢制作用来对由 于存在边缘效应引起的应变系数进行校正。该悬臂梁是等重的应变梁。 为了对光纤标准具测得的 应变进行校正，这里在梁的反面即光纤的下面安装了一个电阻应变仪 (BX-120, Huangshi Inc.)，如图3-11所示。
Tunable PD Laser Agilent 81642A 2
封闭式微光纤珐-珀传感器的应变特性 ——动态应变特性
Tunable Laser Agilent 81642A gilent 81642A
1:99 Coupler 1:1 Coupler
F-P Al Agilent Dynamic Signal Analyzer PD1
0.2
Pit 0.6 Wav elen gth 0.4 Shift (nm)
0.12
Phas e Shift 0.08 (rad)
0.04
y = 0.0255x - 0.0354 R2 = 0.9992
0.2
0 0 125 250 375 Displacement (μm) (a) 500
0
0 25 200 350 500 650 800
封闭式微光纤珐-珀传感器的应变特性 ——动态应变特性
0
-20
4με 23dB
4με 60dB
Pow er (dB m) -40
Pow er (dB -40 m)
BW 62.5Hz
-80
BW 10Hz
-60 0 600 1200 1800
0
Frequency (Hz) (a)
25 50 Frequency (kHz) (b)
微光纤珐-珀应变传感器的制作工艺流程
-15 -20
R-Intensity -25 (dB)
Experiment
Theory
-30 -35 -40 -45 -50 -55 1510 1530 1550
P
Wavelength (nm)
1570
1590
图3-8 珐-珀标准具的典型光谱图 (R-Intensity 代表相对强度，以后 章节不再说明)
首先，采用157nm激光微加工机在切割好的光 纤端面加工一个环形微孔，其典型深度为 20mm；然后将这段打好孔的光纤和另一段切 割好的光纤熔接在一起，就形成了一个在线 FP腔，这种微珐-珀标准具能够在高达~8000C 的高温环境下工作，并且这种自封闭结构使 得标准具牢固、稳定、可靠。同时由于该标 准具中空的结构和二氧化硅很低的热膨胀系 数，使得其对温度变化不敏感。此外，使用 对称的环形微孔有助于实现偏振无关。
封闭式微光纤珐-珀传感器的应变特性 ——静态应变特性
Pit 3 Wav elen gth 2 Shift (nm)
1
Residua ls Pit 2 Wavele 1 ngth Shift 0 (pm)
0.6
-1 -2 0 50 Time (s) 100
Phas e Shift 0.4 (rad)
Temperature (0C) (b)
0
图3-10(a) 珐-珀标准具的静态应变实验结果 (b) 温度响应 图3-10 (a)中小图是稳定性的实验结果，可见传感器的波长 漂移在几个pm。从图3-10 (a)不难发现，标准具的线性度为 ~99.92%，这是在500μ m的位移基础上±1.2pm(~±0.8μ ε ) ，通过线性拟合得到的。标准具的温度响应特性如图310(b)所示。在波长1570nm处，从180C to 8000C，相移和谷 值波长漂移分别为~0.1rad and 0.5nm，相应的温度系数分 别为~0.13mrad/0C and 0.64pm/0C。
微光纤珐-珀应变传感器的理论建模
在线型光纤珐-珀标准具的结构如图3-1(a)所示，
它是一个在光纤中自封闭的空气腔，标准具的空 气腔的长度和直径分别为L和D，两个反射面的反 射系数R1和R2 ，可以通过镀膜实现高反射面。
光纤珐-珀标准具的结构图和剖视图
微光纤珐-珀应变传感器的制作工艺流程
为了实现可以在高温环境应用的微型光纤传感器，我们发
图中可以看出，这种标准具条纹对比度很高，达到~30dB，这比传统手工 组装制作的F-P腔的对比度高出许多，传统的典型值都不到15dB。实际测 得光谱和理论计算的光谱符合得很好。理论计算所采用的参数为A1 = A2 = 0.04, = 0.02 且η 1=η 2=0.1。如此高的对比度确保应变测量的高精度 。
High-temperature Furnace
PZT
PD2
图3-14 高温动态应变测试装置
为了对F-P标准具在高温下的动态应变特性进行测试，我们设计了如图3-14所 示的测试方案。一台可调激光器(Agilent 81642A)被用来对F-P标准具测得的 动态应变进行解调。光源在1544nm波长处的3dB带宽和相干长度分别为0.1nm 和2.4cm ((>>38μ m))。激光器的波长被设置在1544nm，确保激光器运行在传 感器的线性区中心点。激光器输出光的1%被用来对光源波动进行校正，99%通 过一个1:1耦合器打入标准具实时跟踪由于动态应变引起的腔长的变化。珐珀标准具也被放置在高温炉中。标准具的一端固定在PZT上 (PU40 Jena)，它 的压电常数
157nm激光一次成型的珐-珀应变传感器
Laser Entrance D
γ
R
Core Cladding
L
(a) (b)
-25 RIntensity (dB) -35 -45 -55 -65
Wavelength (nm)
1510
1530
(c)
1550
1570
1590
图 3-16珐珀腔标准具的图片和反射谱图 (a)PCF 珐珀腔的扫描电镜图片
这种标准具精确的制作方法是采用157nm激光微加工，其基于的原理是二氧化硅对 157nm光子的强烈本征吸收。如图3-6所示，为基于量子力学理论计算的光学吸收谱 。从图中可以看出，二氧化硅对157nm光的光吸收系数很高，高于20000cm-1， 这就为在石英光纤上取得高质量的冷加工效果奠定了基础。获得一个高质量的FP腔的 关键步骤是如何在光纤的端面制作出一个具有高表面质量的环形 微孔.
微光纤珐-珀应变传感器的制作工艺流程
Absorption coefficient (1/cm)
Wavelength (nm) 图3-6理论计算的二氧化硅的光学吸收谱
微光纤珐-珀应变传感器的制作工艺流程
Cavity Joint
(a)
(b)
(c)
图3-7 微孔和珐-珀标准具的照片. (a) NT1100测试的微孔的三维结构 (b) 通过光学显微镜拍得标准具得透 射图 (c) 标准具得扫描电镜图
)纵向方向珐珀标准具的图片 (c) 珐珀标准具的反射谱图
从图3-16 (a)可以看出，加 工出的腔的两个端面是相当 光滑和平行的。腔的剖面图 如图3.16 (b)所示。 标准具的反射光谱如图316(c)所示。从图中可以看 出，这种PCF标准具有~26dB 极好的条纹对比度，据我们 所知，这是在没有镀膜情况 下光纤F-P应变传感器能获 得的最好的对比度之一。（ 一般情况下，根据[104-106, 111, 116]中报道的，不论是手 工组装，还是HF酸腐蚀，或 者是熔接等方法制作的F-P 传感器的条纹对比度都不到 15dB。）这是因为PCF的特 性使其成为通过微加工获得 光滑表面的理想材料。
光纤传感器随着光纤通信技术的实用化 有了迅速发展，且具有体积小、重量轻 、检测分辨率高、灵敏度高、测温范围 宽、保密性好、抗电磁干扰能力强、抗 腐蚀性强等明显优于传统传感器的特点 ，研制高温环境下符合测量要求的全光 纤压力传感器，以满足国防军事、航天 航空、土木工程、电力、能源、石油化 工工业和大气压力测量的需求。光纤同 具“传”、“感”两种功能。与光源耦
Cross section of fiber tip
Electrode
(a)
(b)
(c)
图3-5 自封闭型在线式F-P标准具. (a) 用157nm激光微加工机在切 割好的光纤端面加工环形微孔 (b) 然后将这段打好孔的光纤和另
一段切割好的光纤熔接在一起，就形成了在线FP腔
微光纤珐-珀应变传感器的制作工艺流程
1:1 Coupler
Etalon
Beam
Resistance Strain Gauge
Si720 OSA
Fixed support
图3-11珐珀腔与电子应变计的准静态应变对比实验装置
封闭式微光纤珐-珀传感器的应变特性 ——静态应变特性
Pit 2 Strai 2 Wav n 1 (με) elen 0 1.6 gth -1 Shift -2 1.2 0 2000 4000 (nm) Time (seconds)
图3-15 8000C时传感器对4με 的动态应变信号的响应 (a) 低频0~1800Hz (b) 高频0~50kHz
在温度分别为200C, 3000C, 5000C和8000C时进行了应变响应测试。为了说 明，在图3-15 (a)仅仅绘出了温度为8000C时的测试结果，因为200C, 3000C, 5000C 和8000C时的测试结果基本是一样的。 为了获得从0Hz到50kHz的功率谱密度，滤波器的带宽设置在62.5Hz。为了 便于阐述，仅仅给出了8000C时的测试结果，如图3-15(b)所示。这是因为 在200C, 3000C, 5000C 和8000C的结果基本是一样的。
157nm激光一次成型的珐-珀应变传感器
我们提出了一种采用157nm激光直接在光子 晶体光纤（PCF）上制作的在线珐-珀标准具 。这种微型在线标准具是一种在PCF上的微型 矩形槽结构，典型尺寸为数十微米，因此可以 在高温下应用。 这种PCF传感器具有许多传统的光纤F-P传感 器所不具有的优点，如：无需组装直接成形、 优良的光学特性、高温稳定性、好的温度不敏 感特性、低成本、可批量生产等，这可能导致 应用于多种场合的新一代微型光纤传感器的诞 生，因此可能引起光纤传感领域的一场革命。
封闭式微光纤珐-珀传感器的应变特性 ——静态应变特性
1:1 Coupler High-temperature Furnace Si720 OSA
图3-9 高温应变实验装置图
我们对该标准具的应变和温度特性在一个较宽的温度范围内进行了实验研 究。腔的实际长度为L，通过公式 来计算，这里 , 是标准具干涉谱相邻波 峰/波谷对应的波长。标准具理论的敏感长度由 来决定，其在 处的典型值 为~3.2mm/m/rad，这里 , 分别为标准具的应变和相位漂移。既然传 感头长度和腔长是一样的，当相位漂移< 的时候，施加的应变就可以根据 公式 来计算，这里 是波峰或者波谷对应的波长漂移（当幅度最小时对应 的波长，在图3-8中以“P”来标记的），λ0是相应的波峰或者波谷处的波 长。这就是说，当 时，应变可以根据监测标准具相位漂移的谷值波长来计 算。本文中，当波长为1570nm时，标准具的理论应变系数为 ~1.57pm/με 和~0.304mrad/με。
0.8 0.4 0 0 300 600 900 Measured Strain (με) 1200
0 100 200
Experimental Theoretical
Phas Measu e 271 red Shift Strain (rad) (με)
270
600 Mea
EFPI RSG
269 0
Time (seconds) 40
明了一种基于157nm激光微加工制作的微珐-珀传感器， 这种封闭式光纤FP腔的制作过程如图3-5 所示。
10~60mm Electrode Micro-hole Micro-hole Cladding Core Cladding Core Cladding Core 157nm laser F-P
cavity