黃夢醒，李宇航，王冠軍，劉建勛，嚴璐，王隆娟

（1. 海南大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，海南 ?？?570228；2. 海南大學(xué)南海海洋資源利用國家重點實驗室，海南 海口 570228；3. 中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051）

1 引言

海冰是重要的自然災(zāi)害之一，實時有效地監(jiān)測海水靜動態(tài)特性對海洋交通運輸、漁業(yè)、海洋石油鉆井等領(lǐng)域至關(guān)重要。由于局限于惡劣的氣候、復(fù)雜的地理環(huán)境等因素影響，如何精準地實現(xiàn)靜冰壓力實時監(jiān)測，尚需科研工作者的持續(xù)關(guān)注。

常用的靜冰壓力測量儀器包括凍結(jié)力機械裝置和壓阻式壓力傳感器。傳統(tǒng)的電阻式和波紋管壓力計存在數(shù)據(jù)誤差、準確度有限、分辨率低、監(jiān)測效果受限于電源蓄電量等問題[1]，而光纖傳感器則具有體積小、可集成、遠距離、分布式傳感、傳感器無需供電等優(yōu)勢，在遠距離靜冰壓力監(jiān)測方面具有獨特優(yōu)勢。2010年，Zhou等[2]通過在一個冰區(qū)和一個冰梁上安裝光纖類傳感器，分析了傳感器在集中荷載作用下的軸向和彎曲行為，監(jiān)測了靜冰應(yīng)變與冰結(jié)構(gòu)損傷的特征，此類光纖傳感器在長期冰結(jié)構(gòu)的監(jiān)測以及安全評估上有很大作用。2012年，Ge等[3]設(shè)計了一種光纖結(jié)冰傳感器，可以用來確定冰的類型并精確測量冰的厚度，這種光纖結(jié)冰傳感器在航空航天安全監(jiān)測領(lǐng)域有很大的價值。2013年，Zou等[4]提出了一種光纖端面傾斜結(jié)構(gòu)的光纖結(jié)冰傳感器，這種傳感器的輸出電壓會隨著冰層厚度的增加迅速降低，而面對混合冰時則不會有顯著的變化，可用于準確識別航天應(yīng)用的冰類型。2015年，Cui等[5]提出一種可以實現(xiàn)自動連續(xù)測量的靜冰壓力光纖傳感器，這種新型光纖傳感器具有穩(wěn)定的性能、高分辨率和高靈敏度特點，可監(jiān)測冰的生長和融化過程中的靜冰壓力等參數(shù)。2016年，Marchenko等[6]使用Bragg光柵傳感器來研究鹽水結(jié)冰的熱力學(xué)性質(zhì)，光柵傳感器可以觀測由于冰水壓力引起的液體鹽水垂向運移而引起的熱膨脹現(xiàn)象。2017年，Yang等[7]提出了一種靜冰壓力檢測方法，該方法是基于光纖干涉環(huán)技術(shù)，這種壓力檢測方法具有對光源功率波動不敏感、結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、靈敏度高等優(yōu)點。綜上所述，目前，國內(nèi)外利用光纖傳感器進行靜冰壓力監(jiān)測的研究仍處于前期探索階段，對適合靜冰壓力監(jiān)測的光纖傳感器設(shè)計與特性分析研究尚待完善。

此外，基于微腔結(jié)構(gòu)的光纖 Fabry-Perot傳感器也是一種重要的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測方法。目前，文獻中報道的光纖微腔制作方法有很多。例如，Ma等[8]通過將一定長度的石英毛細管與單模光纖熔接，然后融合(加熱/熔化)毛細管制作了一種具有內(nèi)部空氣腔的微球傳感器。Jiang[9]使用化學(xué)蝕刻法和電弧放電方式，將尖端形成槽的多模光纖放入熔接機中，并通過電弧放電方法在多模光纖端部形成一個微腔。Duan等[10]采用熔接機電弧放電方法制造了空氣腔結(jié)構(gòu)的Fabry-Perot干涉式應(yīng)力傳感器，其制作微泡的應(yīng)力靈敏度超過了4 pm/με。Liu等[11]設(shè)計了一種高靈敏度應(yīng)力傳感器，該傳感器是基于兩段標準單模光纖拼接成的空氣腔結(jié)構(gòu)光纖 Fabry-Perot干涉儀，通過重復(fù)電弧放電方法，提高FPI（Fabry-Perot interferometer）空腔膜層薄度，相應(yīng)的傳感器達到6.0 pm/με。通過改進兩段單模光纖中間的微泡裝置得到矩形氣泡，Liu等[12]將應(yīng)力靈敏度提高到了43.0 pm/με。2016 年，Liu 等[13]提出了一種月牙形光纖Fabry-Perot腔傳感器，新月形腔反射面有2個，與拋磨型或橢圓的腔結(jié)構(gòu)傳感器相比，應(yīng)變靈敏度有所增強。

本文提出了一種基于光纖微泡結(jié)構(gòu)Fabry-Perot傳感器的靜冰壓力測試新方法，與以往的光纖光柵傳感器結(jié)構(gòu)不同，本文設(shè)計的是抗溫度干擾能力比較強的微泡型光纖Fabry-Perot傳感器，通過優(yōu)化微泡薄膜結(jié)構(gòu)來優(yōu)化傳感器應(yīng)變靈敏度特性，同時采用了金屬管/PDMS/AB膠組合封裝方法對傳感器進行封裝，并在此基礎(chǔ)上，展開了冰融化和冰凝固階段的靜冰應(yīng)變特性研究，最后采用ANSYS軟件仿真分析方法對結(jié)果進行了驗證。

2 光纖Fabry-Perot傳感器制備、封裝與原理分析

為了準確有效地監(jiān)測靜冰壓力特性，制備具有較高靈敏度特性的光纖 Fabry-Perot傳感器是首要前提。對于本文提出的微泡型傳感器結(jié)構(gòu)，由于微泡端部薄膜厚度和直徑直接決定了傳感器靈敏度，所以本文在以往研究基礎(chǔ)上，對傳感器制備方法進行了進一步優(yōu)化。經(jīng)過優(yōu)化后的膨脹輔助放電法薄膜傳感器制備方法主要包括以下3個步驟，具體如圖1所示。

1) 將所用到的單模光纖和玻璃管端面切割整齊。實驗所用的是康寧公司生產(chǎn)的單模光纖，該光纖的參數(shù)為內(nèi)徑8 μm，外徑125 μm。玻璃管內(nèi)徑為75 μm，外徑為125 μm。然后將單模光纖置于光纖熔接機（光纖熔接機的型號為Fijikura FSM 60S）兩端進行熔接，如圖1(a)所示。2) 在將接近熔接點的玻璃管置于電極中心位置后，通過壓力泵往玻璃管內(nèi)填充一定壓強值的空氣，然后熔接機馬達上施加一定的外向力。經(jīng)3～5次放電熔接后，玻璃管會發(fā)生斷裂，形成一個封閉的玻璃管結(jié)構(gòu)，如圖1(b)所示。3) 將封閉的玻璃管結(jié)構(gòu)移至電極放電區(qū)域后，進行多次放電，這樣，玻璃管內(nèi)殘留的氣體膨脹，會使得玻璃管端部變得越來越薄，最終形成薄膜型微泡，如圖1(c)所示。

實驗涉及的填充壓強中心值為 120 kPa，放電電流中心值為20 bit（熔接機內(nèi)顯示單位），放電時間約300 ms。

圖1 薄膜型光纖Fabry-Perot傳感器制備流程

需要說明的是，膨脹輔助放電法薄膜傳感器制備方法中的參數(shù)并不是固定的，可以根據(jù)制備目標和微泡各個階段的形變效果進行調(diào)整。在制備超薄微泡結(jié)構(gòu)時，有效地控制電弧放電與馬達運動參數(shù)對壁厚均勻度極其重要，可調(diào)整放電時間進行調(diào)控。隨著微泡結(jié)構(gòu)端部區(qū)域越來越薄，容易造成泡結(jié)構(gòu)厚度不均勻，這極易導(dǎo)致泡壁軟化和膨脹區(qū)域反差過大。當(dāng)微泡結(jié)構(gòu)畸變到達一定界限后就會破裂。隨著微泡膜層厚度變薄，上述參數(shù)需要相應(yīng)微調(diào)。在實驗中，幾次放電作用后，沿軸向微泡區(qū)域膨脹伸長，泡壁也會變薄，并且有良好的均勻度，最后測得微泡壁厚范圍在3～8 μm之間。

圖2是本文制備的微泡型光纖Fabry-Perot傳感器，采用顯微鏡（顯微鏡的型號為Leica DM750M）拍照。該傳感器的特點是微泡呈球形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)比較均勻?qū)ΨQ。連接微泡的單模光纖直徑為125 μm，經(jīng)測量，圖2中的微泡腔長度d和毛細管壁厚t分別約為200 μm和5 μm。在進行傳感器實驗時，光束會從圖2(a)中的單模光纖端部射出，在光纖端部（圖2(a)中“1”處）、微泡端部內(nèi)壁（圖2(a)中“2”處）、微泡端部外壁（圖2(a)中“3”處）處反射，形成干涉。為了探測相應(yīng)的干涉光譜，本文采用由北京理工大學(xué)江毅教授研制的光纖 Fabry-Perot傳感器解調(diào)儀進行高靈敏度解調(diào)。圖3是相應(yīng)的干涉光譜，呈現(xiàn)出比較明顯的光譜干涉特點。

圖2 制備的薄膜結(jié)構(gòu)光纖Fabry-Perot傳感器

圖3 微泡結(jié)構(gòu)的反射光譜

當(dāng)應(yīng)用于靜冰壓力監(jiān)測時，微泡型光纖Fabry-Perot傳感器的微泡外部受到靜冰壓力作用會發(fā)生形變，導(dǎo)致光纖端部(圖2(a)中“1”處)、微泡端部內(nèi)壁(圖2(a)中“2”處)之間的微泡腔長L產(chǎn)生變化，記為ΔL，n為微泡空氣的折射率，λ為波長，相應(yīng)的干涉光譜相位變化如式(1)所示。

當(dāng)將光纖 Fabry-Perot傳感器應(yīng)用于壓力和應(yīng)變時，ΔT是溫度變化，ΔФ是相位變化，故由ΔT引起的ΔФ可以表示為

其中，αt是石英毛細管的熱膨脹系數(shù)；?air是空氣的熱光系數(shù)，為0.1 με/℃；αf是光纖的熱膨脹系數(shù)。由于光纖和石英管均是用二氧化硅材料制成的，系數(shù)αt與αf幾乎沒有差別，同時?air可忽略不計。因此，本文所涉及傳感器對溫度的交叉敏感可以控制到很低。當(dāng)應(yīng)用于靜冰壓力實驗時，靜冰壓力變化會導(dǎo)致微泡型光纖Fabry-Perot傳感器的微泡腔長L發(fā)生一定的形變。根據(jù)式(1)和式(2)，干涉譜相位和譜峰會發(fā)生相應(yīng)移動[14]。如圖3所示，通過監(jiān)測圖3中的譜峰移動情況，可計算出相應(yīng)的光纖傳感器應(yīng)變量和靜冰壓力情況。

靜冰壓力測量一般是在比較惡劣的工作環(huán)境中進行的。由于冰內(nèi)部形態(tài)的變化，裸露在冰點的光纖很容易被損壞?？紤]到光纖的使用壽命，需要對微泡型光纖Fabry-Perot傳感器進行封裝。在封裝結(jié)構(gòu)上，封裝材料可選擇不銹鋼管，它的硬度和強度都比較大。在封裝時，首先將微泡結(jié)構(gòu)光纖傳感器懸空放入金屬管中，然后將PDMS（poly dimethy lsiloxane）膠填充在金屬管內(nèi)，同時用真空抽氣泵將PDMS膠的氣泡抽出，保持管內(nèi)被PDMS膠完全充滿。這里的PDMS是聚二甲基硅氧烷，是一種應(yīng)用非常廣泛的光纖傳感器封裝材料，而且可以起到傳感器靈敏度增強效果[15]。本文后面計算的傳感器特性也包含了產(chǎn)生的增敏效果。金屬管兩端用AB膠固定，以提高傳感結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。微泡型光纖Fabry-Perot傳感器封裝方法，如圖4所示。

圖4 Fabry-Perot傳感器封裝結(jié)構(gòu)

在模擬靜冰壓力實驗時，將傳感器放入一個裝滿水的固體容器中，放入冰箱中冷凍。之后將完全冷凍的傳感器拿出來，在室溫下進行融化。使用北京理工大學(xué)江毅教授研制的光纖 Fabry-Perot傳感器解調(diào)儀解調(diào)監(jiān)測光纖 Fabry-Perot傳感器在水冷凍和冰融化過程中的頻譜變化，來研究光纖Fabry-Perot傳感器對靜冰壓力的傳感特性。同時在容器中傳感器附近放置電子式溫度傳感器和應(yīng)變傳感器，用于標定冰內(nèi)溫度與應(yīng)變值。

3 微泡型光纖Fabry-Perot傳感器的靜冰壓力實驗結(jié)果及分析

圖5(a)給出了冷凍過程中微泡型光纖Fabry-Perot傳感器頻譜隨溫度變化的干涉光譜。圖5(b)則分別顯示了波長漂移與冰溫、應(yīng)變之間的關(guān)系。

圖5 冷凍過程實驗結(jié)果

由圖5(b)可知，溫度的零坐標在圖的右下方，應(yīng)變值的零坐標在圖的右上方，分析應(yīng)變時應(yīng)從右到左，從上到下。這里的應(yīng)變是指壓縮產(chǎn)生的應(yīng)變，為負值，本文取絕對值加以分析。故冷凍時，隨著冰溫度從0℃降至-15℃過程中，相應(yīng)的應(yīng)變值呈指數(shù)增加趨勢，而且溫度越低，應(yīng)變值就越大，應(yīng)變速率也逐漸增加。如圖5(b)可得到應(yīng)變的擬合計算式為S=6.950 71+1.090 66T-0.562 7T2，T代表溫度。

圖6則給出了靜冰在融化過程中的譜峰及應(yīng)變變化情況。圖6(a)為微泡型光纖Fabry-Perot傳感器在融化過程中隨溫度變化而發(fā)生波長漂移的反射光譜圖。圖6(b)則顯示了波長漂移與冰溫和應(yīng)變的關(guān)系。如圖 6(b)所示，可得到應(yīng)變的擬合計算式為S=-0.7017 9+9.038 2T-0.395 5T2。對比圖5(b)和圖6(b)可以看出，冰凍過程和融化過程的靜冰壓力變化趨勢基本相同，兩者之間的偏差主要由測量過程中的不確定性造成，這些不確定性主要包括傳感器封裝與電子溫度計、應(yīng)變計之間的位置偏差、實驗冰塊的位置等，若進一步改進實驗條件，兩者會進一步吻合。

為了進一步解釋上述實驗結(jié)果。本文采用ANSYS有限元軟件來進行光纖Fabry-Perot傳感器結(jié)構(gòu)的建模，模擬傳感器在一定壓力下的形變特性。每增加1 MPa的壓強時，光纖端部微泡結(jié)構(gòu)受到壓力后產(chǎn)生的最大位移形變量約為 24.9 nm，如圖7(a)所示。圖7(b)也給出了微泡應(yīng)變與外界壓力之間的關(guān)系，縱坐標為壓強，橫坐標為應(yīng)變值。隨著壓強的增加，其應(yīng)變值也在不斷增加。經(jīng)過計算可知，直線的斜率K為6.67×104，也即為微泡結(jié)構(gòu)的線性應(yīng)力靈敏度為6.67×104MPa/με。這也驗證了上述實驗結(jié)果的可靠性。

圖6 融化過程實驗結(jié)果

傳統(tǒng)的膜片式結(jié)構(gòu)的靜冰壓力傳感器則使用壓力膜盒結(jié)構(gòu)，當(dāng)受靜冰壓力作用時，靜冰壓力傳感器產(chǎn)生彈性變形的彈性平膜片會使靜冰壓力信號轉(zhuǎn)變成彈性平膜片中心的微小位移信號，從而引起接收光纖束中信號光強的變化[5]。這類結(jié)構(gòu)使用到的傳感器探頭由新型敏感元件（帶有彈性平膜片的感應(yīng)靜冰壓力的膜盒）和帶有光源功率參考檢測的光纖束組成，制作起來比較復(fù)雜，成本較高，且應(yīng)力靈敏度只達到了2.74×10-4kPa。相比而言，本文的微泡結(jié)構(gòu)光纖傳感器制作起來比較方便，靈敏度也很高。

圖7 傳感器特性仿真分析

4 結(jié)束語

靜冰壓力進行監(jiān)測在海洋交通運輸?shù)阮I(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。本文首次提出利用微泡型光纖Fabry-Perot傳感器來檢測靜冰壓力特性。結(jié)合獨特的膨脹輔助放電方法來制備靈敏度較高的微泡型光纖Fabry-Perot傳感器，并詳細討論了微泡薄膜結(jié)構(gòu)傳感器制備過程、技術(shù)和關(guān)鍵難點。在此基礎(chǔ)上針對監(jiān)測對象特點對傳感器進行了封裝，結(jié)合冰的冷凍過程和融化過程展開了實驗研究，分析了傳感器和靜冰應(yīng)變與溫度之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的降低，冰內(nèi)部的應(yīng)變呈增加趨勢，而且增加速率也在不斷變大。最后結(jié)合 ANSYS軟件對實驗結(jié)果進行了解釋，且與壓力膜盒式傳感器進行對比。本文研究內(nèi)容對冰力學(xué)特性研究具有一定的參考價值。