陳士猛，童杏林，張 翠，李 蒙，張 博，陳續(xù)之，3

(1.武漢理工大學(xué) 光纖傳感技術(shù)國家工程實驗室，武漢 430070； 2.武漢理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，武漢 430070；3.武漢理工大學(xué) 理學(xué)院,武漢 430070)

引 言

光纖傳感器因具有耐腐蝕、耐高溫、響應(yīng)速度快、體積小、易嵌入材料內(nèi)部、抗電磁干擾等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于石油化工等行業(yè)的高溫、高壓環(huán)境中[1-2]。光纖法布里-珀羅(Fabry-Perot，F(xiàn)-P)傳感器除了具有光纖傳感器的諸多優(yōu)點外，還具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高、測量動態(tài)范圍大等獨特優(yōu)勢，近年來已經(jīng)發(fā)展為光纖傳感器的重要研究方向[3]。目前，國內(nèi)外關(guān)于光纖F-P溫度/壓力傳感器的研究主要集中在單參數(shù)測量方面[4-5]。然而，在工業(yè)、醫(yī)療、航空航天等重要領(lǐng)域中[6-8]，常常需要對溫度和壓力同時進(jìn)行測量。由于存在溫度的交叉敏感問題，僅測量壓力的傳感器在這些大溫度動態(tài)范圍的環(huán)境中難以實現(xiàn)壓力的準(zhǔn)確測量。如果將壓力和溫度分開測量，就需要使用兩種傳感器，這又會使測量系統(tǒng)變得冗余且復(fù)雜。在石化行業(yè)石油氣煉制和傳輸?shù)倪^程中，反應(yīng)器和管道內(nèi)存在復(fù)雜的高溫、高壓環(huán)境，通過監(jiān)測反應(yīng)器和管道內(nèi)部的壓力和溫度，可以嚴(yán)格控制原料的反應(yīng)過程和石油氣的傳輸過程，隨時了解催化劑床層的結(jié)焦、結(jié)垢以及雜質(zhì)阻塞程度[9]。因此，需要設(shè)計一種適用于石化行業(yè)高溫、高壓環(huán)境的溫度和壓力同時測量的復(fù)合型光纖F-P傳感器。

近年來，能夠同時測量溫度和壓力的光纖F-P復(fù)合傳感器逐漸發(fā)展了起來[10-11]。例如，PANG等人[12]將采用微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system，MEMS)工藝加工的空氣背襯硅薄膜與45°拋光光纖交叉粘合制作出一種光纖F-P壓力、溫度復(fù)合傳感器，其壓力腔為空氣腔，溫度腔為硅腔，壓力測量范圍為101.22kPa～236.49kPa，溫度測量范圍為26.1℃～243.6℃，因此不適用于高壓環(huán)境。YIN等人[13]改進(jìn)了這種6結(jié)構(gòu)，通過通孔結(jié)構(gòu)玻璃和兩個硅晶片雙面鍵合構(gòu)成了兩個串聯(lián)的F-P腔，這是光纖F-P復(fù)合傳感器的常用結(jié)構(gòu)，其中硅腔仍用于測量溫度，而空腔采用真空結(jié)構(gòu)，用于測量壓力，該傳感器的溫壓測量范圍過小，不適用于高溫、高壓環(huán)境。LI等人[14]將一段石英毛細(xì)管兩端分別于單模光纖和多孔光子晶體光纖熔接構(gòu)成了空氣腔和石英腔的雙腔串聯(lián)結(jié)構(gòu)，其中，空氣腔的壓力和溫度靈敏度分別為4.04pm/kPa和0.87pm/℃，石英腔的壓力和溫度靈敏度分別為3.36pm/kPa和14.36pm/℃，因為兩個F-P腔均對壓力和溫度同時敏感，所以這種傳感器沒有明確的壓力腔和溫度腔之分，通過靈敏度系數(shù)矩陣可以求解出外界壓力和溫度，但是過小的體積和較低的靈敏度使得它并不適用于石化行業(yè)。目前，光纖F-P壓力、溫度復(fù)合傳感器的技術(shù)發(fā)展還不成熟，暫未見適用于石化高溫、高壓、高安全可靠性要求的傳感器研究報道。

本文中提出并制備了一種光纖F-P復(fù)合傳感器，適用于石化反應(yīng)器內(nèi)部0MPa～5MPa壓力和-20℃～300℃溫度的同時測量。該傳感器以凸面不銹鋼法蘭為主體，由石英玻璃和藍(lán)寶石玻璃組成的雙F-P腔構(gòu)成，其中，石英玻璃作為壓力敏感膜片并于藍(lán)寶石之間構(gòu)成密閉空氣腔，用于測量壓力，溫度腔為藍(lán)寶石玻璃，用于測量溫度。在實驗室條件下的標(biāo)定結(jié)果顯示，該傳感器的壓力和溫度線性相應(yīng)關(guān)良好，壓力靈敏度和溫度靈敏度分別為796nm/MPa和3.864nm/℃。

1 傳感器理論和設(shè)計

如圖1所示，光纖F-P溫度、壓力復(fù)合傳感器有兩個F-P干涉腔[15]，一般由兩種不同折射率材料的3個光滑平行端面構(gòu)成，如兩塊不同材質(zhì)光學(xué)玻璃相對平行不接觸放置，分別用于測量溫度和和壓力，稱為溫度腔和壓力腔，通常溫度腔為光學(xué)玻璃，壓力腔為壓力敏感膜片與溫度腔之間的空氣腔。壓力腔直接與外界環(huán)境接觸，用于測量外界壓力；溫度腔用于測量溫度，與壓力腔為串聯(lián)關(guān)系。這種傳感器的基本原理是外界壓力和溫度的變化會引起壓力腔和溫度腔的腔長或折射率改變，從而引起輸出干涉光譜的漂移。當(dāng)一束光I0從左側(cè)射入，通過算法解調(diào)反射光Ir就可以計算出外界物理量的變化。

Fig.1 Schematic diagram of double F-P cavities interference structure

1.1 復(fù)合腔干涉理論

當(dāng)入射光從左側(cè)入射時會在折射率變化的界面發(fā)生反射，如圖1所示，反射光在交匯時就會發(fā)生F-P干涉，形成有明顯特征的雙F-P腔干涉光譜[16]。假設(shè)3個端面的反射系數(shù)分別為r1,r2和r3，透射系數(shù)分別為t1,t2和t3，形成兩個F-P腔的腔長分別為d1和d2，兩個腔的折射率分別為n1和n2。在垂直入射的情況下，兩個腔產(chǎn)生的相位差分別為φ1和φ2，3個端面的反射率分別為R1,R2和R3，透射率分別為T1,T2和T3，它們之間滿足以下關(guān)系[17]：

(1)

溫度腔和壓力腔的相位差φ1,φ2與F-P腔的折射率和腔長之間滿足：

(2)

在不考慮光傳輸損耗時，復(fù)合腔的整體反射率為：

(3)

D=1+(r1r2)2+(r2r3)2+(r1r3)2+2r1r2(1+

r32)cosφ1+2r2r3(1+r12)cosφ2+

2r1r3cos(φ1+φ2)+2r1r22r3cos(φ1-φ2)

(4)

假設(shè)壓力腔和溫度腔的腔長分別為100μm和300μm。一般光學(xué)玻璃的端面反射率約為4%，即反射系數(shù)為r1=r2=0.2。將壓力敏感膜片的反射系數(shù)r3分別設(shè)置為0.3，0.6，0.9，利用(3)式可以得到r3在不同反射系數(shù)下復(fù)合腔的歸一化輸出光譜,如圖2所示。

Fig.2 r1=r2=0.2, normalized output spectrum when r3 is changed

由圖2可以看出，復(fù)合式F-P腔在r1=r2的情況下，隨著r3的增大，其光譜特性由差到好再到差，在r3=0.6時,其光譜特性相對較好。因此，由(1)式可知，壓力敏感膜片的反射率設(shè)置約為0.36時，可以得到相對較好的干涉光譜。

1.2 傳感器參數(shù)設(shè)計

由復(fù)合型F-P腔的結(jié)構(gòu)可知，需要分別對壓力腔和溫度腔進(jìn)行設(shè)計，以獲得特性最好的傳感器。

1.2.1 壓力腔設(shè)計 對于壓力腔的設(shè)計，采用結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、高敏感性的膜片式結(jié)構(gòu)[18]。典型的膜片式F-P腔結(jié)構(gòu)如圖3所示。當(dāng)彈性膜片受到外部壓力的作用時，會產(chǎn)生彎曲形變，從而引起壓力敏感腔長度的變化，壓力敏感膜片的尺寸直接決定傳感器測量壓力的量程范圍和靈敏度。圖3中，h為膜片的厚度，a為圓形膜片的有效半徑或方形膜片有效邊長的一半，Y為膜片發(fā)生形變時的撓度，p為外界施加應(yīng)力。膜片的應(yīng)力特性與其材料的楊氏模量E和泊松比μ有關(guān)。

Fig.3 Structural stress diagram of diaphragm F-P cavity

壓力敏感膜片的結(jié)構(gòu)通常有圓形和方形兩種。在相同的橫向尺寸下，方形膜片比圓形膜片具有更好的壓力靈敏度，而圓形膜片則比方形膜片具有更好的耐壓性能。由于石化反應(yīng)器內(nèi)部為高壓環(huán)境，因此選用圓形膜片結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行壓力敏感腔的設(shè)計。對于圓形壓力膜片，其最大擾度位于膜片中心位置，最大應(yīng)力為徑向應(yīng)力F，可表示為：

(5)

對應(yīng)的圓形壓力膜片的靈敏度S為[19]：

(6)

假設(shè)采用石英作為壓力膜片，在外界5MPa的均勻壓力下，利用(5)式和(6)式得到膜片所受最大應(yīng)力及壓力靈敏度與膜片有效半徑、厚度之間的關(guān)系，如圖4a和圖4b所示?？梢钥闯?壓力膜片所受最大應(yīng)力及靈敏度都隨著厚度的增大而減小，隨有效半徑的增大而增大。在進(jìn)行膜片結(jié)構(gòu)的設(shè)計時應(yīng)當(dāng)綜合考慮膜片的壓力靈敏度和所受最大應(yīng)力，希望提高靈敏度的同時減小膜片所承受的最大應(yīng)力。

Fig.4 a—relationship between diaphragm sensitivity and effective radius and thickness b—relationship between maximum stress on diaphragm and effective radius and thickness

1.2.2 溫度腔設(shè)計 當(dāng)外界環(huán)境溫度發(fā)生變化時，F(xiàn)-P腔結(jié)構(gòu)會因材料熱光效應(yīng)使得折射率n改變，從而會引腔長的變化。設(shè)溫度敏感材料的熱膨脹系數(shù)為σ，熱光系數(shù)為ξ，初始折射率為n0，初始腔長為d0，則光程差與溫度變化量之間的關(guān)系可表示為[20]：

ΔDOPD=2(σ+ξ)n0d0ΔT

(7)

由(7)式可知，光程差隨溫度變化量呈二次曲線變化。在選擇制作溫度腔的敏感材料時，應(yīng)選擇熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)大的材料；對于特定的材料，適當(dāng)增大初始腔長可以提高溫度靈敏度。

1.2.3 敏感材料選擇 從表1可以看出,3種玻璃中藍(lán)寶石玻璃的熱膨脹系數(shù)與熱光系數(shù)最好，且楊氏模量最大，受溫度影響效果最明顯，同時對壓力又最不敏感；石英玻璃和Pyrex7740玻璃的楊氏模量比較接近，且比藍(lán)寶石小得多，但石英玻璃的熱膨脹系數(shù)更小，用作壓力敏感膜片時受溫度的影響更小。因此，選擇石英玻璃制作壓力敏感膜片，藍(lán)寶石玻璃則用作溫度腔。

Table 1 Comparison of common glass parameters

1.2.4 參數(shù)設(shè)置及仿真分析 基于對復(fù)合型F-P腔結(jié)構(gòu)壓力腔和溫度腔的理論分析，擬定壓力腔和溫度腔的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：(1)壓力敏感膜片為石英玻璃，有效半徑設(shè)為4mm，厚度1mm，其中反射端面的反射率設(shè)置為36%；由(6)式可以得到壓力膜片的理論靈敏度約為0.634nm/kPa；(2)溫度敏感腔采用藍(lán)寶石玻璃，初始腔長/厚度擬設(shè)為300μm。

根據(jù)壓力膜片參數(shù)建立3維模型并進(jìn)行有限元仿真分析，設(shè)置邊界條件為：周圍固定，施加壓力5MPa，得到如圖5所示的分析結(jié)果。

從圖5a中可以看出，該模型的最大形變位于波片中心，最大形變量為3.916×10-6m，假設(shè)膜片產(chǎn)生線性均勻的形變，則膜片的靈敏度為0.783nm/kPa；由圖5b可以看出,膜片中心位置的等效彈性應(yīng)變僅約為0.0003565m/m，說明石英作為壓力膜片復(fù)合設(shè)計要求；圖5c為壓力膜片所受應(yīng)力情況，最大應(yīng)力位于膜片邊緣處，所受最大應(yīng)力為7.4465×107Pa。Fig.5 a—total deformation diagram b—equivalent elastic strain diagram and c—equivalent stress diagram of pressure sensitive diaphragm

2 傳感器制備和測試

2.1 傳感器制備

所設(shè)計傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。其主體結(jié)構(gòu)為不銹鋼凸面法蘭，可與石化反應(yīng)器或管道外壁所預(yù)留的凹面法蘭相匹配，便于傳感器用于實時監(jiān)測管道內(nèi)高溫高壓環(huán)境下的壓力和溫度?？紤]到實際機(jī)床加工過程中平面度的問題，設(shè)計中避免采用銑槽加工，因此實際的壓力敏感膜片比半徑4mm的有效孔徑大了1倍，即直徑16mm。底部傳感光纖采用陶瓷插芯固定，并內(nèi)嵌于金屬基座中；金屬基座前端為外螺紋結(jié)構(gòu)，方便微調(diào)壓力腔腔長；頂部銅質(zhì)探頭同樣為外螺紋結(jié)構(gòu)，用于保護(hù)壓力膜片，并與壓力標(biāo)定設(shè)備連接；采用353ND環(huán)氧膠將藍(lán)寶石玻璃固定于金屬基座頂端，其工作溫度為-50℃～300℃，保證藍(lán)寶石玻璃與石英玻璃的相互平行；氣密性墊片為耐高溫石棉墊片，最高耐溫可達(dá)500℃。由于傳感器其它組件均為耐溫超過1000℃的高溫材料，因此，該傳感器的耐溫性能取決于353ND。

Fig.6 Structural diagram of optical fiber F-P temperature and pressure composite sensor

制備后的傳感器實際參數(shù)如下：(1)壓力敏感膜片直徑為16mm，有效半徑為4mm，厚度為1mm，反射端面鍍有反射約33%的介質(zhì)膜，壓力腔長度約為240μm；(2)溫度腔長度約為300μm，直徑約5mm。

圖7a為傳感器的干涉光譜圖。其每個包絡(luò)中都包含約3～4個明暗相間的干涉條紋，這說明所制作的復(fù)合式光纖F-P傳感器具有良好的光學(xué)特性。對光譜信號進(jìn)行快速傅里葉變換(fast Fourier transform，F(xiàn)FT)，得到F-P腔的光學(xué)路徑長度，如圖7b所示。圖中3個峰對應(yīng)的橫坐標(biāo)分別表示壓力腔、溫度腔的光學(xué)長度以及二者之和，光學(xué)長度與實際物理長度之間滿足：L=nd，其中L為光學(xué)腔長，n為F-P腔體介質(zhì)的折射率，d為物理腔長，光學(xué)腔長換算成實際物理長度后與設(shè)計值接近。本文中采用基于FFT的離散腔長域變換(discrete gap transform，DGT) 解調(diào)算法對傳感器進(jìn)行后面的解調(diào)標(biāo)定[21]。

Fig.7 a—sensor spectrum b—FFT transformation results

2.2 傳感器標(biāo)定

按圖8搭建傳感器的標(biāo)定系統(tǒng)。系統(tǒng)包括：1550nm寬帶光源、解調(diào)儀、溫控箱、壓力控制器、計算機(jī)、耦合器、銅管等。其中，壓力控制器型號為CPC6050，最大控制范圍為0MPa～6MPa，控制精度為0.004%滿量程(full scale,FS)；溫控箱采用TEMI880溫濕度可程式控制器，溫度控制范圍為-90℃～200℃，誤差±0.2℃。

2.2.1 壓力標(biāo)定 在常溫(20℃)環(huán)境下對光纖F-P復(fù)合傳感器進(jìn)行壓力標(biāo)定。將溫控箱溫度設(shè)置為20℃保持不變，待顯示面板溫度達(dá)到設(shè)定值后繼續(xù)保溫1h即可開始壓力標(biāo)定實驗，保證傳感器處于恒溫狀態(tài)。設(shè)定壓力標(biāo)定范圍為0MPa～5MPa，壓力起始值為大氣壓(約0.1MPa)，下一壓力值設(shè)置為0.2MPa，而后以0.2MPa為步長直至壓力達(dá)到5MPa，然后從5MPa以同樣方式逐漸減小至大氣壓。記錄此過程壓力腔和溫度腔長度的變化并繪制成圖像，如圖9所示。

Fig.8 Sensor demodulation system diagram

Fig.9 a—pressure chamber change curve b—temperature chamber change scatter diagram

圖9a所示的是壓力遞增和遞減過程壓力腔腔長的變化，遞增過程的線性擬合度R2=0.9997，壓力敏度為0.798μm/MPa；遞減過程的線性擬合度R2=0.9992，壓力靈敏度為0.796μm/MPa。可見此傳感器有良好的壓力線性響應(yīng)關(guān)系和可重復(fù)性，與壓力仿真得到的壓力靈敏度十分接近。將壓力標(biāo)定過程的溫度腔腔長繪制成如圖9b所示的散點圖，發(fā)現(xiàn)溫度腔的腔長變化呈現(xiàn)隨機(jī)性，在298.560μm～298.553μm之間來回波動，其最大偏移量為0.007μm，這相對于壓力腔的腔長最大偏移量3.923μm可以忽略。

2.2.2 溫度標(biāo)定 在溫度標(biāo)定實驗中，將壓力控制器的壓力輸出設(shè)置為大氣壓，保證傳感器處于穩(wěn)壓狀態(tài)?？紤]到溫控箱的溫度控制范圍及傳感器應(yīng)用的環(huán)境溫度(約130℃)，設(shè)定溫度標(biāo)定范圍為20℃～180℃。以20℃為起始溫度點，20℃為步長進(jìn)行溫度標(biāo)定，當(dāng)溫控箱內(nèi)部溫度達(dá)到設(shè)定溫度值之后保溫至少1h，待穩(wěn)定之后分別記錄當(dāng)前時刻下壓力腔和溫度腔的長度，然后逐漸增加溫度，直至溫度增加到180℃。圖10為溫度標(biāo)定過程溫度腔和壓力腔的腔長隨溫度變化關(guān)系。可見二者均與溫度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，其中溫度腔的溫度靈敏度為3.864nm/℃，壓力腔的溫度靈敏度為7.139nm/℃。

Fig.10 Relationship between length of temperature cavity and pressure cavity with temperature

由于考慮到傳感器應(yīng)用于安全性要求苛刻的石化管道的監(jiān)測，在設(shè)計傳感器時壓力腔采用密閉結(jié)構(gòu)，這樣即使壓力膜片在外界振動等的作用下發(fā)生破裂，也不會產(chǎn)生油氣泄漏的安全事故。這樣，壓力腔即為密閉的空氣腔，而空氣的熱膨脹系數(shù)高于藍(lán)寶石，因此壓力腔的溫度靈敏度大于溫度腔。

通過壓力和溫度的標(biāo)定實驗可以看出，壓力腔受到壓力和溫度的同時影響；而溫度腔受溫度影響比較明顯，壓力對其的影響很小，幾乎可以忽略不計，因此可以認(rèn)為溫度腔只與溫度有關(guān)。這樣，溫度腔測得的溫度可以對壓力腔進(jìn)行補(bǔ)償，因而可以不受溫度影響地測出外界壓力。

3 結(jié) 論

本文中提出并制備了一種用于石化反應(yīng)器內(nèi)部壓力、溫度同時監(jiān)測的復(fù)合型光纖F-P傳感器。其壓力腔和溫度腔由石英和藍(lán)寶石玻璃構(gòu)成，壓力腔為密閉空氣腔，采用低熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)的石英玻璃作為壓力敏感膜片；溫度腔為感溫效果更好的藍(lán)寶石玻璃?；陔pF-P腔干涉原理，結(jié)合壓力、溫度傳感理論及仿真，得到最佳的傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)。該傳感器可用于0MPa～5MPa內(nèi)的壓力測量和-20℃～300℃的溫度測量。在壓力0MPa～5MPa、溫度20℃～180℃的條件下進(jìn)行實驗測試，結(jié)果表明：該傳感器壓力和溫度響應(yīng)均有良好的線性關(guān)系，其壓力腔同時受壓力和溫度影響，壓力靈敏度為0.798nm/kPa，與仿真結(jié)果相吻合，溫度靈敏度為7.139nm/℃；壓力對溫度腔的影響可忽略，可認(rèn)為其腔長僅與溫度有關(guān)，靈敏度為3.864nm/℃。由于傳感器采用與反應(yīng)器凹面法蘭接口相匹配的凸面法蘭結(jié)構(gòu)為主體，主要材質(zhì)為不銹鋼，保證了傳感器的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全可靠性，適用于石化反應(yīng)器內(nèi)部高溫高壓環(huán)境下壓力和溫度的同時監(jiān)測。