劉冬冬 王 偉 王昆鵬 劉 彬

(1.中國(guó)人民解放軍92493 部隊(duì),葫蘆島 125001;2.西安航天動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)研究所,西安 710100;3.沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)有限公司,沈陽(yáng) 110000;4.哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院,哈爾濱 150001)

1 引言

實(shí)時(shí)有效的壓力原位測(cè)量在諸多領(lǐng)域都有重要應(yīng)用前景,如在發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域,通過(guò)壓力信號(hào)可及時(shí)有效地判斷發(fā)動(dòng)機(jī)喘振、燃燒穩(wěn)定性、循環(huán)疲勞等問(wèn)題[1]。常規(guī)壓電、壓阻式敏感器件在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的高溫場(chǎng)景下,無(wú)法穩(wěn)定開(kāi)展測(cè)試工作,時(shí)常出現(xiàn)失效或者損壞現(xiàn)象。隨著光纖傳感技術(shù)的不斷發(fā)展,光纖傳感器件展現(xiàn)出體積小、耐高溫、抗電磁干擾等諸多優(yōu)勢(shì)[2],可以有效填補(bǔ)傳統(tǒng)敏感器件在惡劣環(huán)境下的缺點(diǎn)和不足。膜片式光纖法布里珀羅（F-P）干涉?zhèn)鞲衅骶褪瞧渲械牡湫痛?近些年獲得了廣泛的研究和關(guān)注[3,4]。

1997 年,Kim Myung Gyoo 采用MEMS 工藝研制了一種氮化硅和石英復(fù)合薄膜的光纖壓力傳感器,其傳感單元尺寸達(dá)到8×8 mm2時(shí),靈敏度可增加1.57 rad／kPa[5]。2005 年,Denis Donlagic 提出的基于SiO2薄膜的光纖EFPI 壓力傳感器可實(shí)現(xiàn)（0～1）MPa范圍的壓力測(cè)量,分辨率為300 Pa[6]。2019 年,北京理工大學(xué)的趙琴琴以硅與特種玻璃為基本單元,使用MEMS 工藝制作光纖壓力傳感器,可實(shí)現(xiàn)（0～1）MPa 范圍的壓力測(cè)量[7]。在膜片式光纖EFPI 壓力傳感器中,膜片在壓力作用下發(fā)生變形,從而引起F-P 腔長(zhǎng)發(fā)生變化,進(jìn)而引起F-P 干涉譜的變化,通過(guò)檢測(cè)干涉譜的變化即可實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的測(cè)量。但在實(shí)際應(yīng)用中,傳感器工作環(huán)境的溫度變化將引起材料尺寸和材料熱光系數(shù)發(fā)生變化,即同樣引起F-P 腔的干涉譜發(fā)生變化。因此,傳統(tǒng)EFPI 壓力傳感器存在溫度壓力交叉敏感問(wèn)題。一種解決方法是進(jìn)行壓力測(cè)量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量,從而實(shí)現(xiàn)溫度影響的消除[8]。因此,在某些需要雙參數(shù)測(cè)量領(lǐng)域,這一方法得到了較大的關(guān)注。

在本文中,研究了一種串聯(lián)式EFPI-FBG 結(jié)構(gòu)的壓力—溫度復(fù)合傳感器。通過(guò)在EFPI 結(jié)構(gòu)的引導(dǎo)光纖上引入FBG 結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力和溫度參數(shù)的測(cè)量。采用熔融石英材料構(gòu)建壓力傳感器的敏感單元,提高了傳感器的穩(wěn)定性,對(duì)傳感器的溫度和壓力響應(yīng)進(jìn)行了測(cè)量,并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的討論。研究結(jié)果表明,該類型傳感器在溫度壓力雙參數(shù)測(cè)量中具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 EFPI-FBG 復(fù)合傳感器工作原理

2.1 EFPI-FBG 復(fù)合傳感器光學(xué)原理

入射光Iin進(jìn)入光纖后,首先通過(guò)FBG 傳感結(jié)構(gòu),其反射光信號(hào)為I1,則

式中:fFBG——FBG 結(jié)構(gòu)的反射譜。通過(guò)FBG 的透射光I2可表示為

透射光I2從光纖端面出射后,入射到膜片內(nèi)表面反射,隨后再次耦合進(jìn)入光纖中,形成干涉光譜I3為

式中:fEFPI——EFPI 結(jié)構(gòu)的反射譜。

I3折返至FBG 傳感結(jié)構(gòu)后,產(chǎn)生透射光I4為

I4與I1疊加,形成最終的出射干涉光譜Iout表示為

式中:R1——FBG 的峰值反射率;λFBG——FBG 的中心波長(zhǎng);c——反射峰的寬度大小;R2——引導(dǎo)光纖進(jìn)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 腔長(zhǎng);λ——入射光的波長(zhǎng)。

2.2 EFPI-FBG 復(fù)合傳感器結(jié)構(gòu)

所采用的EFPI-FBG 復(fù)合傳感器由膜片層、支撐層1、支撐層2、支撐層3、石英管和光纖光柵構(gòu)成,如圖1 所示。

圖1 復(fù)合結(jié)構(gòu)光纖傳感器基本結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Basic structure diagram of composite structure optical fiber sensor

膜片層、支撐層1、支撐層2、支撐層3 的材料均為熔融石英玻璃。采用相同材料的好處是可以避免熱膨脹系數(shù)不同帶來(lái)的應(yīng)力不匹配,從而提高傳感器的性能穩(wěn)定性。作為壓力敏感結(jié)構(gòu)的膜片層厚度為100 μm,支撐層1 和支撐層2 厚度為300 μm,支撐層3 厚度為500 μm。支撐層1 中間的通孔尺寸（?1.5 mm）決定了壓力敏感膜片的有效直徑,從而決定了傳感器的壓力靈敏度。支撐層2 提供石英毛細(xì)管的阻擋作用,其中間通孔（?1.5 mm）用于通過(guò)光纖結(jié)構(gòu);支撐層3 提供石英毛細(xì)管的支撐,其中間通孔直徑為1 mm,與所采用的石英毛細(xì)管直徑相匹配。引導(dǎo)光纖經(jīng)由石英管固定,光纖端面和膜片的內(nèi)表面之間組成F-P 腔結(jié)構(gòu),在靠近光纖端面處刻寫(xiě)FBG 結(jié)構(gòu)。在支撐層2 和支撐層3 同時(shí)加工了兩個(gè)對(duì)稱的圓形聯(lián)通孔（?0.15 mm）結(jié)構(gòu),聯(lián)通孔中心距支撐層中心0.675 mm,用于連通F-P 腔和外部大氣。

2.3 EFPI-FBG 復(fù)合傳感器壓力敏感機(jī)理

采用邊緣固定的圓形平板作為壓力敏感膜片。假設(shè)敏感膜片半徑為R,厚度為d,其楊氏模量為E,則在均勻壓力P作用下,膜片中心受迫形變量σ0可以表示為

式中:v——膜片材料的楊氏模量。所采用的熔融石英材料尺寸為d=100 μm,R=0.75 mm,計(jì)算可得其膜片中心位置的壓力靈敏度約為0.8 μm／MPa。

2.4 EFPI-FBG 復(fù)合傳感器溫度敏感機(jī)理

外界溫度發(fā)生變化時(shí),熱光效應(yīng)及熱膨脹效應(yīng)會(huì)改變FBG 傳感結(jié)構(gòu)的光柵周期和有效折射率,促使中心波長(zhǎng)產(chǎn)生漂移現(xiàn)象。其偏移量滿足

式中:λFBG——中心波長(zhǎng);ΔλFBG——中心波長(zhǎng)變化量;Λ——光柵周期;ΔΛ——光柵周期變化量;ne——有效折射率;Δne——有效折射率變化量;α——熱膨脹系數(shù);β——熱光系數(shù);ΔTFBG——外界溫度變化量。因此,光纖光柵的溫度靈敏度系數(shù)可表示為KT=α+β。常溫下,普通石英材質(zhì)的摻鍺光纖熱膨脹系數(shù)α=0.5×10-6／℃、熱光系數(shù)β=8.3×10-6／℃,則KT=8.8×10-6／℃,在本文中,λFBG=1 550 nm,對(duì)應(yīng)溫度靈敏度理論值為13.6 pm／℃。

利用公式（5）進(jìn)行仿真,得到傳感器干涉譜信號(hào)如圖2 所示,假設(shè)波長(zhǎng)的有效區(qū)間范圍為（1 520～1 565）nm,對(duì)FBG 而言,R1=90%,λFBG=1 550 nm,3 dB 帶寬為0.3 nm;對(duì)于F-P 結(jié)構(gòu)而言,R2=R3=4%,L=300 mm?？梢园l(fā)現(xiàn),其反射譜明顯由兩部分組成,分別是用于壓力測(cè)量的雙光束干涉區(qū)域和用于溫度測(cè)量的FBG 區(qū)域。

圖2 EFPI-FBG 復(fù)合傳感器干涉譜仿真信號(hào)Fig.2 EFPI-FBG composite sensor interference spectrum simulation signal

在實(shí)際情形中,EFPI-FBG 復(fù)合傳感器的腔長(zhǎng)變化ΔL和中心波長(zhǎng)的變化ΔλFBG同時(shí)受到外界壓力變化ΔP及溫度ΔT變化的影響,因此,它們之間滿足

式中:A11——F-P 腔的壓力靈敏度;A12——F-P 腔的溫度交叉靈敏度;A21——FBG 的壓力交叉靈敏度;A22——FBG 的溫度靈敏度。對(duì)于特定的傳感器,上述四個(gè)參數(shù)可以通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行校準(zhǔn)。在測(cè)量得到F-P 腔的腔長(zhǎng)變化和FBG 的中心波長(zhǎng)變化后,可以計(jì)算得到外界的壓力和溫度變化。

3 EFPI-FBG 復(fù)合傳感器加工

EFPI-FBG 傳感單元制作流程如圖3 所示,步驟為:（1）定制三塊不同規(guī)格的石英基片a1、b1、c1,并將表面進(jìn)行清潔處理;（2）采用機(jī)械刻蝕工藝分別在基片上加工對(duì)應(yīng)的通孔結(jié)構(gòu),得到a2、b2、c2;（3）采用飛秒激光將三層結(jié)構(gòu)焊接成支撐結(jié)構(gòu)e;（4）制作特殊規(guī)格的石英敏感膜片d,將其與支撐結(jié)構(gòu)e 焊接牢固,組成與外部聯(lián)通的結(jié)構(gòu)f;（5）在石英膜片內(nèi)表面,采用電子束蒸鍍的方法制作金屬銀增反層,得到g 結(jié)構(gòu);（6）從背板插入石英插芯并固定后（h）,插入預(yù)先刻寫(xiě)完成的FBG 單模光纖進(jìn)行高溫固化,完成傳感單元i 的制備。圖4（a）為飛秒激光鍵合工藝制備完成的傳感器敏感單元。圖4（a）中的插圖是利用掃面電鏡測(cè)量得到的鍵合區(qū)域,可以發(fā)現(xiàn)石英層之間焊接的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了良好的鍵合;而未焊接的部分有空隙存在,這正是石英片上彩虹狀條紋產(chǎn)生的原因。圖4（b）為完成的傳感單元實(shí)物。

圖3 EFPI-FBG 傳感單元制作流程示意圖Fig.3 Schematic diagram of EFPI-FBG sensing unit manufacturing process

圖4 制備完成的傳感單元實(shí)物圖Fig.4 Prepared physical drawing of sensing unit

4 光纖EFPI-FBG 復(fù)合傳感器性能測(cè)試

光纖傳感器測(cè)試系統(tǒng)如圖5 所示。解調(diào)系統(tǒng)由寬帶激光器（LSB-ASE-C,OPEAK,波長(zhǎng)為1 530～1 560 nm）、環(huán)形器、待測(cè)光纖傳感器、光譜分析儀（AQ6370C,YOKOGAWA）和測(cè)試計(jì)算機(jī)組成。激光器寬帶信號(hào)經(jīng)環(huán)形器進(jìn)入光纖傳感器,其反射光經(jīng)環(huán)形器后入射到光譜分析儀,計(jì)算機(jī)對(duì)采集的干涉譜數(shù)據(jù)進(jìn)行解算。右側(cè)虛線框內(nèi)為測(cè)試用設(shè)備,電熱板（溫度控制最大允許誤差為±1℃）用于對(duì)光纖傳感器的溫度響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試,壓力罐、精密調(diào)壓閥（IR2020-02BG,最大允許誤差為±0.2% FS）及氮?dú)夤抻糜趯?duì)光纖傳感器進(jìn)行壓力測(cè)試。精密調(diào)壓閥的壓力調(diào)整范圍為（0～0.8）MPa。電熱板的加熱區(qū)間是50℃～300℃。需要說(shuō)明的是,由于條件限制,所采樣的溫度和壓力控制單元的控制誤差會(huì)不可避免地影響傳感器性能,導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)偏差。在測(cè)試過(guò)程中,需要通過(guò)延長(zhǎng)溫度和壓力穩(wěn)定時(shí)間以及多次測(cè)量的方式盡可能降低其影響。在傳感器的后續(xù)研究中,還應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備對(duì)傳感器性能進(jìn)行標(biāo)定。

圖5 光纖傳感器測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig.5 Composition diagram of optical fiber sensor test system

4.1 干涉譜信號(hào)及初始腔長(zhǎng)

利用圖5 所述裝置進(jìn)行測(cè)量,得到常溫、常壓狀態(tài)下的干涉譜,如圖6 所示。與仿真結(jié)果不同的地方在于FBG 的反射譜附近出現(xiàn)了較多的毛刺現(xiàn)象,其可能的原因是FBG 的有效區(qū)域同光纖端面相隔較近,FBG 區(qū)域同光纖端面的反射光之間發(fā)生了寄生干涉現(xiàn)象。當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù)較少時(shí),該現(xiàn)象消失。

圖6 光纖傳感器干涉光譜測(cè)量結(jié)果Fig.6 Measurement results of interference spectrum of optical fiber sensor

分析可知,圖2 和圖6 中雙光束干涉條紋的相鄰兩個(gè)波峰或波谷之間的相位差為2π,因此可以計(jì)算F-P 腔的腔長(zhǎng)Lcav為

式中:λ1和λ2——分別為干涉條紋相鄰兩個(gè)波谷（或波峰）處的波長(zhǎng)值。取λ1=1 530.956 nm,λ2=1 535.772 nm,計(jì)算可得傳感器的初始腔長(zhǎng)為244.102 μm。

對(duì)于干涉譜中特定某個(gè)波峰或者波谷信號(hào)而言,根據(jù)公式（6）可知,其波長(zhǎng)值將隨著F-P 腔長(zhǎng)的變化而變化。F-P 腔長(zhǎng)的相對(duì)變化量ΔLcav與波峰或者波谷處波長(zhǎng)的相對(duì)變化量Δλ滿足

因此,根據(jù)測(cè)量得到干涉譜中特定波峰或者波谷位置的波長(zhǎng)相對(duì)變化量,可以計(jì)算得到腔長(zhǎng)的相對(duì)變化量,該方法稱為單峰測(cè)量法。

利用光譜儀的峰值提取功能,可以直接讀取得到FBG 的中心波長(zhǎng)為1 549.932 nm。將此結(jié)果作為傳感器在常溫常壓下的初始狀態(tài)。

4.2 EFPI-FBG 傳感器壓力響應(yīng)測(cè)試結(jié)果

首先,對(duì)加工得到傳感器的壓力穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試。將壓力保持在0.6 MPa 處,每隔1 min 采集一次光譜數(shù)據(jù),測(cè)試結(jié)果如圖7 所示。在測(cè)試過(guò)程中,光譜采集區(qū)間設(shè)置為1 525～1 575 nm,采集點(diǎn)數(shù)為12 501。可見(jiàn),傳感器光譜重復(fù)性良好。將1 538 nm處的光譜信號(hào)放大,可以發(fā)現(xiàn)其波長(zhǎng)只偏移了約30 pm。由于光譜的偏移有可能來(lái)自于所施加的壓力自身的不穩(wěn)定,因此,可以認(rèn)為加工得到的壓力傳感器具有良好的穩(wěn)定性。

圖7 0.6 MPa 作用下的傳感器穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果Fig.7 Sensor stability test results under action of 0.6 MPa

對(duì)傳感器的壓力響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試。將傳感器安裝在壓力罐中,從常壓（0 MPa）開(kāi)始,以0.1 MPa 為步長(zhǎng),逐漸加壓至0.8 MPa,然后再以相同步長(zhǎng)降壓至0 MPa。重復(fù)3 次,在每個(gè)壓力點(diǎn)處都記錄一次光譜數(shù)據(jù),測(cè)試結(jié)果如圖8 所示?？梢园l(fā)現(xiàn),在升壓過(guò)程中的干涉譜信號(hào)發(fā)生漂移現(xiàn)象。為了更好的觀察F-P 腔光譜的偏移,將1 535～1 540 nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)的干涉譜信號(hào)進(jìn)行放大,如圖8 中虛線框中子圖（縱坐標(biāo)已轉(zhuǎn)換為對(duì)數(shù)形式）所示,可以明顯看出光譜紅移的效果。利用單峰測(cè)量法,通過(guò)監(jiān)測(cè)波谷處波長(zhǎng)的變化,即可得到腔長(zhǎng)的變化值。

圖8 升壓作用下傳感器響應(yīng)測(cè)試結(jié)果Fig.8 Sensor response test results under boost

升降壓過(guò)程中0.6 MPa 處的光譜信號(hào)及其局部放大圖如圖9 所示。可以發(fā)現(xiàn),光譜信號(hào)具有較高的重復(fù)性。將1 538 nm 波谷處的光譜放大后可以發(fā)現(xiàn)此時(shí)波長(zhǎng)差值不超過(guò)0.166 nm。利用單峰追蹤法,可以得到在此壓力處的腔長(zhǎng)變化值不超過(guò)26.2 nm。

圖9 三次升降壓作用過(guò)程中傳感器重復(fù)性測(cè)試結(jié)果Fig.9 Repeatability test results of sensor during three pressure rise and fall

三次循環(huán)測(cè)試后EFPI 腔長(zhǎng)隨壓力變化的趨勢(shì)如圖10 所示,圖中同時(shí)標(biāo)出了測(cè)試結(jié)果的均值及其線性擬合結(jié)果?？梢缘玫綔y(cè)量腔長(zhǎng)動(dòng)態(tài)范圍輸出為0.569 μm。參考《GB／T 15478-2015 壓力傳感器性能試驗(yàn)方法》中規(guī)定的重復(fù)性定義,對(duì)傳感器的壓力響應(yīng)重復(fù)性進(jìn)行計(jì)算。三次壓力升降過(guò)程中,最大標(biāo)準(zhǔn)差為0.009 8 μm,取重復(fù)性系數(shù)為2,則壓力測(cè)試的重復(fù)性為3.44%。計(jì)算可得壓力傳感部分最大的非線性誤差為0.021 μm,線性度為3.56%;其遲滯誤差出現(xiàn)在0.5 MPa 處,計(jì)算可得此時(shí)對(duì)應(yīng)的遲滯誤差為1.27%。傳感器最大允許誤差由重復(fù)性誤差、非線性誤差和遲滯誤差共同決定,計(jì)算可得所實(shí)現(xiàn)的傳感器最大允許誤差為4.12% Fs。相比現(xiàn)有的傳感器,所實(shí)現(xiàn)的傳感器最大允許誤差尚不理想。根據(jù)計(jì)算過(guò)程可知,傳感器的重復(fù)性和非線性誤差均較大,其可能的原因包括所用測(cè)試設(shè)備自身的重復(fù)性和準(zhǔn)確性,同時(shí)也來(lái)自于所采用的傳感器腔長(zhǎng)解調(diào)算法。根據(jù)斜率可得傳感器的壓力靈敏度A11為-0.729 μm／MPa。實(shí)際測(cè)量得到的傳感器壓力靈敏度小于理論值,可能的原因在于膜片的厚度、中間孔的直徑等存在加工誤差。

圖10 EFPI-FBG 復(fù)合壓力響應(yīng)測(cè)試結(jié)果Fig.10 EFPI-FBG composite pressure response measurement results

雖然FBG 的封裝結(jié)構(gòu)使其免于受到應(yīng)力的影響,但根據(jù)公式（5）可知,FBG 的中心波長(zhǎng)同時(shí)也受到F-P 腔長(zhǎng)的調(diào)制。因此,FBG 中心波長(zhǎng)對(duì)壓力變化的敏感情況進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果如圖11（a）所示。測(cè)試結(jié)果表明,壓力的不斷升高使測(cè)試樣品FBG 中心波長(zhǎng)呈現(xiàn)漸大趨勢(shì)。壓力和溫度之間的擬合結(jié)果如圖11（b）所示,其擬合曲線斜率即FBG 中心波長(zhǎng)的壓力靈敏度為0.071 nm／MPa,表明FBG 的中心波長(zhǎng)受到了F-P 腔長(zhǎng)的調(diào)制。

圖11 FBG 中心波長(zhǎng)隨壓力變化測(cè)試結(jié)果Fig.11 Test results of FBG central wavelength varying with pressure

4.3 EFPI-FBG 復(fù)合傳感器溫度響應(yīng)測(cè)試結(jié)果

將傳感器置于加熱板上,改變其工作溫度。測(cè)試溫度范圍為50℃～200℃,每次數(shù)據(jù)記錄間隔25℃（穩(wěn)定30 min）。保持大氣壓狀態(tài),進(jìn)行不間斷升降溫測(cè)試,將一次升降溫作為一組測(cè)試行程,共進(jìn)行三組,測(cè)試結(jié)果如圖12 所示,其FBG 的中心波長(zhǎng)隨溫度變化趨勢(shì)如圖中虛線框內(nèi)所示?？梢钥闯?溫度的升高可使中心波長(zhǎng)不斷增加。

圖12 FBG 反射譜中心波長(zhǎng)隨溫度變化測(cè)量值Fig.12 Measured value of central wavelength of FBG reflection spectrum varying with temperature

畫(huà)出三次測(cè)試結(jié)果的平均值及對(duì)應(yīng)的線性擬合結(jié)果,如圖13 所示。FBG 在三次升降溫環(huán)節(jié)中的滿量程最大輸出為1.558 nm。同樣參考?jí)毫鞲衅鞯闹貜?fù)性概念對(duì)FBG 測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性進(jìn)行表征。三次正反行程測(cè)量中,正向（0.021 nm）和反向（0.048 nm）最大重復(fù)性誤差均出現(xiàn)在175℃處,計(jì)算可得該點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差為0.02 nm。取重復(fù)性系數(shù)為2,則溫度測(cè)試重復(fù)性為2.57%。通過(guò)擬合計(jì)算,溫度傳感部分的最大非線性誤差為0.027 nm,則可得線性度為1.73%。擬合結(jié)果的皮爾遜系數(shù)為0.999,表明FBG 的中心波長(zhǎng)同溫度之間存在良好的線性關(guān)系,擬合曲線的斜率表明FBG 傳感器的溫度靈敏度為0.009 nm／℃。

圖13 光纖傳感器溫度傳感重復(fù)測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果Fig.13 Repeated test data results of optical fiber sensor temperature sensing

由于材料熱膨脹等原因,溫度變化會(huì)影響F-P腔腔長(zhǎng),從而影響壓力測(cè)量。因此,將F-P 腔腔長(zhǎng)對(duì)溫度變化敏感情況進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果如圖14 所示?？梢?jiàn),溫度的升高會(huì)使F-P 腔腔長(zhǎng)逐漸變大。而當(dāng)溫度升高之后腔長(zhǎng)的離散性增加,其可能的原因是傳感器封裝中所采用的高溫膠性質(zhì)不穩(wěn)定。在后續(xù)的研究中,將采用具有更高性質(zhì)的無(wú)機(jī)膠結(jié)構(gòu)或進(jìn)行激光焊接。測(cè)試結(jié)果中,擬合曲線的皮爾遜系數(shù)為0.986,體現(xiàn)出高度線性相關(guān)性,此項(xiàng)交叉敏感影響不可忽略。擬合曲線斜率表明,F-P 腔腔長(zhǎng)受溫度變化影響約為22 nm／℃。

圖14 F-P 腔腔長(zhǎng)與溫度變化的關(guān)系曲線Fig.14 Relationship curve between cavity length and temperature of F-P cavity

根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果,可以得到得EFPI-FBG 復(fù)合傳感器的靈敏度矩陣關(guān)系式為

通過(guò)該矩陣關(guān)系式,可以由FBG 中心波長(zhǎng)與F-P腔腔長(zhǎng)變化直接計(jì)算得到壓力和溫度變化量,較好地解決了工程實(shí)際應(yīng)用的快速測(cè)量問(wèn)題。然而,從實(shí)際應(yīng)用角度來(lái)說(shuō),矩陣中的相關(guān)系數(shù)A12和A21應(yīng)盡可能趨近于0,從而降低交叉敏感影響,這也為后續(xù)深化研究提供了方向。

5 結(jié)束語(yǔ)

研究了一種基于EFPI-FBG 串聯(lián)結(jié)構(gòu)的光纖復(fù)合傳感器。利用EFPI 結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)于壓力信號(hào)的測(cè)量,利用FBG 結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)于溫度信號(hào)的測(cè)量。傳感器整體結(jié)構(gòu)為熔融石英構(gòu)成,并采用飛秒激光焊接的方式進(jìn)行傳感器的封裝。通過(guò)分析傳感器的工作原理,搭建解調(diào)裝置,對(duì)制作的EFPI-FBG 傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試與分析。傳感器膜片結(jié)構(gòu)的壓力靈敏度約為-0.729 μm／MPa,其F-P 腔的溫度交叉靈敏度為0.022 μm／℃。FBG 結(jié)構(gòu)的溫度靈敏度為0.009 nm／℃,其壓力交叉靈敏度為0.071 nm／MPa。所研究的EFPI-FBG 復(fù)合傳感器有望應(yīng)用于需要壓力—溫度雙參數(shù)測(cè)量的領(lǐng)域。