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)