張慧君

（航空工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所，北京 100095）

0 引言

基于法布里-珀羅（Fabry-Perot，F(xiàn)-P）干涉原理的光纖壓力傳感器是目前應(yīng)用較為廣泛的一類光纖傳感器［1-3］，其抗電磁干擾能力強、動態(tài)響應(yīng)高、耐溫性能好，能夠滿足多種場合的動態(tài)壓力測試需求，國內(nèi)外機構(gòu)已開展相關(guān)研究。如，國內(nèi)工程兵科研三所研制的F-P 光纖爆炸壓力傳感器，性能好，響應(yīng)快，成功應(yīng)用于爆炸沖擊波壓力測量［4-5］；美國弗吉尼亞理工大學［6］、Luna Innovations公司［7］和英國的Oxsensis 公司［8-9］分別研制了F-P 高溫光纖壓力傳感器，最高工作溫度可達1000℃，并在發(fā)動機動態(tài)壓力測量中取得了良好的效果。

對于一般的F-P 腔光纖壓力傳感器而言，F(xiàn)-P干涉腔可由兩個或多個反射面構(gòu)成。但當存在多個反射面時，傳感器的輸出為復(fù)合F-P 腔干涉光譜［10-12］，信號解調(diào)的速度及精度均會受到影響，在一定程度上限制了其在動態(tài)測試領(lǐng)域的應(yīng)用。

本文研究了一種膜片式光纖動態(tài)壓力傳感器，通過機械研磨的方式消除了膜片外表面產(chǎn)生的反射光影響，操作簡單、方便、有效，解決了由多個反射面帶來的光譜復(fù)雜問題。研磨后的傳感器靈敏度一致性可控、性能良好，滿足動態(tài)壓力的測量需求。

1 F-P腔干涉原理

如圖1 所示，光纖壓力傳感器主要包括膜片、基底和光纖三部分，膜片和基底由MEMS技術(shù)批量制作而成，膜片材料為硅，基底材料為玻璃。光纖由基底底部的通孔穿入，光纖端面與膜片表面構(gòu)成F-P干涉腔。當外界壓力作用在膜片時，膜片產(chǎn)生形變，F(xiàn)-P腔的腔長隨之發(fā)生變化，進而引起干涉信號變化。通過探測干涉信號的變化，可得到外界壓力的大小。

圖1 膜片式光纖壓力傳感器示意圖Fig.1 Schematic diagram of diaphragm-type optical fiber dynamic pressure sensor

通常MEMS加工技術(shù)得到的膜片內(nèi)外表面均為鏡面。因此，入射光會在光纖端面S1、膜片內(nèi)表面S2、膜片外表面S3三個界面上分別發(fā)生反射，反射光之間彼此發(fā)生干涉，最后返回到光纖的是復(fù)合FP腔的干涉信號。復(fù)合F-P腔的反射率R表示為［13］

其中，

式中：r1，r2，r3分別為S1，S2，S3界面的反射系數(shù)；t1，t2，t3分別為S1，S2，S3界面的透射系數(shù)；φ1，φ2分別為光經(jīng)過空氣腔、硅腔的相位差；d1，d2分別為空氣腔、硅腔的腔長，μm；n1，n2分別為空氣、硅的折射率；λ為入射光的波長，nm。

當膜片外表面S3為磨砂面時，入射光不會在S3面發(fā)生反射，由光纖端面S1與膜片內(nèi)表面S2形成單一的F-P腔。根據(jù)F-P干涉儀的基本理論，其反射率R表示為

由式（6）可知，F(xiàn)-P 腔的反射率與各反射面的反射系數(shù)、透射系數(shù)、F-P腔腔長及光源波長均有關(guān)。假設(shè)d1=100 μm，d2=30 μm，根據(jù)式（1）和式（6），可以分別得到復(fù)合F-P腔和單一F-P腔的理論光譜，如圖2所示。

圖2 復(fù)合F-P腔和單一F-P腔的理論光譜Fig.2 Theoretical spectra of composite F-P cavity and single F-P cavity

由圖2可以看出，與單一F-P腔相比，復(fù)合FP 腔的輸出光譜更為復(fù)雜，由此可知，復(fù)合F-P 腔傳感器的動態(tài)解調(diào)難度更大。因此，在傳感器的制作過程中，將對膜片的外表面進行粗化處理，以消除膜片外表面反射光的影響。

2 傳感器參數(shù)設(shè)計

根據(jù)彈性力學原理，傳感器的壓力靈敏度Y為

式中：Δd為膜片的形變量，nm；ΔP為壓力的變化量，kPa；h為膜片的厚度，nm；E為硅材料的楊氏模量，1.3×108kPa；r為膜片的有效半徑，nm；μ為硅材料的泊松比，0.28。

通常膜片的最大形變量不能超過膜片厚度的30%［14］，即Δdmax＜0.3 h。因此，由式（7）可得最大壓力變化量ΔPmax，從而確定傳感器的量程。圖3為不同有效半徑下膜片厚度與最大壓力變化量之間的關(guān)系?？梢钥闯?，同一有效半徑下，膜片的最大耐受壓力隨著膜片厚度的增加而不斷增大。

圖3 膜片厚度與最大壓力變化量的關(guān)系Fig.3 Relationship between diaphragm thickness and maximum pressure variation

此外，傳感器的動態(tài)特性由膜片的固有頻率決定，膜片的固有頻率fmn為

式中：αmn為膜片振動模式的一個常數(shù)；w為膜片材料的質(zhì)量密度，kg/m3。

根據(jù)式（8）得到不同有效半徑下膜片的一階固有頻率與膜厚的關(guān)系，如圖4 所示。由圖4 可以看出，同一有效半徑下，膜片越厚，膜片的一階固有頻率越高。實際應(yīng)用時，應(yīng)結(jié)合壓力測量范圍及動態(tài)性能要求進行傳感器參數(shù)的設(shè)計，傳感器的最大使用頻率一般不超過其一階固有頻率的1/5。

圖4 膜片的一階固有頻率與膜厚的關(guān)系（m=n=0）Fig.4 Relationship between first-order natural frequency and thickness of the diaphragm（m=n=0）

3 傳感器制作

3.1 傳感器焊接

采用CO2激光加工的方式完成傳感器的焊接。激光焊接系統(tǒng)主要包括CO2激光器、微位移平臺、CCD 顯微攝像機、光纖解調(diào)儀等部分組成，如圖5所示。首先，夾持并固定傳感器各組件，利用微位移平臺調(diào)節(jié)其相對位置；然后，將處理好的光纖穿入基底的中心孔中，根據(jù)光纖解調(diào)儀顯示的實時監(jiān)測信號，調(diào)整傳感器腔長值；最后，設(shè)置激光器參數(shù)，發(fā)射一定功率的激光，完成傳感器的焊接。

圖5 激光焊接系統(tǒng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of laser welding system

3.2 膜片表面粗化

為得到單一的F-P腔，采用研磨方式對膜片外表面進行粗化加工。首先，將傳感器裝夾在光纖研磨機的專用夾具上，傳輸光纖與光纖解調(diào)儀相連；然后，設(shè)置研磨參數(shù)，對膜片進行研磨，直至傳感器輸出光譜滿足要求；最后，對膜片外表面進行清洗，完成研磨。光纖研磨機常用的研磨紙粗糙度分別為30，9，1 μm三種，研磨紙的粗糙度直接影響膜片的粗化效果。由于膜片本身厚度較小，使用30 μm的研磨紙時，膜片易破損；而使用1 μm的研磨紙時，研磨效率較低；因此，選取9 μm 的研磨紙對膜片外表面進行研磨，并在研磨過程中對傳感器光譜進行實時監(jiān)測，從而更好地控制研磨質(zhì)量。

若研磨不充分，膜片外表面依然存有部分反射率，峰值強度大小不一，傳感器光譜如圖6（a）所示；當研磨充分時，傳感器光譜如圖6（b）所示，干涉條紋近似于標準余弦形式輸出曲線，各個峰值強度比較一致，此時膜片外表面反射的影響已基本消除。

圖6 膜片表面處理后的傳感器光譜圖Fig.6 Sensor spectrum after surface treatment of diaphragm

為了提高研磨工藝的一致性，對研磨轉(zhuǎn)速和研磨時間等關(guān)鍵參數(shù)進行研究，得到了最佳研磨參數(shù)：研磨轉(zhuǎn)速約為50 r/min，研磨時間不超過20 s。在最佳研磨工藝下，膜片研磨質(zhì)量得到了有效保證。對研磨前后的膜片外表面進行顯微觀測，如圖7 所示。研磨前，膜片的外表面為光滑鏡面，粗糙度約為40 nm。研磨后，膜片外表面粗糙度增大，由鏡面變?yōu)槟ド懊?，但均勻性仍較好，無破損現(xiàn)象。

圖7 膜片外表面顯微圖Fig.7 Micrograph of outer surface of diaphragm

3.3 傳感器封裝

光纖壓力傳感器的主要組件為玻璃基材料，為提高傳感器的環(huán)境適應(yīng)性，可根據(jù)不同的測試需求，對傳感器進行金屬化封裝。圓柱式封裝結(jié)構(gòu)如圖8所示。傳感器的壓力敏感結(jié)構(gòu)位于封裝結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，膜片位于最前端，感知外界壓力。傳感器后端利用軟管對光纖進行保護，并用少量膠粘劑進行固定，減小光纖彎折對傳感器信號質(zhì)量的影響。

圖8 傳感器金屬化封裝Fig.8 Metallization package of the sensor

4 傳感器標定

4.1 靜態(tài)壓力標定

對傳感器進行實驗室環(huán)境下的靜態(tài)壓力標定［15］。將傳感器放置于密封的壓力容器中，壓力容器通過管路與標準壓力發(fā)生器相連，傳感器的傳輸光纖從壓力容器出口引出并連接至光纖解調(diào)儀。調(diào)節(jié)標準壓力發(fā)生器，從常壓開始，以40 kPa為一級，升壓至200 kPa（表壓），依次記錄各壓力點下的正行程輸出值；之后，再以40 kPa 為一級，降低壓力至常壓，倒序記錄各壓力點下的反行程輸出值。正行程和反行程標定往返一次為1 個循環(huán)，重復(fù)3 個循環(huán)。圖9 是傳感器正反行程的腔長-壓力變化曲線，可以看出，傳感器的正反行程曲線基本重合，數(shù)據(jù)重復(fù)性好。對該曲線進行線性擬合，R2≈0.9999。

圖9 傳感器腔長-壓力變化曲線Fig.9 Cavity length-pressure curve of the sensor

此外，對使用最佳研磨參數(shù)加工的一批傳感器進行壓力標定，以評價研磨工藝的一致性，結(jié)果如表1 所示。傳感器的壓力靈敏度均為2.91 nm/kPa左右，且腔長-壓力變化曲線的線性較好，測量誤差小于等于0.5%FS。由此表明，研磨工藝一致性可控，可批量進行膜片粗化處理。

表1 傳感器測試結(jié)果Tab.1 Test results of sensors

4.2 動態(tài)壓力標定

利用正弦壓力校準裝置對傳感器進行動態(tài)壓力標定［16］。正弦壓力校準裝置產(chǎn)生按正弦規(guī)律變化的壓力，標準壓力傳感器和被測壓力傳感器對稱安裝在正弦壓力發(fā)生器主機壓力室的兩側(cè)，兩者同時測量正弦變化的壓力，通過比較標準壓力傳感器與被測壓力傳感器的輸出，可得到被測壓力傳感器的頻率響應(yīng)特性。

膜片式動態(tài)壓力傳感器所設(shè)計的固有頻率約為300 kHz，通常對60 kHz 以下的壓力信號有較好的響應(yīng)，但受到光纖解調(diào)儀采樣頻率20 kHz 的限制，故在20～2500 Hz 頻率范圍內(nèi)進行傳感器的動態(tài)標定試驗。選擇20，500，1000，1500，2000，2500 Hz 作為標定頻率點，記錄各頻率點下傳感器的輸出值。結(jié)果表明：在20～2500 Hz 內(nèi)，傳感器的幅值靈敏度相對誤差優(yōu)于±10%，能夠滿足動態(tài)壓力的測量需求。表2為傳感器在不同頻率下的幅值靈敏度相對誤差。

表2 傳感器的幅值靈敏度相對誤差Tab.2 Amplitude sensitivity relative errors of sensor

5 結(jié)論

研制了一種膜片式光纖動態(tài)壓力傳感器，通過機械研磨膜片外表面的方法得到了單一的F-P干涉腔，滿足了動態(tài)壓力測量對傳感器光譜信號的要求。該方法操作簡單，一致性好，可以用于批量傳感器的粗化處理。對傳感器進行了0～200 kPa（表壓）的靜態(tài)壓力標定和20～2500 Hz 的動態(tài)壓力標定，試驗結(jié)果表明，傳感器性能良好，其靜態(tài)測量誤差小于等于0.5%FS，幅值靈敏度相對誤差優(yōu)于±10%，能夠進行動態(tài)壓力的測量。在后續(xù)工作中，可開展動態(tài)壓力測試的實際應(yīng)用研究，從而進一步驗證傳感器性能。