引用本文:

肖磊,邵宇鹰,庞拂飞,等:基于氧化锆陶瓷的光纤F-P腔压力传感器研究[J]. 光通信技术,2019,43(8):28-31.

基于氧化锆陶瓷的光纤F-P腔压力传感器研究

肖 磊1,邵宇鹰2,庞拂飞1*,刘奂奂1,彭 鹏2

(1.上海大学 特种光纤与光接入网重点实验室,上海 200444;2. 国网上海市电力公司,上海 200122)

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摘要:以高温环境压力传感器应用需求为背景,提出了一种基于氧化锆陶瓷的光纤法布里-珀罗(F-P)腔传感器,它以氧化锆套筒、LC陶瓷插芯和标准单模光纤为传感器组件,利用粘结胶对3个组件固定封装,制备膜片式空气隙F-P腔压力传感器。在压力装置中对封装后的传感器进行0.5~4.0 MPa的压力测试,追踪1543.67 nm反射光谱波谷处波长移动,分别绘制出升压和降压过程中的光谱响应曲线,通过线性拟合后,传感器灵敏度可达9.5 nm/MPa,具有较好的线性度。

关键词:光纤法布里-珀罗腔传感器;氧化锆陶瓷;压力测试

中图分类号:TN256 文献标志码:文章编号:1002-5561(2019)08-0028-04

DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2019.08.007

0 引言
       光纤法布里-珀罗(F-P)腔压力传感技术因具有灵敏度高、无源、易组网和抗电磁干扰等优点,受到了国内外学者的深入研究并得到了广泛应用。近年来,美国弗吉尼亚理工大学、英国赫瑞瓦特大学、德国光子技术研究所、成都电子科技大学、北京理工大学、西安交通大学和南京大学等[1-6]均开展了光纤F-P腔压力传感技术研究。基于膜片式的非本征型光纤F-P腔压力传感器通常由光纤和压力敏感膜片构成。此类型结构的压力传感器利用膜片直接感受外界气压变化,当敏感膜片受到外界压力作用产生形变,由此引起光纤F-P腔传感器的腔长改变,进而使传感器反射光谱发生移动,因此通过监测光谱的移动即可实现压力参量的传感。
   现有的光纤F-P腔传感器制备中,通常采用石英、单晶硅片及聚合物等材料制作敏感膜片[7-10]。对于石英通常采用磨抛等工艺来控制膜片厚度,传感器一致性控制较难;对于单晶硅片可以采用微电子加工工艺制备,对膜片厚度控制具有良好的一致性,但是其微加工工艺及传感器封装工艺较复杂;对于聚合物通常采用胶粘的方式进行F-P腔的制备,但是通常聚合物材料在耐高温性能方面不如石英和硅片,因此,应用场合具有一定的局限性。本文针对现有光纤F-P腔传感器膜片制备及材料的问题,提出基于氧化锆材料的压力敏感膜片[11]。

5 结束语
       本文使用氧化锆陶瓷套筒作为传感膜片,制备了膜片-空气隙-光纤F-P传感器,借助填充粘合剂的方式完成了传感器的封装,通过了0.5~4.0 MPa的压力测试,并追踪反射谱波形在1543.67 nm波谷处的漂移变化,绘制出了升压、降压条件下的波长-压力曲线图,实现了9.5 nm/MPa的压力灵敏度。这表明本文所提出的光纤传感器有望应用于航空航天、井下作业等压力场景。由于引入粘合剂的成分,在温度场下会使材料失去性能,故而限制了传感器在温度场景下的应用,因此在后续研究工作中,可尝试利用激光器定位精确、微加工可控的优势实现不同材料间的焊接,以进一步改善传感器的封装过程。