4.1传感器的性能 4.1.3实验测量装置 气压实验的测量系统与第三章相同，实验装置包括一个光纤耦合器，一个宽带光源，一个光谱仪（si155），一个密封的气压罐，一个手动压力泵（ConST-162），一个电子压力计（ConST-211）。其中手动压力泵加压的范围是0-0.6MPa，电子压力计的测量精度是0.001MPa，宽带光源的带宽范围是1525-1605nm，光谱仪的精度为0.05nm。 表4-1四个传感器的参数 图4.1传感器的干涉光谱：（a）传感器1；（b）传感器2：（c）传感器3；（4）传感器4 将传感器放入到气压罐中，然后通过光纤耦合器分别与宽带光源和光谱仪相连。光信号从光源发出传输到EFPI传感器，然后反射回来通过光纤耦合器传至光谱仪，光谱仪显示当前传感器的干涉光谱。表4-1是四个传感器传感腔和参考腔的自由光谱范围，图4.1是四个不同包络周期的传感器的干涉光谱。 4.1.1传感器的静态压力响应 图4-2为光纤法珀传感器结构示意图，其主要由膜片、毛细管和单模光纤(Single Mode Fiber, SMF)组成，当光在SMF传输时，一部分光从SMF端面反射，另一部分光入射到法珀腔，经膜片反射后再入射进入SMF。因此，SMF中总的反射光强度I可以写成： (1) 其中，R1和R2分别为SMF端面和膜片端面的反射率，n0为法珀腔内空气的折射率，L为法珀腔的长度，I0(λ)为入射波长为λ时的入射光强。 图4.2 光纤法珀传感头示意图 由式(1)可知，反射光强是关于法珀腔长的一个余弦函数。当超声波作用到光纤法珀传感器时，膜片受到压力作用产生形变，相应地，其反射光谱也发生偏移。当膜片的弹性形变小于其厚度d的30 %时，其形变与压力成正比。对于膜片的中心点，其压缩形变的最大值可以表示为： (2) 其中，r和d分别为膜片的有效半径和厚度，u和E分别为膜片材料的泊松比和杨氏模量，P为作用在膜片上的压强大小。 光纤法珀声传感器传感机理示意图如图2所示，原始超声波信号作用在膜片上时引起膜片振动，继而造成法珀腔长在干涉光谱图的线性区间AB内来回振荡变化，相应地，干涉光强随腔长振荡变化，从而得到了原始声波信号与光强变化信号的转换。法珀原始腔长处在正交工作点Q时，其光强变化率最大，即传感器灵敏度最高。 图4.3 光纤法珀腔声传感器传感机理图 4.1.2传感器的密封性能 封装后的传感器在低温环境下信号输出正常，但随着温度的升高，反射光光谱信号发生变化，光谱信号越来越弱，如图 4.3 所示，可以看出传感器基底腔与真空腔的干涉信号对比度很差，这种现象解调系统无法正常运算。在常温下取出传感器，发现探头发黑，如图 4.4 所示，用无尘纸沾湿酒精擦拭探头表面，发现传感器已被污染，压敏芯片表面沉积一层碳化物，传感器的输出信号功率也大幅度降低，由测试前的 48µW 降到 30µW。 图4.4 高温对传感器光谱影响 压敏膜片被污染后仍有信号光谱出现，碳化物表面发生了光的反射。该碳化物可能为传感器在高温测试中内部杂质气化后产生的，对入射光吸收力很强，因此在进入压敏膜片中的光束一部分被碳化物吸收，一部分穿过碳化物在真空法珀腔上下表面发生反射，导致传感器反射信号光强大大降低，信号变弱，影响传感器正常解调。 为验证高温准直器是否被污染发生损坏，将高温实验后的传感器进行拆除，取出准直器固定于五维调节架，与未被污染的蓝宝石膜片进行对光。如图 4.5 所示为光谱信号，从图可知光谱信号正常，基底腔与真空腔对比度较为明显，可以正常解调，反射光功率为36µW，相比之前略微降低。反射光功率除了受光源波动和光路损耗影响，还受高温准直器影响，可以猜测，当传感器在高温环境中工作时间过长，内部杂质气体过多被气化，传感器受污染比较严重，准直器也被碳化物严重污染，出射光强变弱甚至失效，从而导致传感器失效，无法进行解调。为避免此类情况，需要确保传感器在封装时的密封性良好。 图 4.5 拆除被污染压敏膜片后的准直器与未污染芯片重新对光光谱 分析传感器被污染的原因，在封装过程中，对压敏膜片与陶瓷管直接粘接采用的是错位三点法，并未在膜片周围全部涂敷高温胶，肉眼观察膜片与陶瓷管端面紧紧贴合，但实际上，陶瓷管端面与压敏膜片平整度不匹配，导致不能无缝贴合，在未涂敷高温胶处存在间隙，从而导致气体等杂质在高温环境下气化并进入间隙污染传感器。测试环境不是理想真空环境，所以复杂环境将会影响传感器性能，需要在封装时考虑到提升传感器密封性。本文使用高温胶来对传感器进行密封，改进措施为用高温胶涂敷在压敏膜片周围，确保膜片与陶瓷管端面均被高温胶覆盖且无间隙。为了分析高温胶的密封性能，对常温静置24h 后的高温胶和 1200℃处理后高温胶其表面和横截面进行扫描电子显微镜(SEM)观察，如图 4.6 所示为高温胶在常温静置 24h 后的显微镜观察图，如图 4.7 所示为高温胶在1200℃下的显微镜观察图，可以看出，高温胶在常温下静置 24h 后其表面裂纹较多，在1200℃热处理后表面无裂纹，没有发现明显的通孔，所以气体杂质在高温下气化形成的碳化物难以进入传感器，在一定程度上确保了传感器的密封性能。 图 4.6 常温静置 24h 后高温胶表面及截面形貌 图 4.7 1200℃热处理高温胶表面及截面形貌 为了验证该密封方法的可行性，将高温胶涂敷均匀的传感器置于有污染物的高温马弗炉中进行加热，加热过后传感器外部已被污染，但是传感器反射光谱正常，仍能正常工作，证明了该密封方法是有效的。 4.1.4传感器的动态压力响应 使用手动气压泵，将气压罐内的相对压强以0.02MPa为梯度，从0 MPa升到0.16 MPa，并且每个阶段保持1分钟，记录下光谱。图4.8显示的是传感器4在不同压力下的干涉光谱。 图4.8不同压力下传感器4的干涉光谱 从图4.8中可以看出，随着相对压力的增加，红色箭头处包络的波长发生了变化。并且根据公式5-5和公式，由于传感器4的传感腔自由光谱范围大于参考腔的自由光谱范围，所以传感器4的放大倍数与灵敏度大小为负数，干涉光谱的高频条纹随着压力升高向着长波长方向变化，但包络信号向短波长方向漂移。 为了提高测量的精度，减少因为干涉光谱失真造成包络波长选取的误差，通过使用曲线拟合的方法，将光谱的干涉条纹峰值连接起来，得到具体的包络轮廓形状。图4.9分别显示的是不同压力下包络轮廓的漂移和包络灵敏度以及高频条纹的漂移和灵敏度，在压力变化为0.16 MPa时，包络波谷的波长变化为13.75 nm，但高频条纹仅漂移了0.43 nm。用Origin软件进行线性拟合得到灵敏度分别为86.58 nm/MPa,2.64 nm/MPa，可见传感4的实际灵敏度放大了32.8倍，与根据公式5-4推导出的倍数M=27.13十分的接近，其中的误差可能是由于测量的不精确导致的。此外，由于实验中我们使用的光谱仪分辨率为0.05 nm，所以通过计算光谱仪的分辨率与包络灵敏度的商可以得到传感器的气压测量限度为0.58 kPa。 图4.9（a）传感器4在不同压力下的包络曲线；（b）高频条纹在不同压力下的干涉条纹；（c）传感器4的气压灵敏度；（d）高频条纹的气压灵敏度 图4.10（a）传感器4在不同压强下的包络；（b）传感器4的灵敏度拟合曲线 为了检测传感4在更大压强时的测量灵敏度是否与上述灵敏度相一致，我们们将气压罐内的相对压强以 0.1 MPa 为梯度升至 0.6 MPa，并且每个阶段保持 1 分钟，然后记录光谱。图 5-7（b）显示的是不同压力下的包络轮廓，当压力升高时，干涉光谱包络同样一致的向短波长漂移。用线性拟合得到大压力下的传感器灵敏度为-86.64 nm/MPa，这与之前的-86.58 nm/MPa 基本相等，说明传感器在不同压强下的测量结果一致性好。 4.1.5传感器的温度响应 图4.11（a）不同温度下的高频干涉条纹；（b）不同温度下的包络曲线；（c）高频条纹的灵敏度拟合曲线；（d）包络灵敏度的拟合曲线 将传感器 4 放入到加热炉中，然后以 10℃为梯度从 40℃升温到 100℃，加热炉的精度是 0.1℃。图 4.11（a）和（c）显示的是不同温度下传感 4 高频条纹漂移以及线性拟合的灵敏度，随着温度升高，高频条纹发生红移，灵敏度为 2.8 pm/℃。图 4.11（b）和（d）显示出随着温度升高，传感器 4 的包络轮廓也发生红移，进行线性拟合得到灵敏度为 449 pm/℃。不同温度下，高频条纹与包络的光谱漂移方向一致，这与气压变化时的情况相反，其中的原因可能是温度变化引起的光纤干涉腔长度变化大于毛细玻璃管空气腔长度的变化，因此光纤干涉腔对于温度变化的影响最大，成为了温度响应的传感腔，而相对的毛细玻璃管空气腔转变成了参考腔。 此外，包络的温度灵敏度是高频条纹的 160.35 倍，而理论计算灵敏度的放大倍数M=27.13。这可能是由于光纤干涉腔和毛细玻璃管空气腔的长度受温度变化的影响，两个腔的干涉光谱都会发生较大漂移，然后在某个位置光谱重新叠加，但是理论推导的灵敏度放大公式是基于某个FP腔干涉光谱不变，因此不再适用。根据包络轮廓的灵敏度（449 pm/℃）以及光谱仪的分辨率（0.05 nm）,可以计算出传感器4的温度横向灵敏度为5.18 kPa/℃，比光谱仪最小可探测气压（0.58 KPa）大，所以在测量气压时可以加入温度补偿来提高测量的精度，减小温度变化造成的误差。