1 引言
光纤法珀(F-P)传感器由于其高灵敏度、单端检测、便于解调等优点，在诸多类型的光纤传感器中独树一帜，在近年来发展迅速。目前，基于光纤法珀腔的传感器可以检测温度、应变、压力、声音、气体浓度等诸多物理量和化学量，并且广泛应用于大坝、桥梁、大型机械的安全监测以及石油、军事等领域。在现有报道的光纤法珀温度传感器中，主要采用两种技术方案，其一是采用外径大于125μm的玻璃毛细管封装，由两个光纤的端面构成光纤法珀腔并采用胶封的方式固定于温度敏感材料中，另外一种最近发展起来的技术是采用MEMS工艺制作光纤法珀腔。但是这两种方案工艺都比较复杂，一致性难以保证，并且胶的老化和蠕变对于传感器的性能影响较大。为了解决该问题，本文提出了一种金属封装的光纤法珀温度传感器。该结构不仅简化了传感器的封装工艺，同时也使传感器的灵敏度易于控制。
2 传感器的基本原理
图1为本文提出的光纤法珀温度传感器的结构示意图。该传感器采用温度敏感的金属材料作为法珀腔的腔体，利用高精度位移机构将光纤两端插入金属毛细管中形成低精细度的光纤法珀腔。光纤在金属管的两端通过胶粘的方式固定。当外界温度发生变化时将直接导致金属毛细管的热膨胀，带动插入金属管内的光纤移动，从而引起光纤法珀腔的腔长变化。采用本技术方案，避免了胶直接作用于光纤法珀腔腔体上，消除了由于涂胶不匀引起的应力不均匀现象，简化了封装工艺。同时，金属毛细管的长度即为该温度传感器的标距，它将决定传感器的灵敏度。
该传感器的核心结构为光纤法珀干涉腔(F-P腔)。在使用低相干光源时，由于低相干光源都具有一定的光谱宽度，因此可看成是多个波长λA1，λ2，…，λn的迭加。光人射到F-P腔后，不断地在F-P腔的两个端面之间进行反射和透射，形成多光束干涉。在本文所研究的端面反射率很低(0.4％)的情况下，反射光的干涉可看成双光束干涉，其干涉光强为
IR=2I0R(1+cos△φ) (1)
式中：I0为入射光强度；R为F-P腔两端面的反射率，为由F-P腔所产生的两束光的相位差。当F-P腔的腔长是传输光半波长的整数倍时，反射光强IR最大。通过对峰值波长的移动量的测量即可得到待测物理量的变化情况。这就是该传感器的解调原理。
而对于封装后的光纤法珀温度传感器，光纤法珀传感器的腔长可以表示为
Lc=kT+Lc0 (2)
式中：k为传感器的灵敏度系数；Lc0为传感器的初始腔长。由于普通硅光纤的热膨胀系数只有0.5×10-6／℃，所以传统的光纤法珀腔必须埋入其他温度敏感材料中才可以作为温度传感器使用。而我们的结构中光纤法珀腔为金属材料，其热膨胀系数为11.8×10-6／℃，故由温度变化引起的传感器的腔长变化为
△Lc=α?△T?Lg (3)
式中：α为金属材料的热膨胀系数；Lg为传感器的标距，即金属毛细管的长度。由此可得光纤法珀温度传感器的温度灵敏度系数为
由式(4)可知，该光纤法珀温度传感器的温度灵敏度系数与传感器的标距成正比，而传感器的标距即为金属毛细管的长度，这样就可以通过控制毛细管的长度来改变传感器的灵敏度，从而极大地方便了设计和制作不同温度灵敏度系数的光纤法珀温度传感器。
3 实验结果与分析
在理论分析基础上，我们制作了不同参数的光纤法珀温度传感器并进行了实验。如图2所示，实验在高低温湿热试验箱(温控精度0.1℃，温度不均匀度小于0.1℃)中进行，光纤法珀传感器和标准温度计(数字贝克曼温度计，精度0.01℃)放在试验箱中，利用自行研发的高精度法珀传感解调仪进行解调(腔长解调精度0.1μm)。
实验结果表明，该温度传感器具有良好的线性响应，同时标距和传感器的灵敏度亦呈显著的线性关系(图3)，这与我们的理论分析结果相吻合。标距为10 mm的温度传感器的灵敏度系数可达0.115 μm／℃，温度传感精度达到±0.5℃。
4 结论
本文提出了一种新型的金属封装的光纤法珀温度传感器结构并进行了理论分析和实验。结果表明，该传感器具有灵敏度和传感器的标距成正比的特性，可以通过改变标距的方法方便地调整传感器的灵敏度。同时，该传感器制作工艺简单、性能稳定，具有很高的实用价值。 |
