1 引 言
法布里-珀罗干涉型光纤传感器已发展多年，被广泛应用于温度、压力、应变等测量场合[1-3]。该种传感器分为本征型[4]和非本征型[5]两类，与非本征型法布里-珀罗干涉型光纤传感器相比，本征型法布里-珀罗腔光纤传感器的优势在于插入损耗大大降低，因而具备了传感器复用的能力[6]。如利用该种传感器可进行准分布式温度和应力测量[7]，但目前该种传感器在压力传感方面的研究报道较少。美国弗吉尼亚州理工大学研究人员曾利用套管式单模和多模光纤复合本征法布里-珀罗腔实现了压力测量[6]，同时该传感器具备准分布式测量潜力，但目前该种传感器的制作工艺难度较大，压力响应灵敏度仍需提高。Wu等[8]利用光子晶体光纤和单模光纤(SMF)熔接构成的法布里-珀罗腔光纤传感器，进行了压力响应研究，但其在单模光纤与光子晶体的熔接工艺以及压力响应灵敏度方面仍需提高。
由于本征型法布里-珀罗光纤传感器具备准分布式温压双参量测量潜力，其温度和压力响应特性备受关注。本文提出了一种利用外径不同的单模和多模光纤熔接而成的本征法布里-珀罗干涉型光纤传感器，该传感器制作工艺简单、成本低，具备温度和压力的双参量响应能力，同时具备准分布式测量的潜力。本文给出了该种结构的压力响应理论模型，并对利用该结构制作的光纤传感头进行了温度和压力的响应实验。研究结果对分布式压力传感器，特别是分布式多参量光纤传感器的研究有一定意义。
2 传感器结构及原理
如图1所示，该传感器由外径不同的单模和多模光纤熔接而成，单模/多模/单模光纤复合结构构成了法布里-珀罗腔，其中多模光纤(MMF)外径较小。由于光纤法布里-珀罗腔对外界温度变化能够响应，同时单模多模光纤的外径差异赋予了法布里-珀罗腔对压力的敏感性，因而该种结构也就具备了温度、压力的双参量响应能力。为了增加压力响应的灵敏度，在考虑泊松效应导致的应变方向的前提下，选择了多模光纤外径较小的结构设计。
如图1所示，由于法布里-珀罗腔的存在，光纤中传输光会在2种光纤的交界面处发生反射，2束反射光的光程差(即法珀腔光学腔长)为
式中neff为法布里-珀罗腔的有效折射率，L为法布里-珀罗腔腔长。根据材料力学知识[9-10]和弹光理论[6]可以得到，法布里-珀罗腔光学腔长的变化与外界压力P的变化关系可表示为
式中neff为法布里-珀罗腔的有效折射率，L为法布里-珀罗腔腔长。根据材料力学知识[9-10]和弹光理论[6]可以得到，法布里-珀罗腔光学腔长的变化与外界压力P的变化关系可表示为长变化。在文献[11]中，曾对类似结构进行了前期的理论研究。而此优化的结构设计，2种应变的作用方向是相同的，因而法布里-珀罗腔的腔长变化也会较为明显，压力的响应灵敏度较高。根据(2)式，可以得到该传感结构的压力-应变响应理论模拟曲线，如图2所示。
3 温度压力响应实验
3.1 实验系统
利用光纤熔接机将一段多模光纤熔接在2根单模光纤之间，形成本征法布里-珀罗腔，熔接参数经过多次反复优化，得到了较为可靠稳定的熔接参数。正是由于该种方法制作的传感头插入损耗小，因而使其具备了可以多个级联的潜力，可以构成准分布式测量的传感器阵列。利用该方法制作了实验中所采用的传感器，所用单模光纤为Corning SM28e型标准单模石英光纤，多模光纤为Corning 62.5/125 mm标准多模石英光纤，多模光纤经氢氟酸处理，为便于制作光纤传感头，选取多模光纤样品直径为120 mm，法布里-珀罗腔的腔长为1 mm。
温度压力响应实验装置如图3所示。光纤传感器通过光纤环行器与光纤传感分析仪相连。光谱分析设备使用了Micro Optics公司生产光纤传感分析仪，在本实验中提供光源并进行反射光谱的采集；光纤环行器可以使光纤法布里-珀罗腔的反射干涉光谱传输至光纤传感分析仪。光纤传感器放入专用的温压测试室，利用专用的温压控制系统调节温度和压力。
将制作好的传感头放入温压测试室进行了实验，实验中所得反射光谱如图4所示。当外界温度或压力发生变化，反射光谱谱线会平移，如图4所示，3条谱线分别是温度为180 ℃、190 ℃、200 ℃时法布里-珀罗腔的反射光谱谱线。
3.2 实验结果
利用实验中获得的反射光谱数据，配合腔长解调程序，可以得到法布里-珀罗腔光学腔长随温度和压力的响应实验曲线。图5为该传感器的温度响应实验曲线，温度范围为20 ℃~500 ℃。由图可知，该传感器能够对温度变化正常响应，且响应曲线线性度较好，其光程差温度响应灵敏度为25 nm/℃。图中的2条实验曲线分别代表升温过程数据和降温过程数据，2条实验曲线数据重合性很好，该传感头的温度测量重复性较好。图6为升温和降温实验数据的残差数据图，由图可知，残差数据值较为均匀地分布在0值附近。
将该传感器在常温20 ℃条件下进行了压力响应实验，压力变化范围为0.1~20 MPa，数据采集超过200个测量点。压力响应实验数据如图7所示，由图可知该传感器对外界压力变化具有正常响应，且线性度较好，其光程差压力响应灵敏度为4.7 nm/MPa，灵敏度较高。由于该传感器对温度变化也有响应，实验中，在该传感器后级联了一个可精确测定温度的本征法布里-珀罗腔光纤传感器，由于该压力传感器的温度响应规律已经掌握，可利用温度测量值对该压力传感器进行温度补偿(即扣除温度引起的腔长变化量)，以获得较为准确的压力
响应数据。图8为压力响应实验数据残差，残差数值较为均匀分布在0值附近，其分布规律较好。
4 结 论
利用外径不同的单模和多模光纤成功制作了一种本征法布里-珀罗干涉型双参量光纤传感器，该传感器能够对温度、压力进行双参量响应，同时具备准分布式传感潜力。得到了压力响应理论公式，给出了压力-应变响应理论模拟结果。进行了温度和压力响应实验，从实验结果来看，该传感器的温度、压力响应灵敏度高，线性度和重复性较好。
参 考 文 献
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