基于双折射晶体温度补偿的光纤压力传感器及其制作方法

摘要

本发明公开了一种基于双折射晶体温度补偿的光纤压力传感器及其制作方法，该传感器由法珀压力传感头芯片、双折射晶体、自聚焦透镜、玻璃毛细管、石英玻璃管和多模光纤构成。光信号依次经过双折射晶体和光纤法珀压力传感头之后，光程差将分别受到调制，通过检测两者光程差的变化，同时实现压力和温度的双参量测量。与现有技术相比，引入温度测量结果作为参考量，对压力测量结果进行校正，实现高精度的压力测量传感。此外，解调仪实现温度和压力实时同步解调，解调系统简单，数据处理准确，系统成本较低，实践操作方便。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤压力与温度传感器技术领域，特别是涉及一种具有温度补偿功能 的光纤法珀压力传感器及其制作方法。

背景技术

高精度光纤法珀压力传感器在工程领域具有广泛的应用，作为光纤压力传感器的 一种，具有抗电磁干扰，体积小、重量轻等优点。其测量原理基于压力调制法珀微腔 输出光中光程差或光强，实现高精度压力传感与测量。而温度是影响法珀腔长的重要 因素，没有温度补偿的光纤法珀压力传感器难以实现高精度压力传感与测量。

随着国内外研究人员对光纤法珀压力传感器结构的研究不断深入，采用薄膜感应 压力的非本征光纤法珀压力传感器，具有高灵敏度、高稳定性的特点越来越多的得到 关注。针对采用环氧树脂封装薄膜式非本征光纤法珀压力传感器稳定性受温度影响较 大的问题，科研人员提出了采用激光熔接的无胶封装方法降低传感器的温度敏感性。 如2005年Juncheng Xu等（A novel temperature-insensitive optical fiber pressure sensor  for harsh environments，Photonics Technology Letters,IEEE17(4):870-872.）和2006 年Juncheng Xu等（Miniature temperature-insensitive Fabry–Pérot fiber-optic pressure  sensor，Photonics Technology Letters,IEEE18(10):1134-1136.）中，在玻璃毛细管一 端刻蚀浅坑，采用激光熔接将硅片于浅坑顶端，切割的光纤端面伸入该毛细管中，利 用光纤端面与硅片构成法珀传感器。

虽然上述的激光熔接的无胶封装方法能够降低温度影响，但为了得到更高传感精 度，考虑在传感器的设计方面引入温度补偿。如2012年Wang,W等（Temperature  self-compensation fiber-optic pressure sensor based on fiber Bragg grating and  Fabry–Perot interference multiplexing,Optics Communications,2012,3466-3470.）和 2012年Bae,H等（Miniature Temperature Compensated Fabry–Perot Pressure Sensors  Created With Self-Aligned Polymer Photolithography Process，Sensors Journal,IEEE 12(5):1566-1573.）中，采用光纤法珀和光纤光栅实现压力和温度的双参量测量，引 入温度测量结果作为参考量，对压力测量结果进行进一步校正。但光纤法珀与光纤光 栅解调原理不同，因而信号解调过程比较复杂。采用相同解调系统同时实现光纤法珀 与光纤光栅双传感器高精度解调难度较大，而两者各自采用独立的解调系统，解调系 统庞大，数据处理复杂，仪器成本较高，实践操作不便。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提出了基于双折射晶体温度补偿的光纤压力传感器及其 制作方法，采用光纤法珀和双折射晶体同时分别实现压力和温度的双参量测量。引入温 度测量结果作为参考量，对压力测量结果进行进一步校正，实现高精度的基于双折射晶 体温度补偿的光纤法珀压力传感器设计与制作。

本发明提出了

一种基于双折射晶体温度补偿的光纤压力传感器，利用压力和温度双参量实现传 感，该传感器装置包括法珀压力传感头芯片30、双折射晶体4、自聚焦透镜7、玻璃毛 细管9、石英玻璃管6和多模光纤10，所述法珀压力传感头芯片30包括Pyrex玻璃基 板2和单晶硅片1，Pyrex玻璃基板2表面加工浅坑，并与单晶硅片1构成法珀微腔11， 其中浅坑底部12作为法珀微腔11第一个反射面，单晶硅片1内表面13作为法珀微腔 11第二个反射面，浅坑深度即为法珀微腔的腔长，单晶硅片1为压力敏感元件；所述双 折射晶体4紧贴法珀压力传感头芯片30后端，两者之间的距离小于1mm，同时两者处 于相同的温度条件下，所述双折射晶体4另一端镀线偏振膜5，线偏振膜5的透光轴方 向与双折射晶体4的光轴方向成45°，法珀压力传感头芯片30、双折射晶体4和石英 玻璃管6封装固定；

将玻璃毛细管9伸入石英玻璃管6，一端贴紧自聚焦透镜7；所述玻璃毛细管9中 轴位置设置有126μm通孔，所述多模光纤10由玻璃毛细管9后端的喇叭口16伸入玻 璃毛细管9中；贯穿所述玻璃毛细管9之后，所述多模光纤10末端与自聚焦透镜7顶 紧，并伸入石英玻璃管6之中；多模光纤10、玻璃毛细管9、石英玻璃管6和自聚焦透 镜7彼此封装固定；

当外界压力15施加在传感器，单晶硅片1的形变引起法珀微腔11腔长发生变化， 从而改变入射光信号的光程差，通过解调光程差实现压力解调。

温度变化将改变双折射晶体4厚度和双折射差，从而使得其透射光信号光程差改变， 通过解调光程差实现温度解调。双折射晶体采用铌酸锂晶体，氟化镁晶体，方解石晶体， 钽酸锂晶体。

另外，本发明还提出了一种基于双折射晶体温度补偿的光纤压力传感器的制作方 法，该方法包括以下步骤：

将300μm厚的Pyrex玻璃基板2清洗之后，双面腐蚀出孔径为1200～1800μm、深 度为30～50μm的浅坑；在一侧浅坑底部12镀反射率为20%～50%的反射膜，将单晶硅 片1双面打磨到厚度为20～50μm，将打磨之后的单晶硅片1与Pyrex玻璃基板2镀反 射膜的一侧采用阳极键合的方式固定，制成法珀压力传感头芯片30，其中浅坑底部12 作为法珀微腔第一个反射面，单晶硅片1内表面13作为法珀微腔第二个反射面，浅坑 深度即为法珀微腔的腔长；

将厚度为0.5～1mm的双折射晶体晶圆片双面打磨光滑，使双折射晶体的光轴与晶圆 片表面平行；将双折射晶体晶圆片一侧表面镀线偏振膜，使偏振膜透光轴方向与晶体光 轴方向成45°；沿着晶体光轴方向，将双折射晶体切割成为边长为1mm的正方形晶体 小块，制成双折射晶体4；

将所述双折射晶体4以距离小于1mm的方式紧贴法珀压力传感头芯片30后端，同 时使两者处于相同的温度条件下，所述双折射晶体4另一端镀线偏振膜5，线偏振膜5 的透光轴方向与双折射晶体4的光轴方向成45°；

将石英玻璃管拉制为外径为2.5mm、内径为1.8mm，切割长为12～14mm的此石英 玻璃管制成石英玻璃管6；

将Pyrex玻璃或者石英玻璃棒打磨到直径为1.8mm，并切割成长度为5～6mm的圆柱 体；在圆柱体中心轴位置钻直径为126μm的通孔，并在其一端加工出圆锥形喇叭口16， 制成玻璃毛细管9；

将直径为1.8mm、长度为4mm和中心波长为600nm的自聚焦透镜7伸入石英玻璃 管6内部，固定在其中间位置；将玻璃毛细管9伸入石英玻璃管6，贴紧自聚焦透镜7； 从石英玻璃管6后端圆锥形喇叭口16处，将断面切割平整的多模光纤插入玻璃毛细管9 的通孔，并与自聚焦透镜7顶紧，此时由自聚焦透镜输出的光是平行光束8；

将法珀压力传感头芯片30、双折射晶体4和固定在一起，再将双折射晶体4与石英 玻璃管6封装固定；

将多模光纤10、玻璃毛细管9、石英玻璃管6和自聚焦透镜7彼此封装固定。

所有部件之间的固定采用环氧树脂和/或CO₂激光熔接两种方式完成。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下的积极效果：

1、本发明提出的传感器结构采用光纤法珀和双折射晶体同时实现压力和温度的双 参量测量。引入温度测量结果作为参考量，对压力测量结果进行进一步校正，实现压力 高精度测量。

2、本发明提出了的传感器传感过程中，光信号依次经过双折射晶体和光纤法珀压 力传感头之后，光程差将分别受到调制，通过光程差扫描式的解调仪检测两者光程差的 变化，实现温度和压力实时同步解调，解调系统简单，数据处理准确，系统成本较低， 实践操作方便。

附图说明图1是本发明中基于双折射晶体温度补偿的光纤压力传感器环氧树脂封装 结构示意图；

图2是本发明中基于双折射晶体温度补偿的光纤压力传感器CO₂激光无胶封装结构 示意图；

图3是本发明中双折射晶体与法珀压力传感头芯片光学分析示意图；

图4是本发明中线偏振膜透光轴方向与双折射晶体光轴方向示意图；

图5是本发明中压力、温度双参量解调系统示意图；

图6是本发明中低相干干涉解调仪输出的低相干干涉光条纹图。

附图标记为：1、单晶硅片，2、Pyrex玻璃基板，3、环氧树脂，4、双折射晶体，5、 线偏振膜，6、石英玻璃管，7、自聚焦透镜，8、平行光束，9、玻璃毛细管，10、多模 光纤，11、法珀微腔，12、浅坑底部，13、单晶硅片内表面，14、CO₂激光熔接，15、 外界压力，16、圆锥形喇叭口，17、双折射晶体光轴方向，18、入射光，19、反射光， 20、双折射晶体内o光，21、双折射晶体内e光，22、线偏振膜透光轴方向，23、双折 射晶体光轴与线偏振膜透光轴夹角，24、o光振动方向，25、e光振动方向，26、o光经 法珀腔第一反射面反射光E₁，27、o光经法珀腔第二反射面反射光E₂，28、e光经法珀 腔第一反射面反射光E₃，29、e光经法珀腔第二反射面反射光E₄，30、法珀压力传感头 芯片，31、传感器，32、白光光源，33、3dB耦合器，34、低相干干涉解调仪，35、匹 配液，36、压力1相应低相干干涉条纹，37、温度1相应低相干干涉条纹，38、压力2 相应低相干干涉条纹，39、温度2相应低相干干涉条纹。

具体实施方式

下面结合附图，进一步详细说明本发明的具体实现方式。

本发明的光纤法珀压力传感器具有集压力传感与温度测量于一体的优点。采用光纤 法珀和双折射晶体同时分别实现压力和温度的双参量测量。并引入温度测量结果作为参 考量，对压力测量结果进行进一步校正，实现温度和压力高精度测量。而本发明中的法 珀腔长的变化特性受到温度的影响，不做温度补偿条件下，压力测量精度受传感器特性 的限制。

以下为本发明的具体实施例描述。

基于双折射晶体温度补偿的光纤压力传感器的传感过程：

如图1所示，由多模光纤10导入的宽带光从切割平整的光纤断面出射后，透过自 聚焦透镜7输出平行光束8。第一，平行光束8经过双折射晶体4表面所镀的线偏振膜 5产生线偏振光。双折射晶体光轴方向17与线偏振膜透光轴方向22，双折射晶体光 轴与线偏振膜透光轴夹角23成45°角，如图4所示。线偏振光入射到双折射晶体4后 分解成为等振幅强度的振动方向平行于晶体光轴的o光20和振动方向垂直于晶体光轴 的e光21，如图3所示。由于o光和e光存在折射率差，因此经过传播晶体厚度的距离 之后，两者产生光程差Δ₁。其次，双折射晶体4透射光到达法珀压力传感头芯片30中 的法珀微腔11，在浅坑底部12和单晶硅片内表面13两次发生反射，两次反射的反射光 之间产生光程差Δ₂。第二，由法珀微腔11反射的光信号再次经过双折射晶体4，与第 一次经过晶体的原理相同，再次产生光程差Δ₁。振动方向垂直的o光和e光再次经过线 偏振膜5之后，偏振方向相同，形成干涉光信号。在此，光入射时，线偏振膜5的作用 是起偏器，光反射时，线偏振膜5的作用是检偏器。第三、反射光信号经过原光路返回 耦合进多模光纤10，并传输到解调仪。综上所述，经过晶体产生的光程差为2Δ₁，经过 法珀微腔产生的光程差为Δ₂。双折射晶体4对温度敏感，温度改变晶体特性（长度，双 折射差）而引起光程差2Δ₁的改变，外界压力15改变法珀微腔11的腔长而引起光程差 Δ₂的改变。通过解调光程差的变化量，即可实现温度与压力的实时同步双参量测量。此 外，采用CO₂激光无胶封装传感器的方法，将进一步提高传感器的稳定性，其结构如图 2所示。

基于双折射晶体温度补偿的光纤压力传感器的光学分析：如图3所示，假设双折射 晶体4的厚度为l，法珀微腔11腔长为h，入射光18振幅为2E，经过线偏振膜5之后， 振幅为E。反射光19中含有四个光信号分量，分别是o光经法珀腔第一反射面反射光 E₁26、o光经法珀腔第二反射面反射光E₂27、e光经法珀腔第一反射面反射光E₃28、e 光经法珀腔第二反射面反射光E₄29。四个光信号可分别表示为：

E₁＝cos45·E

E₂＝cos45·E·exp{iδ₂}

E₃＝sin45·E·exp{i2δ₁}

E₄＝sin45·E·exp{i(2δ₁+δ₂)}   (1)

上式(1)中，δ1表示双折射晶体4产生位相差，δ2表示法珀微腔产生位相差，分别表示 为：

${\delta }_1=\frac{2\pi }{\lambda }·|n_o-n_e|·(l+\mathrm{dl})$

${\delta }_2=\frac{4\pi }{\lambda }·(h+\mathrm{dh})---\left(2\right)$

上式(2)中，n_o，n_e分别表示双折射晶体o光和e光的折射率，l表示双折射晶体原始长 度，dl表示双折射晶体长度变化量，h法珀微腔原始腔长，dh表示法珀腔长变化量。

dl＝CTl

$\mathrm{dh}=\frac{3(1-{\mu }^2)}{16\mathrm{Ey}}·\frac{r^4}{t^3}·P---\left(3\right)$

上式(3)中，T表示待测温度，P表示待测压力；C表示双折射晶体4的线性膨胀系数， μ表示单晶硅片的泊松比；Ey表示单晶硅片的杨氏弹性模量；t表示单晶硅片的厚度；r 表示单晶硅片的半径。传感器的输出光强可表示为：

I＝＜(E₁+E₂+E₃+E₄)·(E₁+E₂+E₃+E₄)*＞   (4)

上式(4)中，*表示共轭。

联立公式(1)(2)(3)(4)，得出结论，温度和压力的改变，将改变输出光信号特性，通 过对输出光信号的解调与分析，即可实现温度和压力的实时同步测量。

由此可见，温度与压力测量均通过解调光程差的方式实现。采用光程差扫描解调的 方式，完成温度和压力双参量实时同步解调，并依据温度解调结果对压力解调结果进行 校正补偿，实现高精度压力解调目标。

基于双折射晶体温度补偿的光纤压力传感器压力、温度双参量解调方法。如图5所 示为解调系统示意图，白光光源32(白光光源包括有白光LED、氙气灯或者卤素灯)发出 的光耦合到多模光纤之后，经过3dB耦合器33入射到传感器31，耦合器的另一输出端 与匹配液35接触。由传感器31反射光信号再次经过3dB耦合器33之后入射到低相干 干涉解调仪34，得到与传感器产生光程差有关的低相干干涉信号。基于低相干干涉原理， 当光信号光程差小于白光光源相干长度时，将产生低相干干涉条纹，当光信号光程差为 零时，将产生低相干干涉条纹峰值。低相干干涉解调仪34解调过程中，光程差在一定 范围内扫描，当扫描光程差与传感器反射光19包含与带测量有关的光程差相等时，将 输出低相干干涉条纹峰值，通过检测低相干干涉条纹峰值位置，解调待测物理量。如图 6所示为采用LiNbO₃晶体和法珀微腔制作的传感器经低相干干涉解调仪输出的低相干 干涉光条纹图。在温度1和压力1条件下，传感器输出光程差分别为2Δ₁和Δ₂，相应低 相干干涉条纹36、37。当温度和压力改变时，传感器输出光程差分别为2Δ₁+Δ′′和 Δ₂+Δ′。此时，温度2和压力2相应的低相干干涉条纹38、39发生漂移。通过精确测 量低相干干涉条纹峰值的漂移量，即可得出光程差变化量，从而解调出待测温度和压力。