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【光纤】点式光纤温度、压力传感器的国内外研究进展
醉卧青云 2015-12-25
导语

用光纤制成的传感器相比于传统同类型的传感器,具有灵敏度高,对被测对象不产生影响,耐高压,耐腐蚀,频带宽,几何形状多方面适应,可进行远程测量控制,体积小,重量轻等特点[1-5]。这使得其在特殊的应用场合,如石油、化工、电力、火灾检测等领域具有独特的应用优势[6-16],而其生物兼容性也使得其在生物工程、医学诊断和治疗领域[17-19]也有重要的应用价值。本文主要介绍点式光纤温度压力传感器的国内外研究现状,包括点式温度传感器、点式压力传感器和可以同时测量温度压力的传感器。

上世纪70年代中期,人们认识到光纤本身可以构成一种新的直接交换信息的基础,无需任何中间级就能把待测量和光纤内的导光联系起来,可用于通信和传感。这种起初为通信而发展起来的新型材料,与其他材料相比,有许多独特的性能。

用光纤制成的传感器相比于传统同类型的传感器,具有灵敏度高,对被测对象不产生影响,耐高压,耐腐蚀,频带宽,几何形状多方面适应,可进行远程测量控制,体积小,重量轻等特点[1-5]。这使得其在特殊的应用场合,如石油、化工、电力、火灾检测等领域具有独特的应用优势[6-16],而其生物兼容性也使得其在生物工程、医学诊断和治疗领域[17-19]也有重要的应用价值。光纤传感成为以电磁为载体向以光子为载体发展的传感技术的主要形式[20-23]。

本文主要介绍点式光纤温度压力传感器的国内外研究现状,包括点式温度传感器点式压力传感器和可以同时测量温度压力的传感器。

1、点式温度压力传感器现状

光纤点式温度传感器的产品已经出现二十年了,在工业生产过程控制、能源、土木工程和医学领域都有广泛应用。可用于温度测量的光纤传感技术相当丰富,但目前进入实用的主要有四种[24-25]:荧光衰减技术,半导体带隙技术,F-P干涉技术,光纤光栅技术。

(1)荧光衰减技术

荧光衰减技术实质上是采用光致发光原理,将荧光化合物(一般使用磷)附在一段光纤末端(或者其本身作为光纤的一部分)并加以保护。用高功率短脉冲激光对化合物进行激发,激励光通常选择紫外光(UV)波段(一般400~420nm)。激励光使处于基态的电子跃迁至激发态,当其返回基态时会辐射出低能量的光子,即荧光(通常在500~600nm范围内),一部分被多模光纤接收,返回被接收探测器(如光电二极管或光电晶体管)探测[25],如图1所示。这种荧光的寿命与温度直接相关,可用于温度测量[27-30]。

这种传感方式最大的优点就是结构简单,且所用光器件相对便宜,后续电子线路方案也不复杂,整体成本较低,已经形成测温产品。例如美国LUXTRON公司WTS系列的变压器绕组光纤荧光测温系统已经进入市场,得到了广泛的应用。WTS系列是专门为高压变压器应用而设计。它采用稳定、能自标定的荧光传感器,配合长寿命的LED光源,系统可靠,易于维护,并提供1至4个具有独立输出和显示的测量通道。


图1  荧光衰减技术简图:电子跃迁(左上);激发和辐射谱(右上);反射光强(底部)

(2)半导体带隙技术

这种技术基于以砷化镓(GaAs)为代表的半导体的光吸收特性,最早是由Christensen开发[3]。在一个半导体微小芯片底层设置一个反射镜层,使用一个连续宽谱光源(如卤素灯泡)经过一段多模光纤照射半导体芯片。价带电子通过弹性碰撞吸收高能光子跃迁至导带。能量较低的光子经过覆盖在芯片底部的反射镜反射后返回至光纤。最终返回接收器的光在测量波长范围内呈现高通滤波特性。能量带隙(Eg)与温度相关,因而截止波长的位置也和温度相关,到达接收器的光通过分光器件后成像在电荷耦合探测器(CCD)上,通过信号处理获得截止波长的位置,从而得到对应的温度值,图2所示为一种利用砷化镓吸收谱带边沿的温度漂移的光纤温度传感器系统[23]。

图2  利用砷化镓吸收谱带边沿的温度漂移的光纤温度传感器系统

基于半导体带隙技术的温度传感器产品,在上世纪八十年代已经问世,包括日本三菱株式会社、加拿大FISO公司在内的多家企业的产品已经在多个工业领域发挥作用。最早也是相对较为成熟的领域就是对高功率变压器热点的监控。由于存在强烈的电磁干扰,传统电类传感器只能在比如高压发电站变压器顶部等一些可以采取屏蔽的地方使用,而无法在线对热点温度进行测量。这些都可以由在线光纤温度传感器解决,这种传感器可以直接安装在线圈的敏感位置并尽可能地接近热点。

(3)法布里-珀罗干涉技术

基于F-P干涉技术的传感器已广泛应用[32-35],不仅可以测量温度,还可以进行压力、应力、折射率等参数检测。

一种较为成熟的技术是采用白光干涉技术实现解调,图3所示为FISO公司发明的传感器结构简图[25]。宽谱光源注入一段光纤,在光纤末端集成了一个F-P干涉仪,由平行设置的两反射镜构成,反射镜间存在间隙。光束穿过第一面反射镜后在两个平行平板之间来回多次形成F-P干涉仪,从干涉仪反射的光通过光纤返回接收器,由一个2×2的耦合器导入解调仪,通过一个菲索楔,入射到线型CCD,通过信号处理,可解调出F-P传感器敏感的温度。


图3  F-P绝对信号测量调节器简图:(左)白光干涉仪;(右)F-P传感细节,通过选择特殊角度入射光纤最后在纤芯中传输。

这种传感器最突出的应用是在医疗诊断和治疗器械中。例如进行核磁共振成像过程时,当出现非正常现象时需要及时反应甚至打断进程,因而对病人生命体征比如温度的监测极其重要,检测过程会产生持续的强磁场[36](一般1.5-3T),传统的金属类传感器无法使用,F-P传感器的优势可以完全得到发挥。



图4  医疗OFS装置样本。用于MRI中病人的体表温度测量,蓝色光缆直径为3mm

图5  热疗或热融兼容的多点温度传感导管样本。箭头指示的是4个GaAs传感器的位置

图4所示的是核磁共振成像(MRI)过程中使用的体表温度F-P传感器样本。在新兴的治疗技术中,这种传感器更是发挥了强大的作用。例如,在协助治疗一些癌症的过程中会使用热疗法,将病人身体组织暴露在高温中以破坏或杀死癌细胞或使这些细胞对辐射或特殊抗癌药物更敏感。

这种疗法的关键在于定位以及控制温度的升高和热能的传导,将有害的影响限定于肿瘤细胞而对正常细胞并不造成太大伤害,并需要保证整体体温不会升高太多(一般在37.6℃左右,相对于人体可承受的最高温度为42℃)。肿瘤细胞结构没有特定组织,并且具有紧密的血管结构,这都使得其不容易散热,在中度热疗中,产生40-43℃的温度就可以杀死这些细胞。也可以使用更高的温度(高于50℃)直接将一些肿瘤熔化。

热疗过程对所使用器件的尺寸要求很高,因为加热区域越小,热疗时间越短,副作用就会越少。根据肿瘤位置的不同,热疗可以使用针头或探头在体表、正常体腔内或穿过组织来进行。热源的选择有很多种,最有效的是微波和RF热源,然而由于电磁干扰(EMI)的存在,这两种方式都很难形成实时温度反馈。

光纤温度传感器可以解决这个问题,尤其是若要在MRI过程中使用热疗,光纤温度传感器这样可以更精确地在肿瘤细胞的对应点上定位热元且不受强电磁干扰。由于热量被传递或散至相邻组织,周围组织的热分布信息的获得也很重要,可以将等间隔的温度光学点传感器集成到一个导管中协助治疗,如图5所示[24][25]。

(4)光纤光栅技术

与前三种技术不同,这种传感器写在光纤内部而不是附在光纤的末端,由一些对SMF纤芯折射率的调制部分组成,这些部分比纤芯其余部分的折射率略高。

在光纤中写入光栅的方式有很多种,最常用的是使用高强度UV激光器通过干涉或掩模板对特制的掺锗SiO2光纤的纤芯折射率进行调制。光栅结构有很多种(单一、啁啾、倾斜),最常用的是具有单一折射率周期(Λ)的光纤布拉格光栅(FBG)。

FBG技术的基本原理为菲涅尔反射,如图6所示。宽谱红外(IR)光源(一般在1510-1590nm)照射在光纤上,在界面处特定波长的光会被反射,称为布拉格波长(λB),由下面方程定义

                              (1.1)

这里ne是线性栅区部分的等效折射率,在SMF纤芯处写入FBG,有纤芯折射率的周期性微弱变化形成,从而影响传输光的光谱响应。FBG的周期由温度或压力产生的拉伸来决定,从而影响反射λB。在SMF中,只能传输一种模式,因而ne由波长决定。布拉格波长的偏移量随温度的变化速率一般为约10pm/℃,可以在-40℃到120℃的范围内得到±0.5-1℃的测量准确度,而测量精度精度与FBG接收器性能和扫描频率(从1Hz到1kHz不等)有关。在同一根SMF可以刻写几条周期有微弱不同的光栅,使用一个通道实现多元测量和接收。λB可以通过设计使之不发生重叠,是这种准分布式传感技术的最大优势。


图6  FBG技术原理简图

2、点式压力传感器研究现状

迄今为止,从10-12Pa(几乎真空)到10+12Pa(爆炸中)范围内的压力都可以被测量,大量基于压阻或压电效应,电感或电容效应,甚至是热电或声学原理的电类压力传感器已经在市场上出现,同温度传感器类似,这些技术在应用时具有很大的限制,比如在电磁干扰、高温、严苛的化学条件或易爆等特殊环境下无法发挥作用。而光纤传感器受环境条件影响较小,尺寸设计也比较灵活,并可长期稳定工作。

综合各种光纤压力传感器产品,较常采用的压力测量方案主要有3种[17][20][21]:1、基于强度;2、布拉格光栅;3、F-P干涉。

(1)强度型压力传感器

基于强度的压力传感器是最早产品化的光纤压力传感器,其原理很简单:光由多模光纤末端发出,由一个被压力控制偏转的光面反射,再由另一根光纤接收。当使用的纤芯直径、位置以及数值孔径等参数固定时,接收到的光强由光纤末端与反射面之间的距离决定,利用这点可以进行压力测量。如图7所示为这种类型传感器的一种典型装置,来自于日本的Ibaraki大学的声压装置[38]。

 

图7  基于强度的光纤压力传感器装置

这种测量方法的主要优势是不需要昂贵的光纤器件,使用简单的光源(如发光二极管)和探测器(如光电二极管)就可以完成注入和收集光并导入带尾纤的大纤芯多模光纤的功能。很多光纤传感器件中甚至不再使用光连接器,从而可以把所有经济实用的光学器件集成在一起,形成一个传感组件,更便于和电类数据处理系统组合。

医疗领域对人体颅内压(ICP)监测中已经开始大量采用基于这种方案的传感器[39]。大脑位于头骨这个刚性容器中,任何液体的集聚比如血液、头孢脊髓液或占位性病变比如肿瘤、脓肿以及血肿都会使ICP升高,过高的ICP是神经系统病患致死的普遍原因,而且持续的高ICP也会影响预测能力。40%的病患无法意识到自己有高ICP,并且在这些群体中,死亡率高达50%,进行有针对性的治疗可以有效减小死亡率。ICP是随时间变化的,尤其是ICP较高时,间断测量很容易产生误导,因而对ICP波的持续测量是避免其突然升高的有效方式。

传统的电类传感器受到生物兼容性差,尺寸无法满足要求的限制不能在这种测量环境下发挥作用,强度型的光纤压力传感器已经很好地填补了这个空白。

(2)光纤布拉格光栅压力传感器

针对光纤布拉格光栅(FBG)在压力方面的研究已经相对成熟,但由于FBG本身的压力敏感性不高,这种传感器通常被设计成间接测量的结构,即通过测量受到压力时的应力变化来间接得到压力。

常用的测量方案有两种:

第一种是将FBG光纤与可调节的光面正交或共面相接放置在应力最大的位置。这种方案的传感器尺寸相对庞大,一般用于对尺寸没有严格要求的高压场合,如土木工程、石油、气体工业。

第二种方式是把FBG传感器放置在圆柱形组件中,通过机械类放大方案提高压力敏感性,这种方案需要在尺寸和敏感性之间折中,但通过改变涂覆等特殊的处理方式可以在保证敏感性的同时尽可能得到较小的尺寸[40-44]。

  


 

图8  用于关节治疗的基于FBG的嵌入式光纤压力传感器

       图9  F-P微型压力传感器

由于FBG本身的长度大体在5-10mm范围,封装好的FBG压力传感器对于实用的点传感压力应用的小区域来说并不合适,对于静水压来说又没有高的敏感性因而应用受限。但在一些场合有其特定的应用潜力,例如在生物医学领域,可以用于刚性结构包括骨骼、牙齿镶嵌等的压力测量。如图8所示为新加坡南阳理工大学研制的基于FBG点式传感器阵列的压力传感系统探头,主要用于关节治疗过程中对其压力点进行测绘[45]。

(3)F-P型压力传感器

从商业的角度来看,F-P型光纤压力传感器应该是迄今最成熟的一种压力传感方案[46-49],无论是尺寸还是测量范围上,都具有较高的设计灵活性,并且可以支持多种参数(比如温度、应力、位移、折射率等)测量。

在实际应用中,一般采用非本征型F-P,即通过薄膜或其他材料形成F-P微腔,然后附着在光纤末端形成传感头。外界压力加在传感头上,使F-P腔结构发生变化可以引起干涉模式的变化,通过测量输出光的强度、相位等可以得到压力的变化。

针对不同的应用场合,已经出现了多种不同设计的F-P型压力传感系统。在土木工程或是其他工业应用场合,对尺寸要求不高,可以使用易加工的金属薄膜形成F-P传感头,这样得到的传感器体积较大较笨重,一般用于高压范围。使用较昂贵的材料比如蓝宝石加工的薄膜可以提高传感器在极高温度下(比如许多石油或气体井下)应用的可靠性。尽管对压力传感器的尺寸的要求并不严格,在这些场合应用的F-P压力传感器的外径都已经缩小至1-2英寸甚至更小,比如一种新型迷你F-P压力计已经出现,可以协助用于在土壤板结检测过程中检测水位[50]。

用于医疗的压力传感系统通常有严格的尺寸设计要求,基于F-P结构的压力传感器的优势在此得到了更好地发挥。在心脏病等的治疗领域中,已经出现可以放入导管中的微型F-P光纤压力传感器,能够精确测量原位血压。如图9所示为来自FISO技术的F-P微型压力传感器[30]。几种样品的外径不断减小,从550µm(FOP-MIV)到125µm(FOP-F125)都已经产品化。FOP-F125这种世界上最小的压力传感器把尺寸限制又进一步降低。薄膜使用玻璃制成,比硅更有弹性,然后被装配在光纤端面刻蚀的腔内。

相对于商业产品,实验室的研究拓展到了更广阔的方向。2006年美国佛吉尼亚理工大学的学生利用F-P腔做成一种微型温度无关光纤压力传感器,如图10所示[51]。腔长可以通过几个纳米的分辨率来控制。通过改变传感器的计量尺寸可以很容易地改变传感器的灵敏度。使用一个无源温度补偿方案来减小大部分温度交叉敏感,实验证明这种传感器具有高可靠性,生物兼容性,耐腐蚀性等优良特性。国内,2009年,长江大学研制出了一种基于单模光纤F-P腔的光纤压力传感器,如图11所示,为了验证其工作特性,设计了实验对其包括灵敏度、动态范围等在内的特性进行了深入研究,光纤在制作过程中会表现出某种双折射,通过上述研究得出其拍频和单位长度上引入的外力具有简单的线性关系,并且在较大的范围内能保持这个线性关系[52]。



图10  微型温度无关光纤压力传感器结构

图11  单模光纤F-P腔光纤压力传感器结构

同年,中国地质大学(武汉)和华中科技大学合作研制出了一种用于液位测量的对称F-P光纤压力传感器,其结构如图12(a)所示,已经成型的产品如图12(b)所示,被测液位和对F-P腔长的调制所加压力成直接的比例关系,并在干涉范围内工作在线性区,并通过测量反射光强得到液位。功率分辨率为0.4mm,灵敏度2.4mV/mm,对于2.3m的水深可以达到1mm的精度,其最大的优点是可以对易爆环境下的液位进行精确连续的测量[53]。

  

                       (a)                                                 (b)                

图12  用于液位测量的对称F-P光纤压力传感器(a)传感器内部结构 (b)传感器产品

3、可同时测量温度和压力的光纤传感器

在某些特殊环境,例如医学检测,油井检测等情况下,需要温度和压力的同时测量,而且往往对灵敏度和兼容性要求都很高,光纤内部的双折射对环境中温度和压力的变化均有响应,因而在这种场合极具潜力,但正是因为其特殊的敏感性,使得温度和压力的串扰成为制约设计的主要问题,这些对传感器的制作来说是很大的挑战。

目前对此的解决方法主要有两种,一种是用补偿或隔绝的方法去敏,二是利用对温度和压力敏感性能的差别,用数据处理的方法提取两个参量的信号。如果一个光纤传感器可以同时测量两个参数IT和IP,而且IT和IP都是温度和压力变化的线性函数,且满足

                        (1.2)

式中a1T、a2T、a1P、a2P分别为IT、IP对ΔT和ΔP的敏感系数,若2×2矩阵非奇异,则温度和压力的变化可以用上式求得。

基于这种原理,可以制成温度压力同时测量的传感器,例如:同时测量高双折射光纤中两个特征偏振态的相移;测量高双折射光纤不同模式或不同偏振态之间的相位差。因为设计和制作工艺都较为复杂,因而很少形成大批量的产品,大都针对特定应用定制特殊产品。

2010年5月,加拿大渥太华的Xiaoyi Bao教授带领的课题组在东京大学W. Zou小组工作[69,70]的启发下,基于保偏光纤内部布里渊散射和双折射,实现了高空间分辨率的时域下的应力和温度同时传感,如图13所示,实验使用6m的PANDA Fiber实现了空间分辨率20cm下,温度和应力测量精度分别达到0.4℃和9µε,测量范围达到700℃和14mε,而后者在相关域内实现了10cm的空间分辨率。

        

图13  基于保偏光纤内部布里渊散射和双折射的应力和温度同时测量的光纤传感器结构

图14  用于地洞测量的多路光纤压力和温度传感系统

国内,大连理工大学在2008年提出了一种用于地洞测量的多路光纤压力和温度传感系统其结构如图14所示,系统基于F-P干涉仪和光纤布拉格光栅(FBG),适用于高温油井地下长期压力和温度检测。将FBG温度传感器和F-P压力传感器顺次连接在传感头上。这种系统结合了FBG简单结构的温度传感器的高精确度和F-P压力传感的低温度交叉敏感的优势。

实验结果表明温度精度为0.5℃,F-P压力传感头在300℃的温度范围内的长期(300小时)温漂小于0.1%,长期压力测量精度可达0.03MPa,标准范围分别是18~300℃和0 ~ 30MPa[71]

(参考文献略,有需要者请发私信)

(作者:北京航空航天大学,段伟倩博士,授权发布)

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作者 醉卧青云

博士生

哈尔滨工业大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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