振动光纤传感器的研究样稿

基于银薄膜微型光纤压力传感器研究

光纤传感器技术是伴随光纤发展和光纤通信出现而慢慢形成一门新兴技术。它是以光作为载体，而且以光作为传输介质，对被测参数实现传感。

因为它是一个光学传感器，在传感方法传感原理、信号探测、信号传输方法和信号处理等方面全部和传统电子传感器完全不一样，所以出现了很多个不一样种类光纤传感技术，引发了全世界广泛关注和研究。光纤传感技术和传统电子传感器相比，有以下关键特点：抗电磁干扰；不产生电磁干扰；灵敏度更高；可以在很多危险和强电磁场干扰场所使用：传输和传感集为一体；能够轻易实现传感器分布式测量等。

传统传感器在应用中很多限制正是因为光纤这些独特优点存在得到了填补。满足了现代测量技术需要，也极大促进了传感技术发展。和此同时，光纤传感器在国防工业和军事领域也相关键应用价值，光纤传感技术在现代优异设备中无处不在。

光纤传感技术发展和应用关键分为四个大阶段：上世纪八十年代以前，强度调制型光纤传感器研究占关键地位；八十年代以后，干涉型光纤传感技术开始了大规模研究；进入九十年代后光纤光栅被发明，所以出现了大批基于光纤光栅传感技术。

进入新世纪后，多种多样新型光纤技术全部逐步完善，光纤传感技术以后步入商业化进程，进入了实用阶段。现在，首先，多个多样新器件出现推进了这一技术进步；其次，新需求也牵引着光纤传感技术向前发展。 十九世纪初，用干涉试验证实了光含有波动这一特征，也就是著名杨氏干涉试验。以后以后，大家开始对多种干涉测量技术研究，而且逐步形成了高灵敏度测量方法。激光出现，高强度相干光源也能很轻易得到，因此这－Ｎ量技术得到了快速发展和应用。光纤出现，使干涉仪中光无须在空间中传输，能够在弯曲损耗很低波导中进行传输。

全光纤系统能够使干涉仪变得愈加可靠稳定，也愈加紧凑，省去了麻烦调整过程，也很大程度降低了外界干扰形成噪声，测量灵敏度所以得到了大幅度提升。干涉型光纤传基于银薄膜微型光纤压力传感器研究感器就在这么背景下出现了。

干涉型光纤传感器基础原理是：经过被测物理参数作用，使得光纤内传输光相位发生了改变，再用干涉测量技术把光相位改变转换成光强改变，从而检测出被测物理量。

１．２光纤法布里．珀罗（Ｆ—Ｐ）传感器概述多光束干涉是指相互平行，而且任意两束光之间光程差（相位差）全部相同一组同频率光束相干叠加。很多光学现象，如布拉格衍射、薄膜干涉、牛顿环、和干涉滤波片等，全部是属于多光束干涉产生。法布里．珀罗（Ｆ．Ｐ）干涉仪也称为Ｆ．Ｐ标准具，是一个经典多光束干涉仪，它利用两个反射镜很数次往返反射而设计制作。当光传输路径是光纤时，在光纤内部形成两个反射面。这么光就会在这两个反射面分别发生反射现象。所以会形成后向传输光，这两束光因为光程差原因，就会产生干涉现象。所以，这两个反射面距离改变就决定了反射光干涉光谱改变。我们能够经过对反射光干涉谱进行检测，而且找到适宜解调方法，能够推导出两个反射面距离改变。进而推导出影响距离改变物理量。

２．因为被测物理量对两个反射面距离改变很敏感，且光纤结构简单、小巧，而且能抗电磁干扰，检测灵敏度高，响应速度快，稳定性，体积好等优点，所以能够用作小型化实时温度，压力等物理量传感。光纤法布里．珀罗（Ｆ．Ｐ）传感器技术关键是基于Ｆ－Ｐ干涉仪原理干涉腔来正确检测多种物理量。Ｆ．Ｐ干涉仪关键分为两个关键类型：本征型光纤Ｆ－Ｐ干涉仪（ＩＦＰＩ）和非本征型Ｆ—Ｐ干涉仪（ＥＦＰＩ）。美国弗吉尼亚大学王安波所领导小组研制出了很多个光纤Ｆ－Ｐ传感探头结构，而且经过多个解调机理对一系列物理量进行测量【２．８】。在很多工业领域物理测量中取得了重大突破。ＭｏｒｉｎＡ所在科研小组【９ｊ利用多个光纤Ｆ．Ｐ传感器探测头形成一系列阵列，用于分布式检测应变。研制出一个基于白光Ｆ．Ｐ干涉效应光纤传感器用于监测桥梁结构中压力、应变、结构损伤情况、结构振动、裂缝产生等内部状态，并取

得良好测试结果。而且用于中国三峡工程、广西百色工程等一系列大型土木工程安全监测工程。 第一章绪论１．３非本征Ｆ．Ｐ光纤传感器应用背景两个相互平行光学平面就组成了一个Ｆ．Ｐ腔。假如这两个平面全部是光纤端面，或其中一个是光纤端面就组成了光纤Ｆ．Ｐ腔。

３．假如作为传感器使用话，在光纤端面镀膜制作成Ｆ．Ｐ干涉仪成本就会相对较高。所以另外一个形成Ｆ．Ｐ干涉腔技术就是将光纤一个端面进行切割，这么就能够利用切割后光纤端面和空气之间大约有４％菲涅尔反射。这么在两根光纤端面之间，或一根光纤端面和另外一个反射面之间形成Ｆ—Ｐ腔，从而形成了这么一个低反射率外腔式光纤Ｆ—Ｐ干涉仪（ｅｘｔｒｉｎｓｉｃ Ｆ．Ｐｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）。制作关键是改变Ｆ．Ｐ腔部分参数（如不一样尺寸输入光纤、准直管、和膜片），进而改变Ｆ－Ｐ腔传感性能。因为Ｆ．Ｐ腔材料有很多个可选择性，所以在部分高温、高压、高灵敏度、超强电磁干扰和强腐蚀性恶劣环境中，光纤ＥＦＰＩ传感器全部能够适用。比如大型土木工程内部应力监测，油井温度和压力健康监测，对于灵敏度高Ｆ．Ｐ传感器来说，也能够用作生物传感和声波检测。上世纪，Ｍｕｒｐｈｙ领导小纠１１１首次研制出光纤ＥＦＰＩ传感器，
她们是经过一个毛细管把两根光纤用环氧树脂固定， ：利用光纤端面反射形成Ｆ．Ｐ腔。而且成功应用于军事领域。 进入新世纪以来大连理工大学王晓娜七所在小组研制膜片式光纤Ｆ－Ｐ压力传感器，成功应用于油井内长久压力监测。Ｊｉ．
Ｘｉ所在小组四也制作出一个ＥＦＰＩ光纤压力传感器。她们把光纤和厚壁毛细管一端熔接起来。另外一端和石英为材料膜片 ＹｉｚｈｅｎｇＺｈｕ〔１４１所熔接起来，而且对高强度 压力进行了检测。

在小组也制作出对温度稳定性很好光纤ＥＦＰＩ传感器。用ＨＦ溶液来腐蚀光纤端面后进行熔接。Ｙ．Ｚｈｕｌｌ５１所在小组研制出耐高温光纤ＥＦＰＩ传感器。其传输光纤为蓝宝石光纤，它工作温度达成一千度以上。 ＩＢ．ＢｕｍＫｗｏｎ所在小纠１６１研制出全反射式光纤压力传感器。她们是通过在反射光纤端面镀膜。她们对大型土木工程内部和机械内部应变进行了测量。 ３基于银薄膜微型光纤压力传感器研究所在小组【１７１经过ＭＥＭＳ技术研制了一个

反射膜片作为光纤 ＥＦＰＩ压力传感器。 Ｖ．Ｒ．Ｍａｃｈａｖａｒａｍ所在小

组【１８１制作出了一个新型微型ＥＦＰＩ应变传感器。她们也是利用湿法刻蚀光纤端面，并将两个腐蚀后光纤端面进行熔接。２００７年到２０１１年，小型化ＥＦＰＩ光纤压力传感器逐步成为中国外研究焦点〔１９－３９】。微型光纤Ｆ－Ｐ传感器在工业、军事、医疗、生物等领域逐步被广泛应用。 １．３．１工业上应用能耐高温、高压和腐蚀性环境微型压力传感器在工业领域，成为了现在最大需要。比如，海底油井探测、飞机引擎和部分能量产生设备等方面【４¨ｕ全部很需要压力测试和实时监控，
不过所处环境全部很恶劣。所以传感器探头设计和所用材料全部受到了很大限制。常见很多电子元器件式压力传感器有很多不利原因。比如，易受电磁干扰，较大温度依靠性，体积大，和在机械可靠性和反复性等方面不甚理想。现在，还有很多半导体式压力传感器在工业上应用，关键是在高温环境中压力测试。然而其所能达成温度工作范围还是远小于很多工业环境温度。同时这种半导体传感器在腐蚀性环境中可靠性能很差，寿命短。假如要很好处理上述问题就需要采取光纤压力传感器。因为它含有尺寸小，化学活性，温度不敏感性好，基础不受电磁干扰，稳定性高等优点。它能被安全用于恶劣环境中进行实时检测。种种优势证实它能够有效替换半导体压力传感。１．３．２生物医学上应用 在生物医学诊疗领域，人和动物体内多种压力正确测量存在很大难题。这些压力测量在疾病诊疗和诊疗方面有很广泛应用。比如颅内压在人体头部疾病检测和诊疗中，是一项很关键指标，而眼压是评测眼病关键依据，而血压则是衡量内部心血管疾病关键指标。所以我们能够利用小型化光纤压力传感器进行入体式压力测量。比如在手术过程中，对患者动脉和静脉血压、心内压、颅内压ｆ４２．４３】等参数进行实时测量。医生能够经过测量结果立即了解病人情况，进而立即采取方法降低病人痛苦。通常来说，在体内检测压力，需要经过人体内部孔径来插入导管。所以，探头尺寸和材料有很多限制。这么就要求我们在尽可能提升正确性，响应特征、灵敏度等特点以外，还要考虑到尺寸和材料影响。另外，因为医学上入体式检测需要避免患者之间相互交叉感染，所以一次性入体式医疗器具成为必需，这

就要求传感器成本低，而且适合一次性使用。小型化非本征型光纤压力传感器，含有响应速度快，灵敏度高，且不受电磁干扰优点。因为以光纤作为传感材料，其本身价格很低并含有很好生物适应性，而且光纤尺寸小，对人体造成创口也要小很多，它成本能够满足一次性使用要求。这些比传统传感器显著优势使得光纤Ｆ．Ｐ压力传感器含有很广泛应用医疗设备发展潜力。

４．１．３．３微型光纤传感器膜片制作技术现在，微电子机械系统技术已经应用到在微型传感器研制技术方面。ＭＥＭＳ是２ｌ世纪建立在微米／纳米技术基础上高新前沿技术，是能够对尺寸在微米／纳米量级材料进行设计、加工、制造和控制技术。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统、数字处理系统集成为一个整体单元微型系统ｆ４５１。这种微电子机械系统不仅能够采集、处理和发送信息或指令，还能够根据所获取信息自主地或依据外部指令采取行动。它用微电子技术和微加工技术（包含硅体微加工、硅表面微加工、ＬＩＧＡ和晶片键合等技术）相结合制造工艺，制造出多种性能优异、价格低廉、微型化传感器、实施器、驱动器和微系统１４６‘。镀膜工艺也在Ｆ．Ｐ腔传感技术中也得到了广泛应用。目前常见薄膜制备方法有以下多个：真空蒸膜、电镀、溅射、化学镀、离子镀、喷涂等。真空镀膜和化学镀则是常见于光纤Ｆ－Ｐ腔镀膜。真空镀膜是指在高真空度蒸发室内，经过加热蒸发原材料，使分子或原子从材料中气化蒸发出来，契合在固体表面，而且凝聚成固态薄膜。它含有以下优点：镀好薄膜质量好、纯度高、致密性和密度好。缺点是需要使用专门设备，而且镀膜温度较高，镀层薄脆切轻易断裂，镀膜时间较长。所以化学镀属于适宜制膜方法，不用任何电流，直接采取化学反
５．５基于银薄膜微型光纤压力传感器研究应实现薄膜沉积。含有工艺简单，常温下可操作。成本低廉等等优点，缺点是工艺较难掌握，需要对镀膜条件逐步探索，这也是本论文研究内容之一。

１．４论文研究目标和意义伴随科技发展和进步，现在部分生物医疗、能源．化

工、建筑、国防很多领域全部需要着正确实时压力检测。ＥＦＰＩ光纤压力传感器 研究方向正朝 着小型化、低成本、高灵敏度和能耐恶劣复杂外界环境方向发展。

现代计算机技术和传感技术应用和发展使生物医疗和工业建筑等领域健康状态实时监测成为现实。 本论文是在前人研究基础上，充足借鉴了她们研究结果，研究微型光纤ＥＦＰＩ压力传感器研究目标和制作方法。用简单化学方法制作出Ｐ干涉腔，一个纳米银膜，基于此薄膜设计出一个高对比度微型非本征型光纤Ｆ．

分析了腔长改变量对于干涉自由光谱范围和输出光强影响。采取优化方案确定干涉腔长度和工作点光波长，建立稳定光纤Ｆ．Ｐ压力传感测试系统。试验结果表明，该传感器结构简单，体积小，对压强响应含有合理线性度，和高灵敏度。