随着航天技术的发展,迫切需要在真空和高温环境中进行绝对压力监测。例如,当飞行器处于临近空间飞行时,飞行器表面压力的监测对评估飞行器的工作状态有重要的参考价值,此外,监测发动机尾部的燃气压力能够评估发动机的燃烧效率和健康状态^[1-2]。然而,当飞行器高速飞行时,由于摩擦产生高温、强电磁干扰,这样复杂的环境使得相关压力的测试面临很大的挑战。

光纤传感器具有耐高温、耐腐蚀、本征安全、抗电磁干扰等优点,能够在恶劣环境中实现各种物理参数的测量^[3-11]。针对压力测量,主要有迈克尔逊干涉仪^[12]、马赫-曾德尔干涉仪^[13]、EFPI^[14]等几种方案。其中,EFPI的结构天然适合压力测量,并且具有可靠性高、响应速度快、易于制造等优点^[15-17],因此,为实现高温环境下的压力测量,采用光纤EFPI压力传感器是针对性很强的一种技术途径。Gao等^[18]将两段单模光纤、空心光纤、无芯光纤依次熔接形成双FP腔结构,研制出一种温压复合传感器,压力测量范围为0～10 MPa,温度测量范围为20～800 ℃。但是,由于石英熔点较低,当温度超过800 ℃时,石英膜片变软,会导致传感器性能变差甚至损坏。

蓝宝石(Al₂O₃)熔点为2 045 ℃,在0.5～3.5 μm的波长范围内,透过率达80%,是一种良好的高温传感材料,如利用飞秒激光制备的蓝宝石光纤光栅传感器成功实现了1 800 ℃的高温温度传感^[19]。针对压力测量,一种方案是基于开腔的无膜片式蓝宝石光纤EFPI气体压力传感器^[20],利用气体折射率随压力线性变化的原理实现气体压力的测量,但是传感器的压力灵敏度受温度影响大,导致压力测量精度降低,并且只能测量气体压力。另一种方案是基于蓝宝石的直接键合工艺,制作密闭的FP腔,利用蓝宝石膜片随压力线性形变的原理实现压力的测量。文献[21-22]首次研制出蓝宝石密闭FP腔,通过反应离子刻蚀的方法在一片蓝宝石晶片中心刻蚀凹槽,与另一片表面平整的蓝宝石晶片直接键合制作成EFPI压力传感器,在常温下做了0.04～1.38 MPa压力测试后,用蓝宝石光纤拾取传感器信号,使传感器的工作温度达到1 000 ℃。国内也开展了相关研究。文献[23]利用蓝宝石的电感耦合等离子体刻蚀工艺和直接键合工艺,研制出基于蓝宝石的光纤压力传感器。文献[24]提出了蓝宝石的湿法刻蚀工艺,降低了蓝宝石刻蚀表面的粗糙度,键合得到密闭FP腔后,在1 200 ℃的高温环境下对传感器进行了0～5 MPa的压力测试。目前,研究人员已研制出用于较高压力环境下的蓝宝石压力传感器,但针对高温、真空环境下的蓝宝石绝对压力传感器鲜有报道。文献[25-27]开展了蓝宝石光纤传感器的研制及多模蓝宝石光纤的信号解调技术相关研究工作。针对压力测量,文献[28]提出了一种蓝宝石光纤气体压力传感器,采用无膜片结构,由蓝宝石光纤传输干涉信号,在1 400 ℃高温下,传感器的光学腔长随压力线性变化。文献[29]利用飞秒激光加工工艺和蓝宝石的直接键合工艺,研制出基于蓝宝石的膜片式光纤压力传感器,传感器的压力量程达到0～50 MPa,最高工作温度达到1 000 ℃。为了在真空和高温环境下测量绝对压力,需要传感器整体耐高温,并且能够温度自补偿,从而去除温度对压力测量的影响,在不同温度下准确测量绝对压力。

本文提出了一种基于蓝宝石的光纤绝对压力传感器。通过键合3片蓝宝石晶片,制作出蓝宝石压力探头,3层蓝宝石晶片构成复合FP腔结构。第一片蓝宝石晶片厚度大,其光学腔长仅与温度有关,通过监测其光学腔长实现温度的测量。压力改变时,由于感压膜片的形变,中间密封空气腔的光学腔长随之改变,通过监测其光学腔长实现压力的测量。搭建了高温绝对压力测试系统,经实验验证,该传感器可以在25～900 ℃的温度范围内测量真空环境下0～100 kPa范围内的绝对压力。

传感器的原理图及照片如图1所示。传感器由3层蓝宝石晶片组成,3片蓝宝石晶片的尺寸均为7 mm×7 mm,其中第一片蓝宝石晶片的厚度为400 μm,中间带通孔的蓝宝石晶片厚度为175 μm,第三层为蓝宝石感压膜片,厚度为100 μm,最外侧由飞秒激光粗糙化。3层晶片贴合后,形成中间的密封空气腔,如图1(a)所示,传感器存在3个反射面,构成复合FPI。第一片蓝宝石晶片厚度较大,在0～100 kPa的压力范围内几乎不发生形变,由R₁和R₂构成的FPI₁的光学腔长仅与温度有关,用来测量环境温度,而第三片蓝宝石晶片随着压力线性形变,由R₂和R₃构成的FPI₂用来测量环境压力。端面平整的单模光纤插入陶瓷插芯后,通过高温胶固定于传感器前端拾取干涉信号。

图1 传感头
Fig.1 Senser head

当压力变化时,感压膜片内外表面间存在压差,产生形变,从而引起FPI₂光学腔长的变化,通过测量其光学腔长的变化可以解调出压力信息。根据弹性力学原理,膜片外界压力变化时,中心点的形变可以表示为

式中:ω为膜片挠度; Δp为感压膜片内外表面间的压力差; E为膜片的杨氏模量; μ为膜片的泊松比; r为通孔半径。

由式(1)推导出压力灵敏度为

当膜片厚度为100 μm时,通过增大通孔半径能够提升传感器的压力灵敏度,但同时会减少晶片间的接触面积,密封腔可能出现泄漏。综合考虑,传感器的通孔半径取2.3 mm,结合蓝宝石的杨氏模量380 GPa,泊松比0.27,由式(2)计算出常温下的理论压力灵敏度为12.8 nm/kPa。

由于热光效应和热膨胀效应,当温度变化时,FPI₁光学腔长发生变化。如前文所述,FPI₁的光学腔长不随压力变化,通过监测FPI₁的光学腔长可以解调出温度信息。得到环境温度T后,可以计算出环境压力p为

式中:p₀为大气压(100 kPa); Δl₂为FPI₂的光学腔长随压力的变化,由解调系统实时监测; S_p(T)为压力灵敏度。

图2(a)为解调仪采集的传感器干涉光谱,对应的频谱如图2(b)所示,其中第一个峰值和第二个峰值分别对应FPI₂和FPI₁的干涉信号的主频位置,第三个峰值是R₁和R₃所形成干涉信号的主频位置。用两个带通滤波器分别提取FPI₁和FPI₂主频信号,分别作反傅里叶变换得到原始干涉信号,最后通过峰峰值法实时解调出两个FPI的光学腔长。基于傅里叶变换的白光干涉测量技术和峰峰值法参见文献[30-31]。

实验系统如图3所示,传感器置于马弗炉中,拾取干涉信号的单模光纤通过不锈钢管连接至压力罐,并从压力罐的光纤出口引出,连接至实验室自制的白光干涉解调仪^[30-31]。通过真空泵抽取密封系统中的空气,真空压力表测量绝对压力,一只铂铑热电偶置于传感器附近,测量环境温度。

图2 干涉光谱与频谱
Fig.2 Interference spectrum and frequency spectrum

图3 测试系统
Fig.3 The test system

控制马弗炉的温度以100 ℃为间隔,从室温升至900 ℃,每个温度点保持30 min后,以10 kPa为间隔抽取密封系统中的空气,测试FPI₂的压力响应,如图4(a)所示。由于蓝宝石的热膨胀效应,FPI₂的初始光学腔长随着温度的升高而增大,在每个温度点下,光学腔长随着压力的减小线性上升(R²>0.999)。在对应温度点的压力灵敏度如图4(b)所示,常温下的压力灵敏度为11.6 nm/kPa,与理论值12.8 nm/kPa接近,与预期一致,由于杨氏模量在高温下略微降低,传感器的压力灵敏度略微上升,故对其进行分段拟合,表示为

为准确测量绝对压力,在测得环境温度后,得到对应温度下的压力灵敏度,对压力的测量进行温度补偿。FPI₁的光学腔长仅受蓝宝石的热光效应和热膨胀效应影响,其温度响应如图5所示,即可得到环境温度为

图4 压力响应及压力灵敏度
Fig.4 Pressure response and pressure sensitivity

图5 温度响应
Fig.5 Temperature response

根据式(3)可计算出传感器所处环境的绝对压力。

根据以上标定,在300、600、900 ℃这3个温度点对传感器进行测试,结果如图6所示。3条拟合直线的相关系数R₂均大于0.99,最大误差为1.99 kPa,经过温度补偿后,传感器能够在不同温度下准确测量出绝对压力。

图6 传感器压力测试
Fig.6 Pressure test of the sensor

对传感器的压力分辨率进行测试,在大气压下,用解调仪连续采集300 s FPI₂的光学腔长,如图7所示,测量精度约为1 nm,结合常温下的压力灵敏度11.6 nm/kPa,传感器的压力分辨率为86 Pa。下一阶段将通过增加通孔孔径、降低蓝宝石感压膜片厚度等方式,进一步提高压力测量灵敏度,将测量分辨率提升到1 Pa量级,另外采用蓝宝石光纤拾取干涉信号,提高传感器的工作温度。

图7 光学腔长波动
Fig.7 Fluctuation of the optical cavity length

本文研制了一种蓝宝石EFPI光纤绝对压力传感器,将蓝宝石衬底、带通孔的蓝宝石晶片和蓝宝石感压膜片键合形成密闭的FP腔。研究结果表明,在室温和900 ℃的压力灵敏度分别为11.6 nm/kPa和13.7 nm/kPa,此时,传感器的压力分辨率达到86 Pa。利用复合FPI结构,传感器实现了压力测量的温度补偿,使其能够在900 ℃的高温下准确测量出真空环境中的绝对压力。本文所提出的压力传感器耐高温、本征安全,能够为临近空间飞行器的环境试验与测试提供技术支持。