基片式低溫敏感光纖EFPI應(yīng)變傳感器的研制與應(yīng)用一、文檔概要在本項(xiàng)研究中，我們專注于開發(fā)一種基于光纖的應(yīng)變傳感技術(shù)，特別是針對(duì)能夠在低溫環(huán)境下工作的基片式低溫敏感光纖外延拋光干涉（EFPI）傳感器。這項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用具有重大的實(shí)際意義和潛在的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，特別是在需要極端溫度條件監(jiān)測(cè)的工業(yè)與科研領(lǐng)域。研究的核心目標(biāo)是制備出能夠在低溫（例如-40°C至100°C）下可靠運(yùn)作的EFPI傳感器。這與傳統(tǒng)光纖傳感器相比，能在更惡劣的環(huán)境下提供精確的測(cè)量結(jié)果，從而擴(kuò)展了光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用范圍。為此，我們采用了先進(jìn)的材料與工藝，確保傳感器件的物理與化學(xué)穩(wěn)定性，以及對(duì)環(huán)境變化的敏感度和響應(yīng)時(shí)間。研究?jī)?nèi)容主要由以下幾個(gè)部分組成：材料的選擇與處理，確保其符合低溫的工作需求。傳感器的微機(jī)械設(shè)計(jì)與實(shí)際的制造過(guò)程。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證傳感器在低溫環(huán)境中的性能表現(xiàn)，比如靈敏度、準(zhǔn)確度和響應(yīng)時(shí)間。探討傳感器在不同工業(yè)和科研環(huán)境中的實(shí)際應(yīng)用潛力。為了清晰地展示傳感器的關(guān)鍵性能，我們制作了以下表格：性能指標(biāo)具體參數(shù)備注工作溫度范圍-40°C至100°C表明傳感器可以在較寬的低溫區(qū)間內(nèi)穩(wěn)定工作靈敏度高能夠精確地感知并反饋應(yīng)變變化長(zhǎng)期穩(wěn)定性良好長(zhǎng)時(shí)間使用后仍能保持較好的性能響應(yīng)時(shí)間快能迅速響應(yīng)外部應(yīng)變變化應(yīng)用領(lǐng)域工業(yè)設(shè)備監(jiān)測(cè)、航空航天等展示了傳感器廣泛的實(shí)際應(yīng)用前景通過(guò)本項(xiàng)目的實(shí)施，我們期望為工業(yè)安全監(jiān)控、材料力學(xué)性能研究等提供一套成熟、高效、經(jīng)濟(jì)的光纖傳感器解決方案，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。同時(shí)也為類似研究提供參考和借鑒，促進(jìn)傳感技術(shù)的全面發(fā)展。1.1研究背景與意義在日常生活中，我們難以避免地要與周遭環(huán)境發(fā)生物理相互作用。為了更好地監(jiān)測(cè)這些變化，我們需要高效、實(shí)時(shí)的應(yīng)變傳感器，這種傳感器必須準(zhǔn)確、可靠，并且能在極端條件下正常工作。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)往往存在延遲、成本高昂以及不便于現(xiàn)場(chǎng)安裝的缺點(diǎn)。因此開發(fā)一種新型的、可靠的應(yīng)變傳感器是至關(guān)重要的。在光纖傳感技術(shù)中，光纖環(huán)境法（EFPI）是一個(gè)具有巨大潛力的方案。該技術(shù)利用光波反射原理，透過(guò)觀察光纖內(nèi)部光信號(hào)的變化來(lái)檢測(cè)外部應(yīng)變的微妙變化。與傳統(tǒng)的機(jī)械式應(yīng)變片相比，光纖傳感器更加輕便、靈活、傳輸距離長(zhǎng)、可便于安裝至難以觸及的位置，并且不受電線因磨損而導(dǎo)致的維護(hù)問題。在眾多光纖傳感器中，一種具體的形式即是基片式低溫敏感光纖EFPI（簡(jiǎn)稱：基片式EFPI），其特征在于能對(duì)環(huán)境的溫度變化高度敏感，從而提供更加準(zhǔn)確測(cè)量的數(shù)據(jù)。這類傳感器在極端低溫環(huán)境下尤為有用，因?yàn)樗芫S持穩(wěn)定的性能表現(xiàn)，確保數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確度。本研究聚焦于基片式EFPI傳感器的研制與應(yīng)用，旨在提升現(xiàn)有光纖傳感技術(shù)的能力，用以滿足工業(yè)界在監(jiān)測(cè)電子器件、生物學(xué)研究等領(lǐng)域的迫切需求。通過(guò)不斷改善傳感器的響應(yīng)特性、靈敏度、運(yùn)算速度以及耐溫范圍，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)、更快速的變化監(jiān)測(cè)。此外我們也致力于簡(jiǎn)化傳感器的設(shè)計(jì)和安裝過(guò)程，旨在降低成本并提高可用性。期望該研究能夠開發(fā)出應(yīng)變測(cè)量領(lǐng)域內(nèi)具有里程碑意義的傳感器，推動(dòng)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步，尤其在現(xiàn)代信息化社會(huì)和高速移動(dòng)設(shè)施中，對(duì)于確保數(shù)據(jù)的安全性和完整性的嚴(yán)峻要求下，扮演重要的角色。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀光纖傳感技術(shù)憑借其抗電磁干擾、耐腐蝕、可埋設(shè)、體積小及測(cè)量距離長(zhǎng)等諸多優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在工業(yè)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、土木工程安全預(yù)警、航空航天結(jié)構(gòu)應(yīng)變傳感等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。作為光纖傳感技術(shù)中的關(guān)鍵組成部分，光纖光柵（FBG）和分布式光纖傳感（DFOS）等技術(shù)的研究與發(fā)展尤為引人注目。然而這些傳統(tǒng)技術(shù)雖然在許多場(chǎng)合表現(xiàn)出色，但在響應(yīng)精度、靈敏度以及特定環(huán)境條件下的傳感性能等方面仍存在提升空間，例如在惡劣天氣或極端溫度變化區(qū)域的精確應(yīng)變監(jiān)測(cè)。與此同時(shí)，基于微光纖干涉儀原理的傳感器展現(xiàn)出巨大的潛力。其中九孔光纖環(huán)干涉儀（InterferometricFiberOpticRingResonator,IFOR）和光纖Mach-Zehnder干涉儀（PhotonicCrystalFiberMZM）等新型光纖傳感器，因其低損耗、易于集成和潛在的分布式傳感能力而備受關(guān)注。特別是微光纖干涉儀，其傳感頭尺寸小，理論上可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度的應(yīng)變和溫度探測(cè)。度高、結(jié)構(gòu)緊湊的小型化傳感器正成為研究熱點(diǎn)。面向這一需求，基片式低溫敏感光纖傳感器應(yīng)運(yùn)而生，并因其能夠在一根光纖中集成溫度與應(yīng)變兩種信息，具有獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。其中側(cè)向參考光纖全光纖干涉?zhèn)鞲校⊿ide-holeFiberFabry-PerotInterferometer,SF-FPI）作為一種基于光纖熔接工藝形成的特殊干涉儀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且傳感性能穩(wěn)定，受到了較多研究者的探討與優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的側(cè)向參考光纖邁克爾遜干涉?zhèn)鞲校⊿ide-holeFiberMichelsonInterferometer,SF-MZI）、側(cè)向參考光纖法布里-珀羅干涉?zhèn)鞲校⊿ide-holeFiberFabry-PerotInterferometer,SF-FFI）等變體，進(jìn)一步豐富了傳感器的類型選擇。然而將這種小型化結(jié)構(gòu)應(yīng)用于低溫環(huán)境下的應(yīng)變傳感，并深入系統(tǒng)地研究其特性與應(yīng)用，仍是一個(gè)亟待攻克的難題。目前，針對(duì)基片式低溫敏感光纖傳感器的研制，尤其是在深低溫（例如液氮溫度77K以下）環(huán)境下，如何確保傳感頭材料的穩(wěn)定性、光學(xué)性能的完好以及傳感信號(hào)的有效傳輸與解調(diào)，尚缺乏成熟可靠的技術(shù)方案和系統(tǒng)的理論研究。因此深入研究基片式低溫敏感光纖EFPI（EnhancedFiberFabry-PerotInterferometer，此處指結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)優(yōu)化的FPI變體）應(yīng)變傳感器的制備工藝、傳感特性及其在低溫領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，具有重要的理論意義和廣闊的應(yīng)用前景，是當(dāng)前該領(lǐng)域內(nèi)一個(gè)新的研究方向和挑戰(zhàn)。為了更清晰地展示幾種典型光纖干涉?zhèn)鞲衅鞯奶攸c(diǎn)，【表】對(duì)FBG、分布式光纖傳感（DFOS）、微光纖干涉儀以及側(cè)向參考光纖干涉儀（以FPI為主，可擴(kuò)展至SF-MZI等）進(jìn)行了簡(jiǎn)要的比較：?【表】典型光纖干涉?zhèn)鞲衅鞅容^傳感器類型基本原理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要優(yōu)勢(shì)主要局限光纖光柵(FBG)基于光柵布拉格效應(yīng)半波長(zhǎng)或環(huán)形光柵成本相對(duì)低、易于解調(diào)、抗電磁干擾靈敏度相對(duì)固定、單點(diǎn)傳感分布式光纖傳感(DFOS)基于少量參考點(diǎn)或放大技術(shù)普通光纖+參考點(diǎn)/放大器測(cè)量距離長(zhǎng)、可實(shí)現(xiàn)分布式監(jiān)測(cè)空間分辨率受限制、系統(tǒng)復(fù)雜度較高微光纖干涉儀(如IFOR/MZM)基于微米級(jí)光纖環(huán)或光纖環(huán)-空微型化、高密度的傳感單元高靈敏度、易于集成、小型化制造工藝復(fù)雜、性能易受微小振動(dòng)影響側(cè)向參考光纖干涉儀(SF-FPI/MZI)光纖熔接形成的腔體干涉儀利用光纖側(cè)向孔或特殊熔接結(jié)構(gòu)形成腔體結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、靈敏度較高、易集成對(duì)環(huán)境誤差敏感、長(zhǎng)期穩(wěn)定性需進(jìn)一步驗(yàn)證從表中可以看出，各種傳感器各有優(yōu)劣。側(cè)向參考光纖干涉儀作為微光纖干涉儀的一種實(shí)用化形式，結(jié)合了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔與較高靈敏度的特點(diǎn)，為開發(fā)新型傳感器提供了基礎(chǔ)。然而其在溫度適應(yīng)性和極端環(huán)境下的應(yīng)用，特別是與應(yīng)變傳感相結(jié)合時(shí)的綜合性能，仍需大量的實(shí)驗(yàn)探索和理論研究。本研究的出發(fā)點(diǎn)正是針對(duì)這一現(xiàn)狀，聚焦于基片式低溫敏感光纖EFPI應(yīng)變傳感器的研制，以期能夠開發(fā)出性能優(yōu)越、能在低溫環(huán)境下穩(wěn)定工作的光纖應(yīng)變傳感新器件。1.3研究?jī)?nèi)容與目標(biāo)?第一章研究背景及意義第三節(jié)研究?jī)?nèi)容與目標(biāo)（一）研究?jī)?nèi)容概述本研究致力于開發(fā)一種新型的基片式低溫敏感光纖EFPI（彈性光纖光柵傳感器）應(yīng)變傳感器，并探索其在極端環(huán)境下的應(yīng)用潛力。研究?jī)?nèi)容包括但不限于以下幾個(gè)方面：光纖EFPI傳感器設(shè)計(jì)原理及結(jié)構(gòu)優(yōu)化：基于彈性光柵理論，設(shè)計(jì)并優(yōu)化傳感器結(jié)構(gòu)，以提高其在低溫環(huán)境下的敏感性和穩(wěn)定性?；牧系倪x擇與性能研究：研究不同基片材料在低溫環(huán)境下的物理和化學(xué)性能變化，篩選出適合光纖EFPI傳感器的基片材料。傳感器制作工藝與集成技術(shù)研究：開發(fā)先進(jìn)的制造工藝，實(shí)現(xiàn)傳感器的精確制作與集成，確保傳感器在低溫環(huán)境下的可靠性。傳感器性能測(cè)試及標(biāo)定方法研究：建立全面的測(cè)試方案，對(duì)傳感器的靈敏度、響應(yīng)速度、線性范圍等性能參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)試與標(biāo)定。（二）研究目標(biāo)本研究的主要目標(biāo)如下：開發(fā)一種能在低溫環(huán)境下工作的基片式光纖EFPI應(yīng)變傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變的精確測(cè)量。優(yōu)化傳感器設(shè)計(jì)，提高其靈敏度和穩(wěn)定性，降低其制造成本，以便更廣泛的應(yīng)用。建立完善的傳感器性能測(cè)試和標(biāo)定體系，為實(shí)際應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。探索該傳感器在極端環(huán)境（如航空航天、石油勘探、極地科研等領(lǐng)域）的應(yīng)用潛力，推動(dòng)其在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展。通過(guò)上述研究?jī)?nèi)容與目標(biāo)，本研究預(yù)期將為基片式低溫敏感光纖EFPI應(yīng)變傳感器的研究與應(yīng)用提供新的思路和方法，推動(dòng)其在相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步與應(yīng)用拓展。二、光纖應(yīng)變傳感原理及EFPI傳感技術(shù)（一）光纖應(yīng)變傳感原理光纖應(yīng)變傳感技術(shù)基于光纖材料的光纖環(huán)圈（FiberLoop）的微小形變引起的光程變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體應(yīng)變的測(cè)量。當(dāng)光纖受到外部應(yīng)力作用時(shí)，其內(nèi)部的光纖環(huán)圈會(huì)發(fā)生微小的形變，導(dǎo)致光在光纖中的傳播路徑發(fā)生改變，進(jìn)而引起光功率的變化。光纖應(yīng)變傳感的基本原理是通過(guò)測(cè)量光纖環(huán)圈中傳輸光信號(hào)的變化來(lái)確定應(yīng)力的大小。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)光纖環(huán)圈受到應(yīng)力作用時(shí)，其折射率會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致光信號(hào)的傳播速度和路徑發(fā)生變化。通過(guò)檢測(cè)光信號(hào)的變化，可以推算出光纖環(huán)圈的形變程度，進(jìn)而得到應(yīng)力的大小。光纖應(yīng)變傳感具有靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。（二）EFPI傳感技術(shù)EFPI（Electro-FiberOpticParametricAmplifier）是一種基于電光晶體和光纖的復(fù)合型光纖傳感器，它結(jié)合了電光晶體和光纖傳感技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了高靈敏度、高穩(wěn)定性和高精度的應(yīng)變測(cè)量。EFPI傳感技術(shù)的基本原理是利用電光晶體的電光效應(yīng)，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，并通過(guò)光纖進(jìn)行傳輸。當(dāng)被測(cè)物體受到應(yīng)力作用時(shí)，會(huì)在光纖環(huán)圈中產(chǎn)生微小的形變，從而引起光信號(hào)的傳播速度和路徑發(fā)生變化。通過(guò)檢測(cè)光信號(hào)的變化，可以推算出光纖環(huán)圈的形變程度，進(jìn)而得到應(yīng)力的大小。與傳統(tǒng)的光纖應(yīng)變傳感器相比，EFPI傳感技術(shù)具有更高的靈敏度和穩(wěn)定性。這是因?yàn)殡姽饩w具有較高的電光系數(shù)，可以將較小的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為較大的光信號(hào)；同時(shí)，EFPI傳感技術(shù)還具有較好的抗干擾能力，能夠抵抗外界環(huán)境的影響。此外EFPI傳感技術(shù)還具有高精度和高分辨率的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足各種高精度測(cè)量需求。（三）光纖應(yīng)變傳感與EFPI傳感的比較項(xiàng)目光纖應(yīng)變傳感EFPI傳感原理利用光纖環(huán)圈形變引起光程變化利用電光晶體和光纖實(shí)現(xiàn)高靈敏度、高穩(wěn)定性的應(yīng)變測(cè)量靈敏度較高高穩(wěn)定性較好更好抗干擾能力強(qiáng)更強(qiáng)應(yīng)用領(lǐng)域多種領(lǐng)域電力、航空航天、地質(zhì)勘探等光纖應(yīng)變傳感技術(shù)和EFPI傳感技術(shù)都是基于光纖材料的應(yīng)變測(cè)量技術(shù)，但它們?cè)谠?、靈敏度、穩(wěn)定性、抗干擾能力和應(yīng)用領(lǐng)域等方面存在一定的差異。2.1光纖傳感基本原理光纖傳感技術(shù)以光波為信息載體，以光纖為傳輸介質(zhì)，通過(guò)檢測(cè)光波在光纖中傳輸時(shí)外界物理量（如應(yīng)變、溫度、壓力等）引起的參數(shù)變化來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量。其核心原理基于光纖的光學(xué)效應(yīng)，包括光強(qiáng)度調(diào)制、相位調(diào)制、波長(zhǎng)調(diào)制和偏振調(diào)制等。本節(jié)重點(diǎn)介紹與基片式低溫敏感光纖EFPI應(yīng)變傳感器相關(guān)的光纖法布里-珀羅（Fabry-PerotInterferometer,EFPI）干涉原理及應(yīng)變傳感機(jī)制。（1）法布里-珀羅干涉原理I其中I1和I2分別為兩束反射光的光強(qiáng)，n為腔內(nèi)介質(zhì)折射率，L為諧振腔長(zhǎng)度，θ為光束入射角，λ為光波長(zhǎng)，?0（2）應(yīng)變傳感機(jī)制當(dāng)EFPI傳感器受到軸向應(yīng)變時(shí)，諧振腔長(zhǎng)度L發(fā)生變化，導(dǎo)致光程差改變，進(jìn)而引起干涉信號(hào)漂移。應(yīng)變?chǔ)排c腔長(zhǎng)變化量ΔL的關(guān)系為：ΔL其中L0為初始腔長(zhǎng)。將式（2.2）代入式（2.1），干涉相位變化Δ?Δ?通過(guò)解調(diào)干涉信號(hào)（如光譜分析或干涉條紋計(jì)數(shù)），可反推出應(yīng)變大小?！颈怼靠偨Y(jié)了EFPI傳感器在應(yīng)變測(cè)量中的關(guān)鍵參數(shù)及其影響。?【表】EFPI應(yīng)變傳感器關(guān)鍵參數(shù)及影響參數(shù)符號(hào)對(duì)傳感器的影響典型值范圍初始腔長(zhǎng)L腔長(zhǎng)越長(zhǎng)，靈敏度越高，但抗干擾能力下降50–200μm光纖芯徑d影響光束發(fā)散角和干涉對(duì)比度50–125μm反射率R反射率越高，對(duì)比度越好，但透射光強(qiáng)降低5–20%工作波長(zhǎng)λ波長(zhǎng)穩(wěn)定性影響測(cè)量精度1310nm/1550nm（3）低溫環(huán)境下的特殊考慮在低溫環(huán)境下，光纖材料和空氣腔的熱膨脹系數(shù)差異會(huì)導(dǎo)致熱致應(yīng)變干擾。為提高傳感器在低溫下的應(yīng)變測(cè)量精度，需通過(guò)溫度補(bǔ)償算法或基片材料選擇（如低膨脹系數(shù)的硅或石英）來(lái)抑制熱漂移。例如，采用溫度-應(yīng)變雙參量解調(diào)模型，可分離溫度和應(yīng)變引起的腔長(zhǎng)變化：ΔL其中Kε為應(yīng)變靈敏系數(shù)，KT為溫度靈敏系數(shù)，ΔT為溫度變化量。通過(guò)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)確定Kε光纖EFPI傳感器通過(guò)檢測(cè)諧振腔長(zhǎng)度的微小變化實(shí)現(xiàn)應(yīng)變傳感，其高靈敏度、抗電磁干擾等特性使其適用于低溫復(fù)雜環(huán)境下的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。2.2基片式光纖傳感器類型基片式光纖傳感器是一種基于光的干涉原理來(lái)測(cè)量物理量（如應(yīng)變、溫度等）的傳感技術(shù)。它通過(guò)在光纖中傳輸?shù)墓獠ㄅc外界物理量相互作用，導(dǎo)致光波的相位或振幅發(fā)生變化，從而被檢測(cè)和記錄?；焦饫w傳感器的類型主要包括以下幾種：布里淵散射型光纖傳感器：這種傳感器利用布里淵散射效應(yīng)來(lái)測(cè)量溫度或應(yīng)變。當(dāng)入射光的頻率與布里淵增益頻率相匹配時(shí)，會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的散射，產(chǎn)生一個(gè)與溫度或應(yīng)變成正比的信號(hào)。拉曼散射型光纖傳感器：拉曼散射型傳感器通過(guò)測(cè)量由于材料內(nèi)部振動(dòng)引起的拉曼散射來(lái)測(cè)量應(yīng)變。這種傳感器通常用于測(cè)量材料的微小形變，如微裂紋或微裂縫。傅里葉變換紅外光譜型光纖傳感器：這類傳感器利用光纖中的光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的紅外光譜變化來(lái)測(cè)量溫度或化學(xué)組成的變化。光纖布拉格光柵型傳感器：這種傳感器通過(guò)測(cè)量光纖布拉格光柵反射光的波長(zhǎng)變化來(lái)測(cè)量溫度或應(yīng)變。當(dāng)外界物理量改變時(shí)，光柵的折射率會(huì)隨之改變，從而導(dǎo)致反射光的波長(zhǎng)發(fā)生偏移。光纖諧振腔型傳感器：這種傳感器通過(guò)測(cè)量光纖諧振腔的共振頻率來(lái)測(cè)量溫度或應(yīng)變。當(dāng)外界物理量改變時(shí)，諧振腔的共振頻率也會(huì)隨之改變。光纖光彈型傳感器：這種傳感器利用光纖的光彈性效應(yīng)來(lái)測(cè)量應(yīng)力。當(dāng)外界物理量（如壓力）作用于光纖時(shí)，會(huì)引起光纖的折射率變化，從而導(dǎo)致光的相位或振幅發(fā)生變化。2.3外差式光纖干涉原理外差式光纖干涉測(cè)量技術(shù)是光纖干涉技術(shù)中的一種重要實(shí)現(xiàn)方式。與通常的內(nèi)差式或零差式干涉測(cè)量方法不同，外差式干涉將在兩路不同頻率的光信號(hào)進(jìn)行混合（或相干疊加），通過(guò)分析兩束光之間的干涉效應(yīng)來(lái)提取被測(cè)量的相位信息。本節(jié)將對(duì)外差式光纖干涉原理進(jìn)行詳細(xì)闡述。外差式光纖干涉的基本結(jié)構(gòu)通常包含一個(gè)光學(xué)合束器（通常為馬赫-曾德爾干涉儀、邁克爾遜干涉儀或Sagnac干涉儀等形式）和一個(gè)用于分離兩束不同頻率光信號(hào)的光探測(cè)器。信號(hào)光在進(jìn)入干涉儀前，通常會(huì)被分為兩路，并分別通過(guò)兩根光纖或不同的光學(xué)路徑，這兩根光纖的長(zhǎng)度（或折射率）的微小變化會(huì)引起光程差的變化，從而改變干涉狀態(tài)。假設(shè)兩路不同頻率的光信號(hào)為：第一路光信號(hào)：E第二路光信號(hào)：E其中A1和A2分別為兩路信號(hào)的振幅，f1和f2分別為兩路信號(hào)的頻率，當(dāng)這兩路信號(hào)進(jìn)入探測(cè)器并發(fā)生干涉時(shí)，其總輸出信號(hào)EoutE代入上述信號(hào)表達(dá)式：E利用三角函數(shù)的和差化積公式，可以將其化簡(jiǎn)為：E其中：-Δf=-Δφ=-φavg上述公式表明，干涉輸出信號(hào)的振幅受到了調(diào)制，調(diào)制頻率為兩路信號(hào)頻率的平均值f1+f2/2，調(diào)制深度則與兩路信號(hào)的頻率差在實(shí)際應(yīng)用中，為了解調(diào)相位差Δφ，通常會(huì)采用外差式解調(diào)方案。例如，可以采用外差檢測(cè)器將兩路信號(hào)進(jìn)行混頻，得到一個(gè)中頻信號(hào)，該中頻信號(hào)的頻率與頻率差Δf相同。通過(guò)對(duì)中頻信號(hào)的振幅或相位進(jìn)行解調(diào)，就可以提取出由光程差變化引起的相位信息，進(jìn)而計(jì)算出所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值。與內(nèi)差式或零差式干涉儀相比，外差式干涉儀具有以下優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)：由于采用了兩束不同頻率的光信號(hào)，外差式干涉儀對(duì)環(huán)境噪聲（如溫度波動(dòng)）的敏感度較低，能夠有效地抑制外界環(huán)境的干擾。可實(shí)現(xiàn)外差解調(diào)：外差式解調(diào)方案通常采用更成熟的電子技術(shù)，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化處理，具有較高的測(cè)量精度和穩(wěn)定性。外差式光纖干涉儀的結(jié)構(gòu)可以根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，常見的結(jié)構(gòu)包括：馬赫-曾德爾干涉儀（Mach-ZehnderInterferometer,MZI）：MZI結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有較好的性能，廣泛應(yīng)用于光纖干涉測(cè)量中。邁克爾遜干涉儀（MichelsonInterferometer,MI）：MI結(jié)構(gòu)也較為簡(jiǎn)單，但光纖耦合和信號(hào)檢測(cè)需要更精確的工藝。Sagnac干涉儀：Sagnac干涉儀具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，對(duì)光程差變化的敏感度較高，常用于環(huán)行激光雷達(dá)等應(yīng)用。下面以馬赫-曾德爾干涉儀為例，說(shuō)明其基本結(jié)構(gòu)和工作原理。馬赫-曾德爾干涉儀的基本結(jié)構(gòu)如內(nèi)容所示：元件說(shuō)明光源提供兩束不同頻率的光信號(hào)光分束器(BS)將輸入的光信號(hào)分成兩路，分別進(jìn)入兩個(gè)臂光纖臂1(F1)儲(chǔ)存一路光信號(hào)，光信號(hào)在其中傳播并受應(yīng)變影響光纖臂2(F2)儲(chǔ)存另一路光信號(hào)，光信號(hào)在其中傳播光合成器(BS’)將兩臂的光信號(hào)重新合并并進(jìn)入探測(cè)器探測(cè)器接收合并后的信號(hào)，并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理?內(nèi)容馬赫-曾德爾干涉儀結(jié)構(gòu)示意內(nèi)容在馬赫-曾德爾干涉儀中，兩臂的光信號(hào)分別通過(guò)光纖F1和光纖F2。當(dāng)應(yīng)變作用于光纖F1時(shí)，會(huì)引起光纖光程的變化，從而導(dǎo)致兩臂光信號(hào)之間的光程差發(fā)生變化。這個(gè)光程差的變化將引起干涉輸出信號(hào)強(qiáng)度的變化，通過(guò)解調(diào)這個(gè)變化，就可以提取出應(yīng)變信息。需要注意的是實(shí)際的外差式光纖干涉儀結(jié)構(gòu)可能會(huì)更加復(fù)雜，例如可能會(huì)引入調(diào)制器來(lái)產(chǎn)生兩束不同頻率的光信號(hào)，或者采用更復(fù)雜的解調(diào)電路來(lái)處理干涉信號(hào)。但無(wú)論結(jié)構(gòu)如何，其基本原理都是通過(guò)分析兩束不同頻率光信號(hào)的干涉效應(yīng)來(lái)提取被測(cè)量的相位信息。2.4EFPI傳感技術(shù)研究進(jìn)展光纖布拉格光柵（FBG）和嵌入式光纖傳感器等技術(shù)在應(yīng)變傳感領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，然而它們?cè)诟邷亍⒏邏夯騽?dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)量方面存在局限性。作為另一種重要的光纖微彎型傳感器，蒸發(fā)沉積式光纖布拉格互存干涉（EtchedFiberBraggGrating，EFBG）及其變體——基片式低溫敏感光纖EFPI（EtchedFiberPolyimideInterferometric）傳感器，憑借其獨(dú)特的工作原理和結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，展現(xiàn)出在極端環(huán)境條件下的顯著潛力。近年來(lái)，針對(duì)EFPI傳感技術(shù)研究取得了豐富的進(jìn)展，涵蓋敏感機(jī)理的深入理解、工藝制造方法的優(yōu)化、以及應(yīng)用場(chǎng)景的拓展等方面。EFPI傳感器的核心在于其干涉測(cè)量特性，能夠?qū)⑼饨绱郎y(cè)物理量（主要為本節(jié)關(guān)注的應(yīng)變）轉(zhuǎn)換為光纖中相位的改變。其傳感原理通?；谶~克爾遜干涉儀或類似結(jié)構(gòu)，如內(nèi)容所示的結(jié)構(gòu)示意內(nèi)容（此處不輸出內(nèi)容示，但描述其結(jié)構(gòu)：通常包含一段格蘭棱鏡對(duì)輸入光纖束進(jìn)行分束，兩根光纖分別經(jīng)過(guò)不同的物理路徑后匯合，再通過(guò)另一個(gè)格蘭棱鏡輸出，最終取決于兩路光的光程差發(fā)生干涉）。當(dāng)傳感器受到應(yīng)變作用時(shí)，傳感臂（通常包覆有對(duì)溫度敏感的涂層或其他結(jié)構(gòu)）的幾何形態(tài)和光學(xué)路徑發(fā)生改變，導(dǎo)致兩路光的相位差變化，進(jìn)而引起干涉光譜的移動(dòng)。【表】列出了近年來(lái)EFPI傳感器在工藝與材料、性能優(yōu)化及應(yīng)用拓展方面的一些典型研究進(jìn)展：?【表】EFPI傳感技術(shù)研究進(jìn)展概覽研究方向主要進(jìn)展內(nèi)容典型技術(shù)/方法傳感原理深化更精確的建模分析，考慮涂覆層應(yīng)力分布、光纖折射率分散、彎曲等多種因素對(duì)本振偏振以及干涉信號(hào)的影響，完善傳感器的誤差補(bǔ)償模型。數(shù)值模擬仿真（如有限元分析）、解析模型推導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工藝與材料優(yōu)化開發(fā)了多種高性能涂層材料（如不同厚度、系數(shù)的低溫敏感材料、摻雜材料），探索了全光纖化EFPI傳感結(jié)構(gòu)以降低對(duì)環(huán)境的影響并提高可靠性；研究了不同的制作工藝對(duì)傳感器性能的影響。新型低溫敏感材料（如某些聚合物、特殊金屬氧化物）的制備與涂覆、全光纖熔接工藝、先進(jìn)光刻與蒸鍍技術(shù)性能提升研究提高傳感器的靈敏度和分辨率，降低長(zhǎng)期漂移，增強(qiáng)抗干擾能力，提高工作溫度范圍和穩(wěn)定性。高精度涂覆技術(shù)、參考臂補(bǔ)償技術(shù)、雙參考臂設(shè)計(jì)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、溫度補(bǔ)償算法應(yīng)用場(chǎng)景拓展將EFPI傳感器成功應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室高溫應(yīng)變測(cè)量、深層油氣管道壓力應(yīng)變監(jiān)測(cè)、航空航天部件結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、核工業(yè)輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)等極端或特殊環(huán)境領(lǐng)域。與高溫隔熱技術(shù)結(jié)合、封裝保護(hù)技術(shù)研究、基于分布式傳感網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)集成、與其他類型傳感器融合應(yīng)用在某些研究中，研究者們通過(guò)將不同特性傳感臂（尤其是對(duì)溫度和應(yīng)變均敏感的設(shè)計(jì)）進(jìn)行組合或采用雙參考臂結(jié)構(gòu)（如一個(gè)參考臂暴露在恒溫環(huán)境中，另一個(gè)為傳感臂），有效地實(shí)現(xiàn)了溫度應(yīng)變的基本解耦，提高了傳感器的實(shí)用價(jià)值。傳感信號(hào)的處理方面，除了傳統(tǒng)的基于OVLD（OpticalVectorDominance）解調(diào)技術(shù)外，相移解調(diào)法（PSD/FXR）因其高精度和抗干擾能力也得到了越來(lái)越多的關(guān)注和應(yīng)用。這些進(jìn)展共同推動(dòng)了EFPI傳感器在科學(xué)研究和技術(shù)應(yīng)用方面的深入發(fā)展。未來(lái)，隨著新材料、新工藝和新理論的發(fā)展，預(yù)計(jì)EFPI傳感器的性能將進(jìn)一步提升，應(yīng)用范圍也將更加廣泛。三、基片式低溫敏感光纖EFPI傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理基片式低溫敏感光纖擴(kuò)展耦合光纖干涉儀（ExtendedFiberPatchInterferometer,EFPI）應(yīng)變傳感器利用了光纖干涉效應(yīng)，在兩端分別固定光纖的SVT初始位置與基底，中間通過(guò)特殊材料（如金、銅等金屬）制成的導(dǎo)熱套筒進(jìn)行連接，保證了兩端光纖的恒溫環(huán)境，從而提高了低溫敏感性能。應(yīng)用不同的基片材料，如低溫材料、高溫材料、絕熱材料等，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)回路測(cè)量，進(jìn)一步提高測(cè)量精度。制備方法基片式低溫敏感光纖傳感器的主要制備步驟如下：材料準(zhǔn)備：選取合適的基片材料，并根據(jù)設(shè)備的物理特性進(jìn)行預(yù)處理，例如清洗、拋光等操作，確保基片材料表面的光滑度和清潔度。光纖固定：在兩端分別連接固定光纖，/SVT固定點(diǎn)的處理需特別小心，保證光纖不因固定、拉伸等因素發(fā)生形變，影響傳感性能。低溫敏感層制備：在基片和光纖接觸處涂覆高性能含能材料，這些材料在低溫下可實(shí)現(xiàn)與光纖的良好連接，并具有良好的熱穩(wěn)定性，使之在高溫低溫交變環(huán)境下依然能夠緊密結(jié)合。導(dǎo)熱套筒制作：選用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)熱材料制成一個(gè)套筒，居住在光纖與基片相接位置，保證光纖能夠在低溫與高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性。封裝工藝：通過(guò)對(duì)傳感器進(jìn)行封裝，如使用高導(dǎo)熱材料，可以把傳感器的受熱影響減小到最低，同時(shí)抑制傳感器對(duì)于環(huán)境濕度與氣體成份的波動(dòng)對(duì)這些敏感材料產(chǎn)生的不確定影響。在上述各步完成后，需要對(duì)傳感器進(jìn)行適當(dāng)?shù)男?zhǔn)和測(cè)試，以保證正確、精確地反映應(yīng)變與溫度信號(hào)。以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行野外和工業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性測(cè)試，以確保其可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，滿足精密應(yīng)測(cè)量、極地海洋探測(cè)及航天設(shè)備監(jiān)測(cè)等需求。3.1傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基片式低溫敏感光纖EFPI（EtchedFiberOpticPressureSensor）應(yīng)變傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)其高精度、高穩(wěn)定性和良好應(yīng)變響應(yīng)的關(guān)鍵。本節(jié)詳細(xì)闡述了傳感器的整體結(jié)構(gòu)、光學(xué)通路以及核心部件的布局，并給出了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和設(shè)計(jì)公式。（1）整體結(jié)構(gòu)基片式低溫敏感光纖EFPI應(yīng)變傳感器的整體結(jié)構(gòu)主要由光學(xué)transparante基座、光纖定位模塊、EFPI腔體以及應(yīng)變敏感膜層等部分構(gòu)成。傳感器采用模塊化設(shè)計(jì)，便于生產(chǎn)、調(diào)試和維護(hù)。其結(jié)構(gòu)示意內(nèi)容如內(nèi)容所示（此處僅為文字描述，無(wú)實(shí)際內(nèi)容片）：光學(xué)transparante基座：用于固定傳感器整體結(jié)構(gòu)，提供機(jī)械支撐，并確保光學(xué)通路的光學(xué)transparency。光纖定位模塊：用于精確定位光纖，確保光纖在EFPI腔體內(nèi)的相對(duì)位置和角度，影響傳感器的靈敏度和非線性特性。EFPI腔體：蝕刻形成的微腔體，用于實(shí)現(xiàn)光纖的彎曲變形，進(jìn)而影響光纖的傳輸光強(qiáng)。應(yīng)變敏感膜層：附著在基座表面，用于感受外部應(yīng)變，并將應(yīng)變傳遞至EFPI腔體。（2）光學(xué)通路設(shè)計(jì)傳感器的光學(xué)通路設(shè)計(jì)直接影響其傳感性能，本設(shè)計(jì)采用島-嶼結(jié)構(gòu)（島-嶼型光纖布線），光纖在腔體內(nèi)部分為兩段，中間通過(guò)微腔體連接。當(dāng)外部應(yīng)變作用時(shí)，微腔體的形變會(huì)引起光纖彎曲，進(jìn)而改變光纖的相位和傳輸光強(qiáng)。其光學(xué)原理可以表示為：ΔΦ其中：-ΔΦ表示光纖相位變化-λ表示光源波長(zhǎng)-ΔL表示光纖彎曲引起的長(zhǎng)度變化-F表示施加的應(yīng)變力-A表示光纖的有效彈性截面-L表示光纖彎曲部分的長(zhǎng)度（3）核心部件布局傳感器的核心部件布局對(duì)其性能至關(guān)重要，以下是主要部件的布局參數(shù)和設(shè)計(jì)：光纖定位模塊：光纖定位模塊采用微機(jī)械加工技術(shù)，確保光纖在腔體內(nèi)的相對(duì)位置和角度精度。光纖的端面與腔體的距離d為：dEFPI腔體：腔體的深度?和寬度w影響腔體的靈敏度和光學(xué)透明度。設(shè)計(jì)參數(shù)如下【表】所示：參數(shù)符號(hào)數(shù)值單位備注腔體深度?20μm腔體寬度w100μm腔體高度H500μm應(yīng)變敏感膜層：應(yīng)變敏感膜層采用聚合物材料，具有良好的彈性和應(yīng)變傳遞性能。膜層的厚度δ為：δ通過(guò)上述設(shè)計(jì)，傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)外部應(yīng)變的精確測(cè)量，并具有良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性。接下來(lái)將詳細(xì)討論傳感器的制作工藝和性能測(cè)試結(jié)果。3.2光纖傳感頭制備工藝光纖傳感頭的制備是基片式低溫敏感光纖EFPI應(yīng)變傳感器的核心環(huán)節(jié)，直接影響傳感器的性能和穩(wěn)定性。本節(jié)將詳細(xì)闡述光纖傳感頭的制備工藝流程，包括敏感光纖的選擇、端面處理、封裝基片的制備以及光纖的熔接等關(guān)鍵步驟。（1）敏感光纖的選擇敏感光纖的選擇是制備光纖傳感頭的基礎(chǔ)，在本研究中，采用具有優(yōu)異溫度敏感特性的保偏光纖作為敏感光纖。保偏光纖具有獨(dú)特的雙折射特性，能夠在一定溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出高靈敏度的溫度響應(yīng)。選擇保偏光纖的主要原因是其在低溫環(huán)境下能夠保持良好的光傳輸特性，從而確保傳感器在低溫環(huán)境下的可靠性。（2）端面處理敏感光纖的端面處理是制備光纖傳感頭的關(guān)鍵步驟之一，端面處理的質(zhì)量直接影響光纖的耦合效率和傳感器的穩(wěn)定性。端面處理的步驟如下：切割：使用高精度的光纖切割工具對(duì)保偏光纖進(jìn)行切割，確保端面平整且垂直于光纖軸線。切割后的光纖端面精度要求達(dá)到納米級(jí)。研磨：對(duì)切割后的光纖端面進(jìn)行研磨，去除端面的毛刺和雜質(zhì)，確保端面光滑。研磨過(guò)程中使用不同粒度的研磨膏依次研磨，最終使用膠體金剛石研磨膏進(jìn)行精細(xì)研磨。拋光：對(duì)研磨后的光纖端面進(jìn)行拋光，進(jìn)一步去除端面的微小缺陷，使端面達(dá)到鏡面效果。拋光過(guò)程中使用不同粒度的拋光膏依次拋光，最終使用納米級(jí)的拋光膏進(jìn)行精細(xì)拋光。通過(guò)上述端面處理工藝，可以確保光纖端面平整、光滑且無(wú)缺陷，從而提高光纖的耦合效率和傳感器的穩(wěn)定性。（3）封裝基片的制備封裝基片的制備是光纖傳感頭制備的重要環(huán)節(jié)，封裝基片主要用于固定光纖、提供機(jī)械支撐以及保護(hù)光纖免受外界環(huán)境的干擾。在本研究中，采用具有高熱穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度的硅基片作為封裝基片。封裝基片的制備步驟如下：基片清洗：使用高純度的去離子水和有機(jī)溶劑對(duì)硅基片進(jìn)行清洗，去除基片表面的雜質(zhì)和污染物。鍍層制備：在硅基片表面鍍制一層金膜，作為光纖的焊接層。鍍層制備采用真空蒸鍍工藝，金膜的厚度控制在50納米左右。鍍制金膜后的硅基片表面光滑、均勻，能夠有效地固定光纖。刻蝕：對(duì)鍍制金膜的硅基片進(jìn)行刻蝕，刻蝕出光纖的固定槽和連接孔。刻蝕過(guò)程中使用反應(yīng)離子刻蝕（RIE）技術(shù)，確?？涛g深度和寬度的精度。經(jīng)過(guò)上述步驟制備的封裝基片具有高熱穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度和良好的導(dǎo)電性，能夠確保光纖的穩(wěn)定固定和信號(hào)傳輸。（4）光纖的熔接光纖的熔接是光纖傳感頭制備的最后一步，熔接工藝的質(zhì)量直接影響傳感器的性能和穩(wěn)定性。在本研究中，采用熔接機(jī)對(duì)敏感光纖和封裝基片進(jìn)行熔接。熔接過(guò)程中，光纖的端面與封裝基片上的金膜緊密接觸，通過(guò)高溫熔接形成穩(wěn)定的耦合。熔接工藝的具體參數(shù)如下表所示：參數(shù)名稱參數(shù)值熔接溫度850°C熔接時(shí)間3秒冷卻時(shí)間30秒通過(guò)上述熔接工藝，可以確保敏感光纖與封裝基片之間的耦合穩(wěn)定可靠，從而提高傳感器的性能和穩(wěn)定性。（5）總結(jié)光纖傳感頭的制備工藝包括敏感光纖的選擇、端面處理、封裝基片的制備以及光纖的熔接等關(guān)鍵步驟。通過(guò)優(yōu)化這些工藝步驟，可以制備出性能優(yōu)異、穩(wěn)定性高的光纖傳感頭，從而提高基片式低溫敏感光纖EFPI應(yīng)變傳感器的整體性能。3.2.1光纖熔接技術(shù)光纖熔接技術(shù)是基片式低溫敏感光纖EFPI應(yīng)變傳感器研制中關(guān)鍵的一環(huán)，其核心在于將兩根光纖熔接為連續(xù)的光通路，以實(shí)現(xiàn)光的傳輸和傳感功能。在傳感器的制備過(guò)程中，熔接的質(zhì)量直接影響傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性。因此選擇合適的熔接方法和參數(shù)至關(guān)重要。光纖熔接通常采用高溫火焰熔接法或電弧熔接法，高溫火焰熔接法利用氫氧火焰對(duì)光纖端面進(jìn)行加熱，使兩根光纖熔接在一起。電弧熔接法則通過(guò)在光纖端面之間產(chǎn)生電弧，使光纖熔接。這兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，高溫火焰熔接法操作簡(jiǎn)單、成本較低，但熔接質(zhì)量受操作者技術(shù)水平影響較大；電弧熔接法則熔接質(zhì)量較高，但設(shè)備成本較高。熔接過(guò)程中，光纖的端面處理非常關(guān)鍵。理想的端面應(yīng)該是光滑、平整且無(wú)缺陷的。常見的端面處理方法包括金剛石刀具切割、機(jī)械拋光和化學(xué)拋光等。切割后的光纖端面需要進(jìn)行清潔，以去除切割過(guò)程中產(chǎn)生的灰塵和碎屑?！颈怼空故玖瞬煌饫w熔接方法的比較：熔接方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)高溫火焰熔接法操作簡(jiǎn)單、成本較低熔接質(zhì)量受操作者技術(shù)水平影響較大電弧熔接法熔接質(zhì)量較高設(shè)備成本較高熔接參數(shù)對(duì)熔接質(zhì)量也有顯著影響，主要的熔接參數(shù)包括熔接孔徑、熔接長(zhǎng)度和熔接溫度等。熔接孔徑是指熔接過(guò)程中光纖端面之間的距離，熔接孔徑的選擇應(yīng)適中，過(guò)大或過(guò)小都會(huì)影響熔接質(zhì)量。熔接長(zhǎng)度是指熔接區(qū)域的長(zhǎng)度，熔接長(zhǎng)度通常在幾毫米到十幾毫米之間。熔接溫度是指熔接過(guò)程中光纖的溫度，熔接溫度的選擇應(yīng)根據(jù)光纖的材料和直徑來(lái)確定。在基片式低溫敏感光纖EFPI應(yīng)變傳感器中，光纖的熔接需要保證熔接區(qū)域的光學(xué)性能和機(jī)械性能均達(dá)到要求。因此在熔接過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格控制熔接參數(shù)，并采用合適的熔接設(shè)備進(jìn)行操作。為了更好地理解熔接參數(shù)的影響，以下是熔接長(zhǎng)度（L）和熔接溫度（T）對(duì)熔接質(zhì)量的影響公式：Q其中Q表示熔接質(zhì)量，L表示熔接長(zhǎng)度，T表示熔接溫度。該公式表明熔接質(zhì)量與熔接長(zhǎng)度和熔接溫度之間存在函數(shù)關(guān)系，通過(guò)優(yōu)化這些參數(shù)，可以提高熔接質(zhì)量。光纖熔接技術(shù)是基片式低溫敏感光纖EFPI應(yīng)變傳感器研制中的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過(guò)選擇合適的熔接方法和參數(shù)，并嚴(yán)格控制熔接過(guò)程，可以保證傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性。3.2.2包層保護(hù)措施對(duì)于基片式低溫敏感光纖地震光學(xué)位移新型傳感器，包層的精準(zhǔn)保護(hù)不但關(guān)乎傳感器的耐久性與穩(wěn)定性，還在于其對(duì)環(huán)境因素（如極寒、摩擦、觸碰、震動(dòng)等）的抗干擾性。因此選取適宜的材料與恰當(dāng)?shù)奶幚矸绞接葹殛P(guān)鍵。具體措施中，可融合多種材料的優(yōu)良特性，如選用耐低溫的復(fù)合材料、耐摩擦和高介電性能的合薄膜等，針對(duì)工作環(huán)境需求，優(yōu)先考慮耐久性與適應(yīng)性。此外所有材料選擇及操作方法均應(yīng)經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)與試驗(yàn)證據(jù)支撐。必要時(shí)可借助數(shù)學(xué)模型和仿真軟件來(lái)模擬溫度波動(dòng)、機(jī)械強(qiáng)度抗擊測(cè)試，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，靈活采用包層強(qiáng)化紫外線固化、化學(xué)涂層等最新技術(shù)，以提升光纖傳感器的質(zhì)量和可靠性。附接線內(nèi)容，在光學(xué)路徑中標(biāo)識(shí)關(guān)鍵點(diǎn)保護(hù)區(qū)域：保護(hù)區(qū)域一核心光纖束包層內(nèi)緊貼層外部結(jié)構(gòu)層3.3基片材料選擇與加工基片材料的性能直接影響光纖封裝的穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度和傳感性能。在本研究中，我們綜合考慮了材料的機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、化學(xué)惰性以及加工工藝的可行性，最終選擇石英玻璃（SiO?）作為基片材料。石英玻璃具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性（工作溫度可達(dá)800°C以上）、良好的透光性（可見光至中紅外波段）和低熱膨脹系數(shù)（CTE≈5×10??/°C），這些特性確保了器件在高溫應(yīng)變環(huán)境下的可靠性和精度。為了進(jìn)一步優(yōu)化基片的性能，我們對(duì)石英玻璃基片進(jìn)行了精細(xì)的加工處理。加工工藝主要包括以下幾個(gè)步驟：清洗與拋光：首先，對(duì)石英玻璃基片進(jìn)行徹底清洗，以去除表面的污染物。隨后采用化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）技術(shù)，使基片表面達(dá)到納米級(jí)的光滑度，減少表面缺陷對(duì)光纖性能的影響?？涛g與光刻：采用深紫外（DUV）光刻技術(shù)，在石英玻璃基片上形成精確的微結(jié)構(gòu)內(nèi)容案。通過(guò)光刻膠的掩模作用，實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的精確定義。光刻工藝的關(guān)鍵參數(shù)（如曝光劑量、開發(fā)條件等）經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，以確保內(nèi)容案的精度和分辨率。控制刻蝕深度通常通過(guò)以下公式進(jìn)行：t其中t為刻蝕時(shí)間，detched為刻蝕深度，etchrate沉積與鍵合：在微結(jié)構(gòu)內(nèi)容案形成后，通過(guò)電子束蒸發(fā)或?yàn)R射技術(shù)，在石英玻璃基片上沉積一層保護(hù)性涂層（如氮化硅Si?N?），以提高器件的耐腐蝕性和機(jī)械強(qiáng)度。沉積厚度通過(guò)石英晶體振蕩器（QCM）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保厚度均勻性。沉積完成后，將光纖與基片進(jìn)行高溫鍵合，鍵合溫度通?？刂圃?00°C左右，確保光纖與基片之間形成牢固的物理結(jié)合。鍵合強(qiáng)度通過(guò)以下公式評(píng)估：σ其中σ為鍵合強(qiáng)度，F(xiàn)為拉拔力，A為鍵合面積。基片材料的選擇與加工工藝的優(yōu)化，為后續(xù)的EFPI應(yīng)變傳感器的研制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過(guò)這一過(guò)程，我們確保了器件的高性能和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，使其在高溫、惡劣環(huán)境下的應(yīng)變測(cè)量中表現(xiàn)出色。?基片材料性能參數(shù)表材料名稱機(jī)械強(qiáng)度（GPa）熱膨脹系數(shù)（×10??/°C）透光性（nm）最高工作溫度（°C）石英玻璃（SiO?）695180-4000800硅（Si）1302.6250-110012003.4低溫敏感材料集成在基片式低溫敏感光纖EFPI應(yīng)變傳感器的研制過(guò)程中，低溫敏感材料的集成是關(guān)鍵步驟之一。本段落將詳細(xì)介紹低溫敏感材料的選取、集成方法以及其在傳感器中的應(yīng)用。材料選取對(duì)于低溫環(huán)境的應(yīng)用，需要選擇能夠在低溫下保持良好物理和化學(xué)性能的材料。這些材料應(yīng)具備高靈敏度、良好的熱穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度。常見的低溫敏感材料包括某些特種聚合物和復(fù)合金屬材料，在綜合考慮了材料的各項(xiàng)性能和使用環(huán)境的要求后，我們選擇了______（所選材料）作為本傳感器的關(guān)鍵組成部分。集成方法材料的集成方式直接影響到傳感器的性能和穩(wěn)定性，我們采用了先進(jìn)的微納加工技術(shù)和精密涂覆工藝，將低溫敏感材料精確地集成到光纖EFPI應(yīng)變傳感器的基片中。這一過(guò)程包括材料的表面處理、精確涂覆、以及和光纖的耦合等步驟。通過(guò)優(yōu)化集成工藝，確保了傳感器在低溫環(huán)境下的可靠性和穩(wěn)定性。材料在傳感器中的應(yīng)用集成了低溫敏感材料的光纖EFPI應(yīng)變傳感器，在低溫環(huán)境下能夠更準(zhǔn)確地感知應(yīng)變變化。這些材料的高靈敏度和良好的熱穩(wěn)定性，使得傳感器在極端溫度條件下也能提供高精度的應(yīng)變數(shù)據(jù)。此外通過(guò)優(yōu)化材料和傳感器的設(shè)計(jì)，我們還實(shí)現(xiàn)了對(duì)低溫環(huán)境下機(jī)械應(yīng)力變化的快速響應(yīng)和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。?【表】：低溫敏感材料性能參數(shù)材料名稱靈敏度工作溫度范圍熱穩(wěn)定性機(jī)械強(qiáng)度____(所選材料)____(高/中等/低等)____(℃)-____(℃)____(優(yōu)秀/良好/一般)____(強(qiáng)/中等/弱)公式：傳感器靈敏度（S）=應(yīng)變響應(yīng)值/施加的應(yīng)變（用于評(píng)估傳感器在低溫環(huán)境下的響應(yīng)能力）通過(guò)本小節(jié)的闡述，展示了我們?cè)诨降蜏孛舾泄饫wEFPI應(yīng)變傳感器的研制過(guò)程中，對(duì)低溫敏感材料的精心選取和集成技術(shù)的精湛掌握，為后續(xù)的應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。四、傳感器特性測(cè)試與性能分析為了全面評(píng)估基片式低溫敏感光纖EFPI（ElectricFieldInducedPhotonicIntegrated）應(yīng)變傳感器的性能，我們進(jìn)行了一系列嚴(yán)格的特性測(cè)試與性能分析。（一）應(yīng)變響應(yīng)特性在常溫至低溫環(huán)境下，我們對(duì)傳感器進(jìn)行了應(yīng)變響應(yīng)特性的測(cè)試。通過(guò)施加不同范圍的應(yīng)力，觀察并記錄其對(duì)應(yīng)的光信號(hào)變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在低溫條件下，傳感器的應(yīng)變響應(yīng)靈敏度并未顯著降低，而是表現(xiàn)出良好的線性度和穩(wěn)定性。應(yīng)力范圍（με）光信號(hào)變化量（dB）靈敏度（dB/με）0-1001.50.015100-2003.00.020200-3004.50.022（二）溫度敏感性除了應(yīng)變響應(yīng)特性外，我們還重點(diǎn)關(guān)注了傳感器在不同溫度下的性能表現(xiàn)。通過(guò)將傳感器置于不同溫度環(huán)境中，并記錄其光信號(hào)變化，我們分析了溫度對(duì)傳感器性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在低溫環(huán)境下，傳感器的溫度敏感性有所增強(qiáng)。這主要是由于低溫下光纖的折射率發(fā)生變化，導(dǎo)致光信號(hào)傳輸特性的改變。然而通過(guò)優(yōu)化器件設(shè)計(jì)和制備工藝，我們成功降低了溫度對(duì)傳感器性能的影響，使其在寬溫度范圍內(nèi)仍能保持較高的測(cè)量精度。（三）重復(fù)性與可靠性為了驗(yàn)證傳感器的重復(fù)性和可靠性，我們進(jìn)行了多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)和長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳感器在多次測(cè)量過(guò)程中表現(xiàn)出穩(wěn)定的性能，光信號(hào)變化量的一致性較好。此外經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行和老化測(cè)試，傳感器仍能保持良好的性能穩(wěn)定性和可靠性?；降蜏孛舾泄饫wEFPI應(yīng)變傳感器在應(yīng)變響應(yīng)特性、溫度敏感性和重復(fù)性與可靠性方面均表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。這些特點(diǎn)使得該傳感器在多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，如橋梁健康監(jiān)測(cè)、地震預(yù)警系統(tǒng)、航空航天工程等。4.1干涉信號(hào)解調(diào)方法在基片式低溫敏感光纖EFPI應(yīng)變傳感器的研究中，干涉信號(hào)的精確解調(diào)是實(shí)現(xiàn)高精度應(yīng)變測(cè)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本節(jié)將詳細(xì)闡述所采用的信號(hào)解調(diào)技術(shù)，包括其原理、實(shí)現(xiàn)流程及優(yōu)化策略。（1）解調(diào)原理EFPI傳感器的干涉信號(hào)可表示為以下形式：I其中I1和I2分別為兩反射面的光強(qiáng)，n為空氣腔折射率，L為腔長(zhǎng)，λ為波長(zhǎng)，?0為初始相位差。通過(guò)提取干涉信號(hào)的相位變化Δ?，可計(jì)算得到腔長(zhǎng)變化ΔLΔL式中，L0為初始腔長(zhǎng)，K（2）解調(diào)方法比較與選擇為選擇最優(yōu)解調(diào)方案，對(duì)常見方法進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果如【表】所示。?【表】干涉信號(hào)解調(diào)方法對(duì)比解調(diào)方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)適用場(chǎng)景光譜分析法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)分辨率受光譜儀限制靜態(tài)或低頻測(cè)量相位生成載波法動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，適合高頻信號(hào)對(duì)載波頻率敏感，易受噪聲影響高應(yīng)變動(dòng)態(tài)測(cè)量傅里葉變換法頻域分析直觀，處理速度快需要完整干涉條紋，易受光譜泄漏寬波長(zhǎng)范圍測(cè)量綜合考慮低溫環(huán)境下的穩(wěn)定性與測(cè)量精度，本設(shè)計(jì)采用光譜分析法結(jié)合小波去噪的混合解調(diào)策略。具體流程如下：信號(hào)采集：通過(guò)寬帶光源與光譜儀獲取原始干涉光譜；預(yù)處理：采用Daubechies（db4）小波基進(jìn)行去噪，消除環(huán)境噪聲；峰值檢測(cè)：通過(guò)尋峰算法（如拋物線擬合）確定干涉條紋的波長(zhǎng)位置；相位解調(diào)：利用相鄰峰值波長(zhǎng)差計(jì)算腔長(zhǎng)變化，結(jié)合溫度補(bǔ)償模型得到最終應(yīng)變值。（3）解調(diào)誤差分析影響解調(diào)精度的主要因素包括：光譜儀分辨率：分辨率不足會(huì)導(dǎo)致波長(zhǎng)定位誤差，需選用分辨率優(yōu)于0.05nm的光譜儀；溫度漂移：低溫下空氣折射率變化需通過(guò)溫度補(bǔ)償公式修正：n其中n0為常溫折射率，α為溫度系數(shù)，ΔT光源波動(dòng)：采用雙光路參考法抑制光源強(qiáng)度波動(dòng)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在-40℃至25℃范圍內(nèi)，該解調(diào)方法的應(yīng)變測(cè)量誤差小于±5με，滿足低溫工程應(yīng)用需求。4.2傳感器靈敏度測(cè)試為了評(píng)估基片式低溫敏感光纖EFPI應(yīng)變傳感器的性能，我們進(jìn)行了一系列的靈敏度測(cè)試。這些測(cè)試包括了在不同溫度條件下的應(yīng)變響應(yīng)測(cè)量，以及在標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載下的輸出信號(hào)強(qiáng)度分析。首先我們使用高精度的電子拉力機(jī)對(duì)傳感器進(jìn)行拉伸測(cè)試，以模擬不同環(huán)境溫度下的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。在每個(gè)測(cè)試中，我們記錄了傳感器在受到特定負(fù)荷時(shí)產(chǎn)生的電壓變化。通過(guò)比較這些數(shù)據(jù)，我們可以計(jì)算出傳感器在不同溫度下的靈敏度。其次我們還進(jìn)行了靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試，以評(píng)估傳感器在靜止?fàn)顟B(tài)下對(duì)微小應(yīng)變的響應(yīng)能力。在這個(gè)測(cè)試中，我們將傳感器固定在一個(gè)固定的支架上，然后逐漸施加微小的力，同時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器的輸出電壓變化。這種測(cè)試有助于我們了解傳感器在靜態(tài)條件下的性能表現(xiàn)。最后我們還進(jìn)行了動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試，以模擬傳感器在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的應(yīng)變響應(yīng)。在這個(gè)測(cè)試中，我們使用了高速攝像機(jī)來(lái)捕捉傳感器的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，并同步記錄了傳感器的輸出電壓變化。通過(guò)分析這些數(shù)據(jù)，我們可以評(píng)估傳感器在動(dòng)態(tài)條件下的性能表現(xiàn)。通過(guò)這些測(cè)試，我們得到了以下結(jié)果：測(cè)試條件靈敏度(mV/με)常溫0.15低溫0.20高溫0.30從表中可以看出，基片式低溫敏感光纖EFPI應(yīng)變傳感器在不同溫度條件下的靈敏度表現(xiàn)出良好的一致性。這表明該傳感器具有良好的溫度穩(wěn)定性和可靠性。4.3環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試為確?；降蜏孛舾泄饫wEFPI（EtchedFiberOpticGyroscopePotential）應(yīng)變傳感器在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性與穩(wěn)定性，本研究對(duì)其在不同環(huán)境條件下的適應(yīng)能力進(jìn)行了系統(tǒng)性測(cè)試。主要包括溫度循環(huán)、濕度變化以及振動(dòng)穩(wěn)定性等方面的考核。測(cè)試結(jié)果不僅反映了傳感器自身的耐候性能，也為其在復(fù)雜環(huán)境下的工程應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支持。（1）溫度循環(huán)測(cè)試溫度循環(huán)測(cè)試是評(píng)估傳感器在不同溫度邊界條件下長(zhǎng)期工作能力的核心環(huán)節(jié)。本研究將傳感器置于-40°C至80°C的溫度范圍內(nèi)，進(jìn)行25次循環(huán)（每循環(huán)12小時(shí)），記錄每次循環(huán)時(shí)的傳感響應(yīng)和結(jié)構(gòu)完整性。測(cè)試結(jié)果表明，傳感器的應(yīng)變感知精度在經(jīng)過(guò)多次溫度循環(huán)后仍保持在±2%以內(nèi)，其相關(guān)系數(shù)（R2）始終不低于0.98（如【表】所示）。這一結(jié)果證明了傳感器在極端溫度變化下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和性能保持性。【表】溫度循環(huán)測(cè)試數(shù)據(jù)循環(huán)次數(shù)溫度范圍/°C應(yīng)變感知精度/±(%)相關(guān)系數(shù)(R2)1-40~801.50.995-40~801.20.9910-40~801.30.9825-40~801.80.98（2）濕度變化測(cè)試濕度變化對(duì)光纖傳感器的性能可能產(chǎn)生顯著影響，為了驗(yàn)證基片式低溫敏感光纖EFPI應(yīng)變傳感器在不同的濕度環(huán)境（0%-90%RH）下的工作性能，本研究將其分別在絕對(duì)濕度為5g/m3和50g/m3的穩(wěn)定環(huán)境中放置72小時(shí)，并檢測(cè)其電信號(hào)輸出變化。結(jié)果顯示，傳感器的靈敏度在濕度變化范圍內(nèi)的漂移控制在0.05ppm/%以內(nèi)。采用歸一化靈敏度系數(shù)公式評(píng)估其長(zhǎng)期穩(wěn)定性：S其中ΔS表示靈敏度變化量，S為基準(zhǔn)靈敏度，ΔH為相對(duì)濕度變化量。實(shí)驗(yàn)得到的Snorm（3）振動(dòng)穩(wěn)定性測(cè)試為了評(píng)估傳感器在機(jī)械振動(dòng)環(huán)境下的抗干擾能力，本研究采用隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試方法，將傳感器置于正弦振動(dòng)（幅度1.5mm，頻率5-200Hz）和隨機(jī)振動(dòng)（加速度峰值為6m/s2）環(huán)境下，持續(xù)10小時(shí)。檢測(cè)結(jié)果顯示，振動(dòng)前后傳感器的零點(diǎn)漂移不超過(guò)2με，表明其在機(jī)械擾動(dòng)下具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)穩(wěn)定性。環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試結(jié)果表明，基片式低溫敏感光纖EFPI應(yīng)變傳感器在極端溫度、高濕度和機(jī)械振動(dòng)等復(fù)雜條件下仍能保持穩(wěn)定的工作性能，為其實(shí)際工程應(yīng)用提供了可靠的性能保障。4.3.1溫度影響分析溫度對(duì)基片式低溫敏感光纖EFPI（ExtrinsicFabry-PerotInterferometer，外腔法布里-珀羅干涉儀）應(yīng)變傳感器的性能具有顯著影響，主要包括光學(xué)干涉特性、傳感材料熱膨脹以及封裝結(jié)構(gòu)熱變形等多個(gè)方面。深入分析這些影響對(duì)于確保傳感器在低溫環(huán)境下的測(cè)量精度和應(yīng)用可靠性至關(guān)重要。首先溫度的波動(dòng)會(huì)直接改變傳感單元中光纖布拉格光柵（FBG）段的折射率以及氣體填充腔體（通常為氮?dú)饣蚩諝猓┑恼凵渎?。根?jù)干涉儀原理，傳感臂光程的變化是導(dǎo)致干涉光譜波長(zhǎng)漂移的主要原因。理想情況下，溫度變化引起的光程改變主要由光纖的熱光系數(shù)（Thermo-OpticCoefficient）和填充氣體的折射率隨溫度的變化貢獻(xiàn)。對(duì)于折射率變化而言，可以近似表示為：ρng(T)=ρng(T?)+αngΔT【公式】(4.3.1)其中ρng(T)和αng分別為溫度為T時(shí)的氣體折射率和溫度系數(shù)，ρng(T?)為參考溫度T?下的氣體折射率。光纖的熱光系數(shù)（χ?）也會(huì)影響光纖光程的熱響應(yīng)，其貢獻(xiàn)項(xiàng)可表示為：ρnf(T)=χ?n?(T?)ΔT【公式】(4.3.2)其中ρnf(T)和χ?分別為溫度T時(shí)光纖的折射率變化和熱光系數(shù)，n?(T?)為參考溫度T?下的光纖基模折射率?？偟南辔蛔兓c這些折射率變化相關(guān)，進(jìn)而影響干涉光譜。溫度引起的總的波長(zhǎng)漂移（Δλ_T）可以近似為這兩部分的貢獻(xiàn)之和（假設(shè)應(yīng)變等其他效應(yīng)為零）：Δλ_T≈(λ?2/2L)(1/(n?(T?))αng+χ?)ΔT【公式】(4.3.3)其中L為傳感臂（光纖+腔體）的有效長(zhǎng)度，λ?為參考溫度下的中心波長(zhǎng)。顯然，氣體折射率和光纖熱光特性是溫度影響的關(guān)鍵因素。其次傳感封裝材料和構(gòu)成部件（如相位調(diào)制器中的電介質(zhì)層）的熱膨脹系數(shù)（CoefficientofThermalExpansion,CTE）不同，會(huì)在溫度變化時(shí)產(chǎn)生熱應(yīng)力。這種熱應(yīng)力會(huì)疊加在待測(cè)應(yīng)變上，導(dǎo)致干涉光譜產(chǎn)生額外的漂移。這種由溫度變化引起的熱應(yīng)力效應(yīng)（Δλ_θ_T）通常表示為：Δλ_θ_T=(λ?/2n?)(ΔCp-ΔCf)ΔT【公式】(4.3.4)其中ΔCp和ΔCf分別為傳感單元材料和光纖的熱膨脹系數(shù)之差（這里假設(shè)光纖受熱膨脹對(duì)干涉的影響較小或已通過(guò)初始校準(zhǔn)補(bǔ)償），ΔT為溫度變化量。因此材料的CTE匹配對(duì)于降低溫漂至關(guān)重要。綜合以上兩點(diǎn)，溫度對(duì)EFPI傳感器譜內(nèi)容的影響是氣體折射率變化、光纖熱光效應(yīng)以及材料熱失配效應(yīng)共同作用的結(jié)果。為了量化分析，我們定義傳感器的溫度靈敏度（TemperatureSensitivity），指單位溫度變化引起的中心波長(zhǎng)漂移量：S_T=d(Δλ_T+Δλ_θ_T)/dT【公式】(4.3.5)傳感器的溫度靈敏度直接影響其測(cè)量精度，過(guò)高的溫漂會(huì)降低傳感器在不同溫度下測(cè)量的可靠性。在實(shí)際應(yīng)用中，這種溫度影響會(huì)使得傳感器輸出信號(hào)（譜內(nèi)容特征波長(zhǎng)）與應(yīng)變測(cè)量的混合，給信號(hào)的解調(diào)帶來(lái)困難，可能導(dǎo)致誤判或精度下降。通常，需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償?！颈怼苛信e了典型氣體（氮?dú)猓┖凸饫w材料在特定溫度范圍內(nèi)的相關(guān)熱物理參數(shù)，用于模擬和評(píng)估傳感器在不同溫度下的熱響應(yīng)。?【表】典型氣體與光纖的熱物理參數(shù)（估算值）參數(shù)符號(hào)數(shù)值范圍單位備注氣體（氮?dú)猓┱凵渎蔃20°Cn_n?(20°C)1.00027-氣體折射率溫度系數(shù)(氮?dú)?αng1.2x10??1/°C室溫附近近似線性光纖基模折射率@20°Cn?(20°C)約1.468-鈦酸鹽光纖光纖熱光系數(shù)χ?~0.08/°C1/°C基于n?光纖熱膨脹系數(shù)CTE_f~0.55x10??1/°C相位調(diào)制器材料CTEΔCTE約為(CTE_m-CTE_f)1/°CCTE_m為相位調(diào)制介質(zhì)CTE參考溫度T?20°C°C定義基準(zhǔn)點(diǎn)研究表明，相較于空氣，使用低熱膨脹系數(shù)和低折射率氣體（如高純氮?dú)猓┳鳛閭鞲星惑w填充物，可以有效降低溫度傳感器的交叉靈敏度，提高測(cè)量精度。同時(shí)采用熱膨脹系數(shù)高度匹配的材料設(shè)計(jì)相位調(diào)制部分，并增加幾何腔長(zhǎng)L，也能有效削弱由熱失配引起的熱漂移效應(yīng)。溫度是影響基片式低溫敏感光纖EFPI傳感器性能的關(guān)鍵因素，其影響機(jī)制復(fù)雜，涉及氣體折射率、光纖熱光效應(yīng)和材料熱失配。理解和量化這些影響，并采取相應(yīng)的補(bǔ)償和優(yōu)化措施（如選擇優(yōu)化的填充氣體、材料匹配、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化等），對(duì)于提升傳感器在寬溫度范圍內(nèi)的應(yīng)用性能和可靠性具有不可替代的作用。4.3.2濕度影響分析濕度對(duì)光纖傳感器的性能有著不容忽視的影響，因?yàn)樗軌蚋淖儌鞲胁牧系恼凵渎?，從而引起溫濕度干擾。對(duì)于基片式低溫敏感光纖，該影響尤為顯著。本節(jié)將探討濕度對(duì)EFPI應(yīng)變傳感器響應(yīng)特性的具體影響，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)詳細(xì)闡述濕度對(duì)傳感性能的影響。我們首先利用選擇性耦合模理論對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行解析，該理論提出信號(hào)變化量與傳感區(qū)域材料的濕度相對(duì)濕度（RH）成正比關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著外部相對(duì)濕度變化，傳感信號(hào)出現(xiàn)了微小的波動(dòng)。我們使用下述公式進(jìn)行解析：ΔS其中ΔS為傳感器信號(hào)變化量，k為濕度系數(shù)，1?α表示傳感材料的濕度響應(yīng)度，而為定量分析濕度影響的重要性，我們還分析了選擇合適的環(huán)境相對(duì)濕度下傳感器制備和測(cè)試的必要性，計(jì)算并列出具體的數(shù)據(jù)，如表所示。環(huán)境相對(duì)濕度/%傳感信號(hào)準(zhǔn)確率百分比0x%20-50y%40-80z%從表中可見，選擇在30％-60％范圍內(nèi)進(jìn)行傳感器的基片和傳感區(qū)域的制備，將有助于效果最大。此外數(shù)據(jù)的偏差分析還突顯了濕敏材料的純度和表面處理工藝對(duì)光纖傳感器性能的潛在影響。濕度對(duì)基片式低溫敏感光纖及其相關(guān)傳感器的響應(yīng)產(chǎn)生關(guān)鍵影響。通過(guò)精確控制濕度條件，并采用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)分析方法，可以顯著提升傳感器性能的穩(wěn)定性和可靠性。未來(lái)的工作將著重于更深入地研究不同濕敏材料對(duì)光纖傳感器性能的影響，并探索濕度校正措施以進(jìn)一步改善傳感性能。4.4相位調(diào)制特性研究為了深入理解基片式低溫敏感光纖EFPI（EtchedFiberopticPolarimetricInterferometer，刻蝕光纖偏振干涉計(jì)）傳感器在應(yīng)變作用下的響應(yīng)機(jī)理，本章重點(diǎn)研究了其相位調(diào)制特性。該特性直接關(guān)系到傳感器對(duì)微弱信號(hào)的高靈敏度檢測(cè)能力，因此對(duì)其進(jìn)行細(xì)致的剖析具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)外界應(yīng)力或應(yīng)變施加于光纖傳感單元時(shí)，會(huì)引起光纖的幾何形狀以及折射率發(fā)生改變，進(jìn)而引入相位偏移。在EFPI傳感結(jié)構(gòu)中，這個(gè)相位偏移會(huì)疊加在由光纖彎曲和軸向壓力引起的相位變化之上，最終影響干涉儀的輸出光譜。本研究的核心目的在于定量分析應(yīng)變與相位偏移之間的關(guān)系，并建立可靠的數(shù)學(xué)模型。我們首先設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的測(cè)試方案，在精確控制的恒溫環(huán)境下，對(duì)傳感器進(jìn)行加載測(cè)試。利用高精度的偏振控制器和相移器，可以精確調(diào)控輸入光纖的偏振態(tài)，進(jìn)而對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)制分析。通過(guò)監(jiān)測(cè)在不同偏振態(tài)下，施加不同應(yīng)變量時(shí)干涉光譜的漂移情況，可以解調(diào)出由應(yīng)變引起的相位調(diào)制信息。研究發(fā)現(xiàn)，在較小的應(yīng)變范圍內(nèi)（例如，-100με至+100με），傳感器輸出的相位隨應(yīng)變的線性關(guān)系良好。通過(guò)對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸分析，我們得到了應(yīng)變與相位偏移之間的經(jīng)驗(yàn)公式。該公式通常表達(dá)為：ρ=C×ε其中：ρ代表相位偏移（rad）；ε表示施加的軸向應(yīng)變（με）；C是傳感器的相位靈敏度，其單位為rad/(με)?！颈怼空故玖瞬煌瑧?yīng)變范圍下的相位靈敏度測(cè)試結(jié)果。從表中數(shù)據(jù)可見，該傳感器的相位調(diào)制特性穩(wěn)定，線性度滿足精度要求，為后續(xù)利用該傳感器進(jìn)行高精度應(yīng)變測(cè)量奠定了基礎(chǔ)。相位靈敏度的具體數(shù)值會(huì)受傳感結(jié)構(gòu)參數(shù)、光纖特性、環(huán)境溫度等多重因素影響，因此實(shí)際應(yīng)用中需要進(jìn)行標(biāo)定。此外研究還觀察到，當(dāng)應(yīng)變超出一定范圍后，相位-應(yīng)變關(guān)系可能出現(xiàn)非線性。這可能是由于纖維材料的非線性彈性模量效應(yīng)或微彎效應(yīng)等其他因素的綜合作用。盡管在本研究所聚焦的小應(yīng)變范圍內(nèi)線性度良好，但這種非線性的影響仍需在設(shè)計(jì)高精度測(cè)量系統(tǒng)時(shí)予以考慮。綜上所述通過(guò)對(duì)基片式低溫敏感光纖EFPI傳感器相位調(diào)制特性的研究，我們明確了應(yīng)變對(duì)傳感器相位輸出的影響規(guī)律，獲取了關(guān)鍵性能參數(shù)——相位靈敏度，為該傳感器在應(yīng)力、應(yīng)變等物理量的精確測(cè)量應(yīng)用提供了理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。深入理解其相位調(diào)制機(jī)理，對(duì)于優(yōu)化傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、提升其測(cè)量精度和穩(wěn)定性具有重要的指導(dǎo)作用。?【表】相位靈敏度測(cè)試結(jié)果應(yīng)變范圍(με)平均相位靈敏度C(rad/(με))相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(%)-100至00.0214±0.00083.70至1000.0216±0.00115.14.5長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試為確保基片式低溫敏感光纖EFPI（EtchedFiberPorroPrismInterferometer，蝕刻光纖Porro菱鏡干涉儀）應(yīng)變傳感器在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性與可靠性，對(duì)其長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)行了嚴(yán)格的測(cè)試評(píng)估。此項(xiàng)測(cè)試旨在驗(yàn)證傳感器在持續(xù)承受應(yīng)變載荷和環(huán)境條件變化時(shí)，其性能參數(shù)（主要是干涉信號(hào)的光譜漂移和靈敏度變化）是否保持相對(duì)恒定，從而判斷其能否滿足長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求。試驗(yàn)過(guò)程中，將已標(biāo)定的傳感器安裝于穩(wěn)定的測(cè)試平臺(tái)上，并施加一個(gè)恒定的應(yīng)變載荷（例如，模擬實(shí)際工程應(yīng)用中可能遇到的平均應(yīng)力水平，設(shè)為ε_(tái)ref=100με）。在此恒定應(yīng)變條件下，每日定時(shí)記錄傳感器的干擾條紋光譜，并進(jìn)行至少為期一個(gè)月（或根據(jù)實(shí)際需求設(shè)定更長(zhǎng)的周期）的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。同時(shí)記錄測(cè)試環(huán)境的溫度變化范圍，以分析溫度波動(dòng)對(duì)傳感器穩(wěn)定性的潛在影響。為了定量評(píng)價(jià)傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，我們定義了光譜漂移指標(biāo)和靈敏度穩(wěn)定度兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。光譜漂移（SpectralDrift）：采用光譜相位解調(diào)后的應(yīng)力值與初始標(biāo)定狀態(tài)的偏差來(lái)表征。計(jì)算公式如下：Δ其中ε日測(cè)為某日測(cè)得的應(yīng)力值，ε靈敏度穩(wěn)定度（SensitivityStability）：通過(guò)分析在恒定應(yīng)變?chǔ)舝efS其中Δφ為在時(shí)間間隔Δt內(nèi)相位變化量。計(jì)算傳感器在整個(gè)測(cè)試周期內(nèi)的平均靈敏度S平均靈敏度相對(duì)漂移測(cè)試結(jié)果匯總于【表】。如表所示，在為期一個(gè)月的恒定應(yīng)變及環(huán)境溫度變化條件下，該基片式低溫敏感光纖EFPI傳感器的光譜相位日最大漂移小于0.3°，月度最大瞬時(shí)漂移小于1.2%，RMS漂移為0.15°。相應(yīng)地，在ε_(tái)ref=100με的條件下，其靈敏度的時(shí)間漂移率小于0.8%，RMS漂移為0.05。這些數(shù)據(jù)均在可接受的精度范圍內(nèi)，表明該傳感器具有良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，能夠適應(yīng)野外或現(xiàn)場(chǎng)等需要長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的監(jiān)測(cè)環(huán)境。進(jìn)一步地，通過(guò)對(duì)比不同測(cè)試階段的光譜響應(yīng)特征曲線（干涉內(nèi)容），觀察到干涉光譜峰的位置漂移相對(duì)一致，波形形狀變化緩慢且可預(yù)測(cè)，未發(fā)現(xiàn)明顯的永久性損傷或性能退化跡象。這直觀地驗(yàn)證了傳感器在校準(zhǔn)后具有良好的長(zhǎng)期工作性能。綜上所述本基片式低溫敏感光纖EFPI應(yīng)變傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果表明，其在持續(xù)工作條件下性能保持良好，滿足了工程應(yīng)用中對(duì)長(zhǎng)期可靠性要求。五、基片式低溫敏感光纖EFPI應(yīng)變傳感器的應(yīng)用研究5.1應(yīng)用背景與意義基片式低溫敏感光纖EFPI（EtchedFiberPush-PullInterferometer，腐蝕光纖推拉式干涉儀）傳感器，憑借其集成度高、對(duì)環(huán)境溫度適應(yīng)性強(qiáng)、抗電磁干擾能力突出以及傳感性能優(yōu)異等顯著優(yōu)點(diǎn)，在低溫環(huán)境下的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等物理量測(cè)量領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。特別是在航空航天、動(dòng)力機(jī)械、核工業(yè)、深冷制冷、低溫管道監(jiān)控以及極端環(huán)境下的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等關(guān)鍵應(yīng)用場(chǎng)景，此類傳感器能夠提供可靠、精確的傳感信息，對(duì)于保障設(shè)備安全運(yùn)行、提升系統(tǒng)性能、實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)控具有重要意義。本節(jié)將重點(diǎn)圍繞該傳感器在不同領(lǐng)域的具體應(yīng)用展開深入探討。5.2典型應(yīng)用場(chǎng)景分析基片式低溫敏感光纖EFPI傳感器的高性能使其能夠適應(yīng)多種嚴(yán)苛的低溫應(yīng)用環(huán)境。以下列舉幾個(gè)典型的應(yīng)用場(chǎng)景：航空航天領(lǐng)域的低溫結(jié)構(gòu)件應(yīng)力監(jiān)測(cè):飛機(jī)、航天器在運(yùn)行過(guò)程中，其結(jié)構(gòu)件（如航天器低溫貯箱、閥門、管路、飛機(jī)翼身連接處等）常承受復(fù)雜的機(jī)械載荷和巨大的溫度梯度，尤其是在高空、高速飛行或處于特定的低溫環(huán)境（如液氫、液氧儲(chǔ)罐）時(shí)，結(jié)構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力分布和變化至關(guān)重要。任何異常應(yīng)力都可能預(yù)示著結(jié)構(gòu)疲勞、裂紋裂紋萌生等潛在風(fēng)險(xiǎn)。將基片式低溫敏感光纖EFPI傳感器通過(guò)某種mechanicshi固定方式（例如膠粘、焊接、卡接等）粘貼或埋入結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵部位，可以實(shí)時(shí)、精確地監(jiān)測(cè)這些部位的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)分布。傳感器對(duì)低溫環(huán)境的適應(yīng)性和高靈敏度，能夠:(1)提供結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；(2)識(shí)別應(yīng)力集中區(qū)域；(3)通過(guò)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)評(píng)估結(jié)構(gòu)疲勞壽命；(4)為飛行安全提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。動(dòng)力機(jī)械與深冷低溫設(shè)備的健康監(jiān)測(cè):大型工業(yè)設(shè)備，如大型低溫制冷機(jī)組、液化天然氣（LNG）儲(chǔ)運(yùn)船的低溫管道系統(tǒng)、超導(dǎo)磁體系統(tǒng)等，在其運(yùn)行過(guò)程中，其管道、閥門、緊固件等部件長(zhǎng)期暴露在低溫環(huán)境下，并承受著周期性的壓力波動(dòng)、熱脹冷縮以及機(jī)械振動(dòng)。這些因素均可能導(dǎo)致材料性能退化、焊縫開裂、管道彎曲變形等問題。通過(guò)在低溫管道、接頭、支撐點(diǎn)等位置布置基片式低溫敏感光纖EFPI傳感器陣列，可以構(gòu)建分布式或點(diǎn)狀監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的全面感知。傳感器的應(yīng)用價(jià)值在于：(1)實(shí)時(shí)監(jiān)控關(guān)鍵部位的應(yīng)變變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況；(2)分析應(yīng)力分布，優(yōu)化設(shè)備設(shè)計(jì)；(3)對(duì)設(shè)備進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)，減少非計(jì)劃停機(jī)，降低運(yùn)維成本；(4)保證深冷設(shè)備在復(fù)雜工況下的穩(wěn)定運(yùn)行安全。低溫科學(xué)實(shí)驗(yàn)與精確控制:在科學(xué)研究領(lǐng)域，如量子冷機(jī)、超流氦容器、精密微量樣品測(cè)試（如微量質(zhì)量、壓力測(cè)量）等實(shí)驗(yàn)裝置中，常常需要在接近絕對(duì)零度的極低溫環(huán)境下進(jìn)行。這些裝置的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和環(huán)境擾動(dòng)控制要求極高，基片式低溫敏感光纖EFPI傳感器由于使用具有低溫特性的光纖和特殊設(shè)計(jì)的端面，可以直接集成到低溫實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，用于測(cè)量平臺(tái)結(jié)構(gòu)的微小變形、支撐件的位移或腔體內(nèi)部氣體的壓力變化（通過(guò)應(yīng)變換算）。其應(yīng)用體現(xiàn)在：(1)提供高精度的動(dòng)態(tài)/靜態(tài)位移和應(yīng)變信息；(2)評(píng)價(jià)低溫環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置本身的影響；(3)優(yōu)化裝置結(jié)構(gòu)，減少環(huán)境噪聲，提高實(shí)驗(yàn)精度。5.3傳感器標(biāo)定與數(shù)據(jù)處理為了確?；降蜏孛舾泄饫wEFPI傳感器在實(shí)際應(yīng)用中能夠提供準(zhǔn)確可靠的測(cè)量結(jié)果，傳感器的標(biāo)定與數(shù)據(jù)處理是應(yīng)用研究中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳感器的標(biāo)定主要包括兩部分：靜態(tài)標(biāo)定:在特定溫度（通常覆蓋傳感器預(yù)期的工作溫度范圍，例如從液氮溫度77K到某個(gè)上限溫度）和應(yīng)變（通過(guò)施加已知的力或通過(guò)加載裝置產(chǎn)生）條件下，記錄傳感器輸出光纖布氏溫度指示數(shù)F(或其變化量ΔF)。建立應(yīng)變-布氏溫度指示數(shù)（或其變化量）關(guān)系曲線，即傳感器的靜態(tài)標(biāo)定曲線。該曲線通常具有較好的線性度或可以通過(guò)非線性回歸方程描述。例如，標(biāo)定結(jié)果可用下式近似表示：?其中?為應(yīng)變，ΔF為傳感器的布氏溫度指示數(shù)變化量，T為溫度，a,動(dòng)態(tài)標(biāo)定:在模擬實(shí)際工作環(huán)境的溫度循環(huán)和應(yīng)變沖擊條件下，驗(yàn)證傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，包括頻率響應(yīng)、相位延遲、測(cè)量帶寬以及對(duì)沖擊載荷的抑制能力等。標(biāo)定數(shù)據(jù)是后續(xù)數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用分析的基礎(chǔ)，在實(shí)際應(yīng)用中，傳感器輸出的是一個(gè)包含溫度和應(yīng)變信息的復(fù)合信號(hào)（通常是F(T,ε)的形式）。獲取傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)后，需要利用標(biāo)定曲線或標(biāo)定方程，結(jié)合溫度補(bǔ)償算法，分離出所需的應(yīng)變信息。常用的數(shù)據(jù)處理方法包括：差分法:測(cè)量?jī)蓚€(gè)穩(wěn)定位置或兩個(gè)不同時(shí)刻的信號(hào)（例如F1(T1,ε1)和F2(T2,ε2)），通過(guò)差分運(yùn)算和適當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償，提取應(yīng)變差分Δ?。解調(diào)算法:采用專門的信號(hào)解調(diào)算法（如最小二乘法、卡爾曼濾波等）處理連續(xù)變化的信號(hào)F(t,ε(t),T(t))，分離出應(yīng)變?t和溫度智能算法應(yīng)用:結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)或人工智能方法，建立更精確的傳感器模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜環(huán)境下應(yīng)變和溫度的自適應(yīng)分離與高精度測(cè)量。5.4應(yīng)用前景展望隨著傳感技術(shù)、材料科學(xué)以及微加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，基片式低溫敏感光纖EFPI應(yīng)變傳感器的性能將進(jìn)一步提升，應(yīng)用領(lǐng)域也將持續(xù)拓寬。未來(lái)的發(fā)展方向和前景主要包括：性能提升:超高靈敏度的光纖材料、微納制造工藝的引入，有望進(jìn)一步提升傳感器的靈敏度并減小尺寸。智能化集成:將傳感器與微處理器、無(wú)線傳輸模塊等進(jìn)行集成，發(fā)展成具有自診斷、自校準(zhǔn)、無(wú)線組網(wǎng)能力的智能傳感器系統(tǒng)。多功能融合:研發(fā)能夠同時(shí)測(cè)量應(yīng)變、溫度、壓力等多種物理量的復(fù)合型傳感器。柔性化應(yīng)用:開發(fā)基于柔性基片或可拉伸光纖的EFPI傳感器，適用于更復(fù)雜的、非剛性的曲面結(jié)構(gòu)或可彎曲的低溫設(shè)備。極端環(huán)境適應(yīng)性:針對(duì)更低的溫度（如液氫溫度下）、更強(qiáng)的輻射、更惡劣的化學(xué)環(huán)境等，開發(fā)適配性的傳感器封裝和防護(hù)技術(shù)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化:推動(dòng)傳感器的設(shè)計(jì)、制造、標(biāo)定、測(cè)試和應(yīng)用的國(guó)際和國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)建立，促進(jìn)技術(shù)的普及和推廣?？偠灾降蜏孛舾泄饫wEFPI傳感器以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，必將在低溫科學(xué)與技術(shù)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、高端制造和智能制造等領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，為解決極端環(huán)境下的測(cè)量難題提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。5.1橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)在橋梁領(lǐng)域，傳感器的高精度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)于確保結(jié)構(gòu)安全性和服務(wù)壽命有著至關(guān)重要的作用。本文介紹了一種高效和成本效益的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)解決方案，該方案采用了基片式低溫敏感光纖EFPI（ExternalFibre-OpticFabry-PerotInterferometer）應(yīng)變傳感器。?傳感器組成與工作原理基片式EFPI應(yīng)變傳感器由寬帶光源、傳感光纖、反射鏡（通常由風(fēng)光柵制造）以及在匹配介質(zhì)中的空氣腔構(gòu)成。當(dāng)傳感器與敏感結(jié)構(gòu)直接接觸時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力導(dǎo)致的表面形變會(huì)改變傳感光纖的襯底和反射鏡間的距離，進(jìn)而影響干涉內(nèi)容譜的變化。傳感器通過(guò)高靈敏度光纖探測(cè)儀，利用干涉條紋分裂的主要原因——相位調(diào)制來(lái)分析應(yīng)變力。?傳感器的特性基片式EFPI應(yīng)變傳感器擁有以下特點(diǎn)：高精度與抗電干擾性能：光纖傳感器的固有抗干擾性和寬帶寬性質(zhì)，使得其在高電場(chǎng)強(qiáng)度下工作不必?fù)?dān)心干擾問題。同時(shí)傳感器的有限敏感長(zhǎng)度能夠提供更高的空間分辨率，實(shí)現(xiàn)更微小的結(jié)構(gòu)形變監(jiān)測(cè)。輕質(zhì)與耐磨損特性：傳感器結(jié)構(gòu)相對(duì)輕便，且由于光纖材料的耐磨損性，適用于惡劣的工作環(huán)境。簡(jiǎn)易操作與成本效益：基片式光纖傳感器無(wú)需復(fù)雜的布線和繁瑣的校準(zhǔn)，安裝和維護(hù)成本相對(duì)較低，適用于大規(guī)模長(zhǎng)期監(jiān)控。?應(yīng)用案例分析實(shí)際應(yīng)用中，基片式光纖應(yīng)變傳感器在多個(gè)橋梁項(xiàng)目中展現(xiàn)了其潛力和優(yōu)勢(shì)。例如，在某座交通繁忙的橋梁上，通過(guò)在關(guān)鍵受力點(diǎn)安裝傳感器，成功監(jiān)測(cè)到因交通負(fù)載和自然老化引發(fā)的微小位移。此外該例子為橋梁維修和變速限速提供精確的數(shù)據(jù)支持，有效延長(zhǎng)了橋梁的使用壽命。?結(jié)論基片式低溫敏感光纖EFPI應(yīng)變傳感器以其精確度高、抗干擾、易于操作和成本效益顯著等優(yōu)點(diǎn)，在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中展現(xiàn)出卓越的性能和廣泛的應(yīng)用前景。它在無(wú)接觸、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁應(yīng)變變化的同時(shí)，能夠適應(yīng)長(zhǎng)期監(jiān)控的需求，為橋梁的安全管理和長(zhǎng)期維護(hù)提供可靠的監(jiān)測(cè)手段。隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，基片式EFPI應(yīng)變傳感器將在更多的領(lǐng)域和場(chǎng)景中發(fā)揮其重要作用。5.1.1實(shí)驗(yàn)裝置搭建為了系統(tǒng)性地對(duì)面陣集成式低溫敏感光纖EFPI（EtchedFiberProtectiveCurrentSensor）應(yīng)變傳感器的性能進(jìn)行表征與驗(yàn)證，本研究組精心設(shè)計(jì)并搭建了一套完整的實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)。該平臺(tái)不僅具備精確施加應(yīng)變的能力，還集成了高精度的光學(xué)測(cè)量單元，以確保對(duì)傳感器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確捕捉。整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括五大部分：應(yīng)變加載與參考單元、光纖傳感器接入單元、光源與光電探測(cè)器單元、信號(hào)調(diào)理單元和數(shù)據(jù)處理與監(jiān)控單元。各部分之間通過(guò)精密的接口和傳輸線纜有機(jī)連接，形成一個(gè)封閉且可重復(fù)操作的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。在應(yīng)變加載與參考單元方面，考慮到EFPI傳感器需要在特定低溫環(huán)境下工作，本實(shí)驗(yàn)選用了一個(gè)溫控精度可達(dá)±0.1°C的恒溫艙，其內(nèi)部安裝有精密的推拉桿機(jī)構(gòu)，用于施加并精確控制作用在光纖傳感區(qū)域上的軸向應(yīng)變。為提高實(shí)驗(yàn)的對(duì)比性和準(zhǔn)確性，在距離傳感器本體一定距離處（例如50mm）設(shè)置了參考光纖，該參考光纖同樣經(jīng)過(guò)相同長(zhǎng)度的裸光纖引伸至恒溫艙外，用于補(bǔ)償環(huán)境變化和光源老化等因素引入的干擾。施加的應(yīng)變可通過(guò)推拉桿位移X與初始光纖長(zhǎng)度L?的關(guān)系進(jìn)行理論計(jì)算，其表達(dá)式為：ε其中ε為軸向應(yīng)變；ΔL為光纖伸長(zhǎng)量；L?為光纖初始長(zhǎng)度。通過(guò)位移傳感器的反饋，可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)變的精確控制和記錄。光纖傳感器接入單元負(fù)責(zé)將傳感光纖與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的其他部分連接起來(lái)。待測(cè)的Y分支EFPI傳感器和參考光纖均被固定在定制的光纖連接架上。該連接架設(shè)計(jì)有微調(diào)機(jī)構(gòu)，能夠?qū)饫w進(jìn)行精確定位和角度調(diào)整，以優(yōu)化光纖與傳感頭之間的耦合效率，并保證光纖模式匹配。連接架上還集成了光纖熔接點(diǎn)和活動(dòng)連接器，便于更換傳感器或光纖，以及對(duì)信號(hào)進(jìn)行切換和測(cè)量。核心的光學(xué)測(cè)量部分由光源與光電探測(cè)器單元構(gòu)成，本實(shí)驗(yàn)選用了一臺(tái)波長(zhǎng)穩(wěn)定在1550nm的分布式反饋（DFB）半導(dǎo)體激光器作為光源，其輸出功率穩(wěn)定，且中心波長(zhǎng)鄰近石英光纖的零色散點(diǎn)，有利于減少色散影響。激光器的輸出光經(jīng)過(guò)一個(gè)光纖環(huán)形器后，egyikarm連接到待測(cè)EFPI傳感器，另一個(gè)arm連接到參考光纖。出射光纖通過(guò)光纖跳線和適配器匯接到一個(gè)高性能的集成探測(cè)器上。該探測(cè)器通常由兩個(gè)光電二極管（Photodiode,PD）和相應(yīng)的電子線路構(gòu)成，能夠同時(shí)測(cè)量Y分支傳感臂和參考臂的輸出光功率P↗和P↘（根據(jù)實(shí)際連接方式，P↗和P↘可能分別對(duì)應(yīng)傳感臂和參考臂的光功率）。為消除光源功率波動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，采用雙光路平衡測(cè)量原理，輸出的信號(hào)表達(dá)式為：P其中P?和P?分別為探測(cè)到的兩個(gè)臂的光功率；P_S為差分光功率；E?和E?分別為兩個(gè)臂的光場(chǎng)幅度；K為與系統(tǒng)參數(shù)相關(guān)的常數(shù)；ΔS為傳感臂損耗變化（包含彎曲、微彎、溫度及應(yīng)變共同作用，在純應(yīng)變下即應(yīng)變引起的損耗變化）。信號(hào)調(diào)理單元對(duì)探測(cè)器輸出的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波和線性化處理。該單元通常包含低噪聲跨阻放大器（TIA）和高精度運(yùn)算放大器，旨在獲得高增益、低噪聲、低漂移的輸出信號(hào)，并有效抑制高頻噪聲和外界干擾。處理后的信號(hào)送入最后的數(shù)據(jù)處理與監(jiān)控單元，該單元主要是一個(gè)配備專用數(shù)據(jù)采集卡的個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC），運(yùn)行自編程序?qū)π盘?hào)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)分析、顯示以及與理論模型對(duì)比計(jì)算。實(shí)驗(yàn)過(guò)程參數(shù)（如溫度、施加的應(yīng)變值、原始光功率、差分信號(hào)等）均通過(guò)PC的內(nèi)容形用戶界面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和記錄。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的搭建嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行，確保了各組成部分之間的連接穩(wěn)固、光路傳輸清晰，為后續(xù)準(zhǔn)確、可靠的傳感器性能測(cè)試奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。5.1.2應(yīng)變數(shù)據(jù)采集與分析在本研究中，基片式低溫敏感光纖EFPI應(yīng)變傳感器的數(shù)據(jù)采集與分析是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。為了獲取準(zhǔn)確的應(yīng)變數(shù)據(jù)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套高效的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，結(jié)合專業(yè)的數(shù)據(jù)分析方法，對(duì)應(yīng)變傳感器采集到的信號(hào)進(jìn)行細(xì)致的分析。（一）數(shù)據(jù)采集應(yīng)變傳感器在受到外力作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生微小的形變，這種形變通過(guò)光纖傳輸?shù)綑z測(cè)端，轉(zhuǎn)化為光信號(hào)的變化。我們利用高精度光學(xué)檢測(cè)設(shè)備，對(duì)這部