doi: 10.11857/j.issn.1674-5124.2020090094
bbzs
张 雯1， 李昊业1， 何 巍2， 董明利2， 祝连庆1,2
(1. 北京信息科技大学 光纤传感与系统北京实验室，北京 100016;2. 北京信息科技大学 光电测试技术及仪器教育部重点实验室，北京 100192)
摘 要: 针对临床心脏固定器吸附压力的监测问题，提出一种全单模光纤气泡法布里珀罗（Fabry-Perot ，FP ）结构的压力传感器件，并对其压力传感特性进行测试研究和误差分析。建立光纤气泡的压力传感模型，通过化学腐蚀结合电弧放电技术实现光纤气泡结构的制备。针对压力测试的实验要求，设计并分析不同进气孔位的流场特性，优化密闭腔体结构。搭建气路系统，对光纤气泡结构进行压力传感特性测试，分析重复测量条件下器件的灵敏度和线性度，并进行误差分析。实验室数据表明：正压0.1~0.2 MPa 测试范围内，光纤气泡灵敏度为2.56 nm/MPa ；负压–5~–30 kPa 测试范围内，光纤气泡灵敏度为1.72 nm/MPa ，线性拟合度整体优于0.9。该文可为光纤传感器在心脏固定器吸附压力监测问题中的应用提供一定的前期参考。关键词: 光纤气泡; 化学腐蚀; 精密熔接; 压力传感; 误差分析中图分类号: TN253文献标志码: A 文章编号: 1674–5124(2020)12–0142–07
Pressure sensing characterization and error analysis of
the fiber-optic air-bubble
ZHANG Wen 1, LI Haoye 1, HE Wei 2, DONG Mingli 2, ZHU Lianqing 1,2
(1. Beijing Laboratory of Optical Fiber Sensing and System, Beijing Information Science & Technolog
y University,Beijing 100016, China; 2. Key Laboratory of the Ministry of Education for Optoelectronic Measurement Technology
and Instrument, Beijing Information Science & Technology University, Beijing 100192, China)
Abstract : To monitor the suction pressure of clinical cardiac fixers, a pressure sensor with all-single-mode fiber-optic air-bubble Fabry-Perot (FP) structure was proposed, and its pressure sensing characteristics were tested and the error analysis was studied. The pressure sensing model of the fiber-optic air-bubble was established, and the sensor was fabricated using the chemical corrosion combined with arc discharge technology. To comply with the practical pressure test requirements, the flow field characteristics of different inlet positions were designed and analyzed, and the structure of the closed cavity was optimized. The pressure sensing system was built to characterize the fiber-optic air-bubble, the sensitivity and linearity of the device were obtained and the error was analyzed. Experimental results show that the fiber-optic air-bubble's sensitivity
收稿日期: 2020-09-24；收到修改稿日期: 2020-10-25
基金项目: 国家自然科学基金（61801030）；北京市自然科学基金资助项目（4202027）；高等学校
学科创新引智计划资助项目
（D17021）；中国科协青年人才托举工程项目（2018QNRC001）；载人航天预研项目（20184112043）
作者简介: 张 雯（1988-），女，河南信阳市人，副教授，博士，研究方向为光纤传感。
第 46 卷 第 12 期中国测试
Vol.46 No.122020 年 12 月
CHINA MEASUREMENT & TEST December, 2020
is 2.56 nm/MPa within the positive pressure range of 0.1-0.2 MPa. Within the negative pressure range of –5-–30 kPa, the pressure sensitivity is 1.72 nm/MPa, and the overall fitting linearity is above 0.9. This paper can be of the reference value for the application of fiber optic sensor in the monitoring of cardiac fixator suction pressure.
Keywords: fiber-optic air-bubble; chemical etching; precise splicing fusion; pressure sensing; error analysis
0 引 言
心脏固定器是冠脉搭桥术的核心部件，目前临床使用的心脏固定器为刚性吸附结构，其吸附力大小主要依靠医生的临床经验进行调整，直接影响手术成功率及术后低风险并发症的发病率[1-2]。若吸附力过小，心脏组织固定不稳，将降低手术成功率[3]。若吸附力过大，会导致血液淤积成块，甚至引发心脏组织局部水肿，一方面影响手术视野，不利于手术正常进行，另一方面，血瘀或水肿将造成心血管堵塞，导致其他心脏疾病，危害心脏组织正常工作。因此，心脏固定器吸附力的精准监测对冠脉搭桥术水平具有重要研究意义。
基于高精度光纤传感器的医疗信息在体监测可实现“传”“感”一体，以光作为传输信号，不存在电磁干扰或泄露，且光纤轻巧柔软，能满足心脏固定器不同角度、不同形状、实时弯曲的形变要求[4-7]。其中，光纤法布里珀罗（Fabry-Perot, FP）结构是一种常见的光纤敏感微结构[8]。该种结构根据多光束干涉原理，利用反射面间多次反射的相干光束叠加现象进行参数测量。研究表明，当光纤FP传感器两反射面间的介质为空气时，对应变、压力变化敏感，而外界温度的变化对其影响较小，可忽略不计[9-11]。深圳大学王义平团队近年来对光纤FP的温度和压力特性做了深入研究，实现了亚微米级别薄膜厚度的器件制备和性能测试[12-15]。2013年，Wang等提出了一种单模光纤水浴环境熔接石英管的FP结构压力传感器[16]，压力敏感性超过1 000 nm/kPa。2020年，黄玉泉等报道一种电弧放电法制备的光纤气泡结构[17]，由单模光纤与空芯石英管相熔，压力灵敏度为1.313 nm/MPa。
为解决冠脉搭桥术中心脏固定器吸附力的精密监测问题，本文提出一种气泡型光纤FP压力敏感结构。分析光纤气泡结构的敏感原理，制备基于化学腐蚀熔接技术的光纤气泡结构，搭建测试系统，分析传感特性，研究了干涉光谱波谷位置与外界压力之间的相关关系。实验结果表明，该传感结构灵敏度高、结构紧凑、制作简便，为光纤FP压力传感结构的临床应用做了探索性研究。
1 气泡结构传感原理
本文所提出传感器结构如图1所示，当外界压力变化时，光纤FP腔体产生轴向形变，且：
∆P
式中：——腔体内外压强差；
l——腔体长度；
r i r o
、——腔体内、外半径；
E——腔体的杨氏模量；
µ——泊松比。
包层
腔长l
纤芯
I
R
I
I
T
图 1 传感器结构示意图
l
λ
θ
1
θ2当腔体的长度一定时，腔体的变形与外界压力成正比，且F-P干涉腔壁越薄、腔体直径越大，则传感器的灵敏度越高。当一束波长为的单平面光以角度从折射率为n0的外界环境入射到折射率为n、厚度为l
的平行平板界面，折射角为，产生的相干光束之间光程差Δ和相位差δ可以分别表示为：
若R代表光纤反射率，I0为入射光强，则反射光强I
为：
第 46 卷 第 12 期张 雯，等：光纤气泡压力传感特性测试及误差分析143
如上，可建立光纤FP 传感器压力变化与波长漂移的相关关系，实现压力传感。
2 器件制备
首先，使用化学腐蚀法在单模光纤（Corning SMF-28E ）上制备光纤凹槽结构。将光纤端面切平，浸入40%的溶液中15 min ，取出，洗净。由于可与光纤中的二氧化硅和二氧化锗反应，且与纤芯中的二氧化锗反应速率更快，光纤端面可以形成凹槽结构。显微镜（WDK-2010Z ）下放大50倍图像见图2。腐蚀后的光纤包层直径约为60 µm ，形成凹槽深度约10 µm ，凹槽口径约20 µm 。
9 μm
10 μm
60 μm
20 μm
图 2 腐蚀光纤端面
其次，使用两根腐蚀后的光纤在光纤熔接机（Fujikura 80S ）内制备光纤气泡结构，如图3所示。关闭防风罩，手动驱动马达，调节光纤径向X /Y 轴位置，使得光纤纤芯对齐，且凹槽均处于电极附近。调节重叠长度为5 µm ，施加预应力，放电强度为20 bit （1bit 约为12.3~12.7 mA ），放电时间800 ms ，形成微小气泡结构。手动操作左右马达背向移动2 µm ，放电强度为40 bit ，放电时间为1 200 ms ，对光纤气泡进行进一步放大。
按上述步骤完成光纤气泡制备，其显微图像如
图4所示。由图中可知，该光纤气泡略呈椭圆形，边缘清晰光滑，尺寸约74 µm×60 µm
，上壁壁厚约6.5 µm
，下壁壁厚约3.5 µm 。
使用
光谱分析仪（Yokogawa 6375D ）采集该光纤气泡FP 结构的反射光谱，如图5所示。可知该器件最大干涉对比度为15.56 dB ，自由谱宽为13.22 nm 。选择波长为1 554.26 nm 的波谷位置作为研究对象，建立该位置特征波长与外界压强变化
(a) 纤芯对准
蜂窝煤采暖炉
(b) 挤压重叠
(c) 单次放电
(d) 重复放电
图 3 气泡结构制备步骤
包层纤芯
9 μm
6.5 μm
74 μm 3.5 μm
70 μm
图 4 光纤气泡显微图
1 520
1 540
1 560波长/nm
1 554.26 nm 1 580
1 600
图 5 气泡结构干涉谱
144中国测试2020 年 12 月
电暖手套之间的相关关系。
3 测试系统搭建
为了实现密闭空间内的压强标定，设计了如图6所示的圆柱形密闭腔体结构，圆柱腔体两端各有密封盖和光纤支撑槽，腔体结构上另需两孔，便于进气和压力标定。为了保证测试精度及气流稳定性，分别分析了同侧双孔、正对侧双孔、斜对侧双孔的情况下，密闭腔内的气体密度分布和气体流动迹线，仿真结果如图7所示。
图 6 密闭腔体结构图
由图7可知，相同入射压力条件下，同侧双孔结构的密闭腔体内部气体密度分布均匀，气体流动迹线能实现腔体内部遍历。正对侧双孔结构的密闭腔体内气体呈直线出入，不能实现腔内遍历。斜对侧双孔结构的密闭腔体内气体密度分布均匀，气体流动迹线方向性强，存在部分区域流动性分布不均的现象。故设计并制作了同侧双孔密闭腔体结构，如图8所示。其中，圆柱形腔体内径φ60 mm ，同侧两个M 8 mm 的螺纹孔。
搭建了如图9和图10所示的压力测试实验系统。其中，气路系统由气压泵、调节阀、电磁阀和真空发生器4部分构成，气压泵可提供0~0.5 MPa 的压力供给。实验中使用亚德客GPR30008系列精密调节阀，调控范围为0~0.5 MPa ，误差小于满量程0.2%。
当需要产生负压的时候，将气压接入真空发生器，可产生负压范围为0~–30 kPa 。将气路系统接入密闭腔体，并通过精密压力表标定腔内压力值，光路系统通过环形器连接光源和器件并接入光谱仪监测器件反射谱。实验中使用上海江云YB-150A 型精密压力表，其标定范围为–0.1~0.5 MPa ，正压满量程最大误差为0.4 kPa ，负压满量程最大误
差为0.12 kPa 。
4 特性分析
依据JJG 860—2015《压力传感器（静态）》对该光纤气泡结构进行压力特性分析。实验中采集光谱波段1 520~1 610 nm ，光谱分辨率为0.001 nm ，采样点数为4 500，采样分辨率设置为0.5 nm
转向轴
，使用
石墨舟(a) 同侧双孔进/出气
(b) 正对侧双孔进/出气
(c) 斜对侧双孔进/出气
图 7 3
种开孔方式的流体仿真结果
图 8 同侧双孔密闭腔体实物图
第 46 卷 第 12 期张 雯，等：光纤气泡压力传感特性测试及误差分析145
High1模式对光谱进行扫描。
首先进行正压测试实验，从0.1 MPa 开始给密闭腔体加压，每增加0.01 MPa 采集一次数据，直到加压至0.2 MPa 停止加压。压力稳定后开始释放压
力，每隔0.01 MPa 采集一次数据，最终密闭腔中压力变为0.1 MPa 。正行程和反行程往返一次为一个循环，共进行3次循环实验。
某次正压循环测试中，光纤气泡结构1 554.26 nm 处波谷的波长漂移过程如图11所示，显见升压过
程中干涉光谱发生红移，降压过程中发生蓝移。测试实验结果经最小二乘拟合计算，如图12所示，该光纤气泡结构灵敏度约为2.56 nm/MPa ，线性度为0.91。
为了研究对心脏固定器吸附压力的监测问题，对光纤气泡结构进行负压测试。负压测试中引入真空发生器，利用调压阀驱动产生真空环境，绝对压力范围为–5~–30 kPa 。
实验中，首先对密闭腔体抽真空，步长为5 kPa ，直至绝对压力为–330 kPa ；再逐渐减小抽真空的力度，步长为5 kPa ，让密闭腔体慢慢回至–35 kPa ，完成一次数据的采集。往返循环3次，待密闭腔体气压稳定时，进行光谱采集。
某次负压循环测试中，1 554.26 nm 处波谷的波长漂移过程如图13所示。当真空度升高时，腔
内压强逐渐降低至–30 kPa ，干涉光谱发生蓝移；当真空度降低时，腔内压强逐渐增高至–5 kPa ，干涉光谱发生红移。测试实验结果经最小二乘拟合计算，如图14所示，该光纤气泡结构灵敏度约为1.72 nm/MPa ，线性度为0.96。注意到相比于正压测试，负压测试时光纤气泡的灵敏度较低，后续将
对负压测试时密闭腔体内部气流的稳定性做进一
图 10 压力测试系统
压力增加(0.10~0.20 MPa)发生红移
压力释放(0.20~0.10 MPa)发生蓝移
1 554.0 1 554.
2 1 554.4 1 554.6 1 554.8 1 555.0
0.10 MPa 0.11 MPa 0.13 MPa 0.15 MPa 0.17 MPa 0.19 MPa
0.12 MPa 0.14 MPa 0.16 MPa 0.18 MPa 0.20 MPa
0.20 MPa 0.19 MPa 0.17 MPa 0.15 MPa 0.13 MPa 0.11 MPa
0.18 MPa 0.16 MPa 0.14 MPa 0.12 MPa 0.10 MPa
1 554.2
1 554.4
1 554.6 1 554.8 1 555.0
波长/nm 波长/nm
(a) 压力增加过程
(b) 压力释放过程
图 11 正压情况下干涉光谱随压力变化
0.10
0.12
0.14
压强/MPa
最小二乘直线拟合：y =1 554.23+2.56x r 2=0.91
0.16
0.18电视机高频头
0.20
图 12 正压情况下波长-压强响应曲线
光谱分析仪
环形器
宽带光源
密闭腔
传感器正压精密压力表
调压阀
电磁阀真空发生器
气压泵
负压
图 9 压力测试系统原理图
146
中国测试
2020 年 12 月
