临近空间高速飞行器光纤压力测量传感器

1    引      言

     高速飞行技术具有前瞻性、带动性和战略性， 它代表着一个国家开发并利用空间的能力，有着 广泛的军用和民用价值。高速飞行技术的发展已 经对诸多相关领域技术的进步产生了巨大的推动 作用，尤其是近20年来，高速飞行技术的持续研 究和多种飞行验证计划的实施，极大地加快了超 燃冲压发动机技术、复合轻质耐高温材料技术、 空气动力学及导航与控制技术等关键领域的研究 进展。随着高速飞行技术的发展，飞行器外部表 面由于摩擦温度高，对高速飞行过程中大气参数 测量提出了更高的要求，其中，精确测量飞行高 度是保证飞行器飞行安全、精确运作的关键环节。 通过开展高精度真空压力测试技术研究，研制一 套满足高速飞行器使用的高精度真空压力测试系 统，可有效提高高速飞行器飞行高度的测算精度， 提高其控制稳定性，为加速极端环境下高速飞行 技术发展提供支持。

      现阶段飞行器使用的嵌入式大气数据传感 （Flush Air Data Sensing，FADS） 系统的测量传感 器主要有两种类型。

    （1） 硅谐振压力传感器［1-4］ ，主要是通过物体 自由振荡频率与被测压力间的函数关系进行压力 测量。由于其输出信号是频率，具有测量稳定性 高且不易引起附加误差的优点。但硅谐振压力传 感器抗过载能力较低，其最优测量误差为±20 Pa， 工作温度上限为40 ℃，不能满足临近空间飞行器 在高温环境下真空度测量需求。

     （2） 电容薄膜真空计［5-9］ ，由电容薄膜规管和 测量电路两部分组成［5］ 。电容薄膜真空计具有准 确度高、线性好的优点，可测量气体和蒸气的全 压力且结果不受气体的成分种类的影响，常作为低真空的参考标准和量值传递过程中的传递标 准［6-9］ 。尽管电容薄膜真空计测量准确度满足极端 环境飞行器设计要求，但其抗振动能力较差，需 要在稳定的环境下使用，因此，不适用于极端环 境飞行器高度测试系统。

     针对特定高速飞行器飞行高度在 28~38 km 范围，高度测量精度要求为±100 m，对应真空 度范围为 365~1616 Pa 的飞行要求，通过研究光纤 传感机理、感压元件设计、敏感膜片制备、高速解 调技术、定标技术等，研制了一套高精度 MEMS 光纤压力测量传感器，能够满足该高速飞行器极 端环境真空度测量的要求，确保该飞行器滑翔段 高度的测量精度，提升其临近空间飞行能力。

2     临近空间高速飞行器压力测量需求

     特定高速飞行器飞行轨迹示意图如图1所示， 该飞行器在临近空间采用滑翔工作方式，即当速 度和飞行高度达到一定状态时，关闭发动机进行 滑翔；随着速度和高度下降并逐渐脱离预期轨道 时，重新启动发动机。

     滑翔工作方式对飞行过程中大气数据的测算 要求较高，准确的大气数据能为飞行器的安全性 和飞行的准确性提供保障［10］ 。大气数据主要有压 强、温度、高度、马赫数等参数，其中，准确的 飞行高度是飞行器实现安全飞行、准确导航、有 效运作的必要条件。通过测量飞行器表面气体静 压，可根据大气数据模型解算出准确的飞行高 度。该飞行器飞行高度在28~38 km范围内，高度 测量精度要求为±100 m，对应真空度范围为365~ 1616 Pa，属于低真空度范围，其对测量系统提出 以下要求。

     （1） 较高的精度。由于大气稀薄，要求测量 压力的范围极低，一般要从真空到 2000 Pa，同

时，要求有较高的测量精度，对应测量精度要求 为±10 Pa 左右，对于临近真空环境的压力测量， 一直有很高的技术难度；

      （2） 高温的工作条件。高速飞行器中的飞行 器表面由于摩擦也会产生高温，出现强烈的气动 热现象，因此，要求传感器可在较高的温度环境 中工作；

      （3） 极小的安装空间。飞行器内部的结构空 间极为紧凑，限制了传感器的尺寸。传统高灵敏 度压力传感器的尺寸一般比较大，难以实现在狭 小空间的安装。

      现阶段飞行器嵌入式大气数据传感系统使用 的两类测量传感器中，硅谐振压力传感器因其抗 过载能力较低，无法满足临近空间飞行器真空度 测量需求；而电容薄膜真空计虽然测量准确度满 足临近空间飞行器设计要求，但由于其抗振动能 力较差且需要在稳定的环境下使用，仍不适用于 临近空间飞行器高度测试系统。因此，针对飞行 器高度测试系统的高精度真空压力测量需求，通 过研制临近空间高速飞行器光纤压力测量传感器 和高精度真空测试系统，以确保该飞行器滑翔段 高度的测量精度，并提升其临近空间飞行能力［10］ 。

具体指标为：测量范围为100~2000 Pa；测量不确 定度U=10 Pa（k=2）。

3    测量原理

3. 1　真空压力测量原理

     所设计的真空压力测量传感器采用 MEMS 光 纤技术［9-11］ ，以F-P腔中硅材料膜片作为压力敏感 膜片，其基本原理如图 2 所示。当膜片感受到外 界压力时，发生形变导致F-P腔的腔长发生变化， 膜片所承受的外界压力值与 F-P 腔的腔长变化值 一一对应，通过干涉信号光谱解调出 F-P 腔腔长 值便可计算出膜片所受外界压力值。

式中，w为膜片的挠度；P为外界压力；E为膜片 的杨氏模量；u 为膜片的泊松比；h 为膜片的厚 度；r为硅膜任意部位的半径［13］ 。

     由式 （1） 可得到，在膜片的中心点 （r=0处） 压力变化ΔP与腔长变化Δd之间的关系如下［12］ ：

      式中，E 和 u 是常量，因此，在相同腔长改变下， h 越小、R 越大，能感应到的压力变化 ΔP 越小， 即灵敏度越高，灵敏度表达式为［12］

          本文设计传感器的压力敏感膜片是硅膜片， 它的泊松比 u=0. 22；杨氏模量 E=190 GPa。在 R= 0. 95 mm、h=50 μm、P=1 MPa 时，给出理想情况 下不同r处膜片挠度w如图3所示，其中，r的正负 表示观察点位于膜片中心左右两侧。分别在 R= 0. 75 mm、0. 95 mm、1. 25 mm、1. 5 mm 时，给出 理想情况下灵敏度Y和膜片厚度h的关系如图4所 示。分别在 h=50 μm、60 μm、80 μm、100 μm 时，给出理想情况下灵敏度Y和膜片半径R的关系 如图5所示。

      在设计传感器过程中，还需要考虑膜片在最 大压力的作用下是否能承受住由压力引起的应力。 对于圆形膜片，膜片能承受的最大压力Pm为

式中，σm 为膜片材料能承受的最大张应力；R 为膜片有效感压半径。

3. 2　信号解调原理

      本文使用步进相移光纤白光干涉测量方法， 无需频率分析，避免了小光程差时引入较大误 差，扩大了测量范围，能够满足不同光程差 （50~ 10000 μm） 法珀光纤干涉仪绝对测量的要求，尤 其是解决目前 FPI 传感器光程差 100 μm 以内不能 精确测量的问题［13］ 。步进相移测量法无需探测峰 值、波长追踪，能够避免操作人员实时观察，实 现系统高精度自动测量［9］ 。

      白光光谱信号的相位 φ 与波数 k 呈线性关系， 按照等波数间隔重采样得到新的白光光谱，用波 数来重新描述FPI的白光干涉光谱［13］ 。

式中，I （k） 为干涉条纹强度；a （k） 为宽带光 源引入的光谱轮廓；b （k） 为白光干涉光谱的条 纹对比度变化；OPD 为干涉仪的光程差。如果直 接对式 （5） 所示的白光干涉光谱进行相移，光源

轮廓与信号对比度引入的幅值变化会引起解调误 差。因此，在对白光干涉光谱进行相移之前还需 要对干涉光谱进行归一化处理，消除 a （k） 与 b （k） 的影响。首先，探测出干涉光谱的波峰和波 谷，分别利用插值的方法拟合出光纤FPI干涉光谱 的上轮廓Iu（k）和下轮廓Il（k），即

     然后，通过式 （5） 和式 （6） 可以计算出光 纤FPI的归一化白光干涉光谱如下

      在归一化的白光干涉光谱中等步距截取五段 信号，获得五幅步进相移光谱。首先，截取具有 W+1个采样点的一段干涉信号，作为I（l k）。然后， 截取区间依次向后移动 M、2M、3M、4M 个 采 样 点，每次依然截取 W+1 个采样点，得到I（2 k）、 I（3 k）、I（4 k）、I（5 k）。那么第n（n=1，2，3，4，5）段干 涉信号的采样区间即为［（n-1）M，W+（n-1）M］。每 段干涉信号有 W+1 个点，则每段干涉信号的相位 变化量为

      任意相邻两段干涉信号之间的步进相移量δ相 等，表示为

     因此，对归一化的白光干涉光谱进行截取后 得到的五段步进相移干涉信号可以表示为

     五段步进相移干涉信号的截取过程及干涉信 号如图6所示。

     随后，利用五段步进相移干涉信号求解光程 差。待测相位的正切值φ与步进相移量的一半δ/2 的正切值之间的关系可以通过I2、I3与I4求得。

     待测相位正切值φ与步进相移量δ正切值之间 的关系可以通过I1、I3与I5求得。

      将式 （11） 及式 （12） 代入正切的二倍角 公式

      就可以得到步进相移的一半δ/2的正切值的绝 对值。

     那么就有 tan φ = tan ψ 或者 tan φ = -tan ψ。可 以发现，无论 tan φ = tan ψ 或者 tan φ = -tan ψ，即φ = ψ 或者 φ = -ψ，都有 Δφ = Δψ。因此，对式 （16） 进行反正切计算，再利用相位解包裹运算补 偿π的相位跳变，即可得到Δψ，也就得到了Δφ。 最终，光程差可以得到

式中，λ为干涉光的波长。由此，得到经解调后的 F-P腔的腔长。

4     试验装置

4. 1　传感器结构设计

     设计制作基于光纤准直器的光纤 MEMS 压力 传感器，由硅敏感膜片感知外界压力，硅敏感膜 片和 Pyrex 7740 玻璃薄片通过阳极键合构成传感 头，其中，F-P腔的两个反射面由Pyrex 7740玻璃 内表面与硅敏感膜片内表面共同构成。

     光纤 MEMS 压力传感器如图 7 所示，由传感 头、光纤准直器构成。其中，传感头由硅片、F-P 腔体、Pyrex 7740 玻璃三部分组成［12-14］ 。硅片与 Pyrex 7740玻璃之间形成F-P腔，传感头与光纤准 直器用 UV 胶粘合构成传感器。光源发出的入射 光通过光纤耦合进入到传感器，在传感器 F-P 腔的硅片、Pyrex 7740 玻璃表面反射，形成双光 束干涉。压力作用在硅膜表面，使其发生形变， F-P 腔的空气间隙发生变化，即腔长 d 变化，导 致干涉信号的光谱发生对应变化，通过光纤白 光 干 涉 解 调 技 术 可 获 得 腔 长 d， 从 而 得 到 压 力值［12-14］ 。

     在总体设计过程中，压力敏感膜片材料、有 效半径、厚度及 F-P 腔腔长的确定非常重要。压 力敏感膜的半径、厚度要充分考虑外界压力、挠 度以及灵敏度的要求。F-P 腔腔长的选择主要考 虑腔长和对比度的关系。传感头材料的选择，需 在考虑阳极键合工艺要求的同时，兼顾考虑材料 热膨胀系数一致性的问题，最终选定了硅片和 Pyrex7740玻璃。综合考虑，本项目设计制作的基 于光纤准直器的光纤 MEMS 绝对真空压力传感器 具体参数如下：硅压力敏感膜片边长为9 mm，有 效直径为5 mm，膜片厚度为20~50 μm，F-P腔的 长度约为200~500 μm，传感器封装前和封装后的 实物如图8和图9所示。

4. 2　传感器信号解调硬件

      光纤 MEMS 压力传感器测试系统的原理如图 10所示，波长扫描光纤激光器作为光源，内置可 调谐 F-P 滤波器作为波长扫描器件，可调谐 F-P 滤波器由计算机产生的锯齿波电压驱动，波长扫 描范围 100 nm，线宽 0. 17 nm，损耗 1. 5 dB ［15］。 波长扫描光经耦合器 1 被分为两束，一束经过耦 合器 2 注入传感器，反射回白光干涉信号，经光电探测器 2 探测后，由 A/D 卡采集传入计算机准 备后续解调；另一束注入波长为梳状的光纤 F-P 标准具中，输出带有很多峰的光波，之后经过一 个光纤光栅，以去掉一个从标准具输出的光波的 峰，从而标记标准具中其他的峰，经光电探测器 1 探测后，由 A/D 卡采集传入计算机。由于可调 谐 F-P 滤波器具有非线性且重复性差，因此，需 要标准具和光纤光栅对光源输出的波长进行校 正。上述器件与 PC 端 LabVIEW 腔长解调程序共 同构成白光干涉解调仪，它适用于EFPI类传感器 解调，测量范围为20~10000 μm，分辨率0. 1 μm， 最高测量分辨率达到 0. 1 nm。压力控制系统由测 试压力腔、气压表、空压机构成，其中，测试 压力腔可加压范围为 0~1 MPa，气密性良好且具 有 两 路 光 纤 传 感 器 连 接 口 ， 气 压 表 精 度 为 ±0. 06%F. S. ［12］ 。

5    试验结果

     选取基于光纤准直器且具有相同参数的光纤 MEMS 绝对真空压力传感器，分别对未做封装保 护的传感器 （传感器1#、2#和3#） 和做封装保护

的传感器 （传感器 4#和 5#） 进行 100~2000 Pa 范 围内的升压和降压试验，以验证传感器腔长-压力 灵敏度和拟合系数的一致性，确保二次封装没有 改变传感器的性能，从而满足特定高速飞行器极 端环境真空度测量要求及工作环境。综合考虑， 选取的传感器的具体参数如下：硅压力敏感膜 片边长为 9 mm，有效直径为 5 mm，膜片厚度为 50 μm，F-P腔的长度约为500 μm。

5. 1　无封装传感器测试

    （1）传感器1#：未做封装保护的裸传感器。

      对传感器1#做了3次100~2000 Pa范围内的升 压和降压试验，3 次升、降压试验测量得到的腔 长-压力灵敏度和拟合系数如表1所示。

      （2）传感器2#：未做封装保护的裸传感器。

       对传感器2#做了3次100~2000 Pa范围内的升压和降压试验，3 次升、降压试验测量得到的腔 长-压力灵敏度和拟合系数如表2所示。

      （3）传感器3#：未做封装保护的裸传感器。

        对传感器3#做了3次100~2000 Pa范围内的升压和降压试验，3 次升、降压试验测量得到的腔 长-压力灵敏度和拟合系数如表3所示。

5. 2　螺纹传感器测试

      （1）传感器4#：做封装保护的传感器。

       首先，对传感器4#做了从一个大气压（100 kPa） 降压到2000 Pa的试验，降压过程腔长变化曲线如 图13（a）所示，腔长-压力灵敏度为0. 17014 nm/Pa， 拟合系数为0. 99975。

      然后，做了100~2000 Pa范围内的升压和降压 试验，升压和降压测量得到的腔长-压力灵敏度分 别是-0. 12180 nm/Pa和-0. 11979 nm/Pa，拟合系数 分别是 0. 99985 和 0. 99970。升、降压的腔 长-压力灵敏度和拟合系数都有较好的重复性。在 100 Pa时连续测量20 min，腔长变化4 nm。

    （2）传感器5#：做封装保护的传感器。

     首先，对传感器5#做了从一个大气压（100 kPa）降压到2000 Pa的试验，降压过程腔长变化曲线如 图14（a）所示，腔长-压力灵敏度为0. 12340 nm/Pa， 拟合系数为0. 99995。

     升压和降压测量得到的腔长-压力灵敏度分别 是-0. 16435 nm/Pa和-0. 15653 nm/Pa，拟合系数分 别是 0. 99877 和 0. 99916。升、降压试验的腔长- 压力灵敏度和拟合系数都有较好的重复性。在 100 Pa时，连续测量20 min，腔长变化10 nm。

5. 3　测量不确定度验证

     使用标准真空计与本文研制的传感器同时测 量真空源产生的真空度，通过比较标准真空计结 果与本文研制的传感器实验室间测量结果的比率 值 （En值） 判断不确定度是否满足要求，对比结 果如表4所示。

式中，y0为标准真空计测得的真空度；y为本项目 研制传感器测量真空度；U0为标准真空计测量结 果不确定度；U 为所研制传感器测量结果不确定 度。以上物理量单位均为Pa。

     在测量点 100 Pa 和 2000 Pa，标准真空计结 果与本项目研制的传感器实验室间测量结果比 率值分别为 0. 67 和 0. 77。结果表明，本文研制 的传感器在试验时间内的比对结果具有良好的 一致性。

6    结     论

    本文通过研究光纤传感机理、感压元件设计、 敏感膜片制备、高速解调技术和定标技术等，研 制了一套高精度测量系统，满足特定高速飞行器 极端环境真空度测量要求及工作环境。利用 MEMS 光纤技术研制了真空传感器，对未做封装 保护的裸传感器1#、2#和3#，以及做封装保护的 传感器 4#和 5#分别做了升、降压试验，实现了 100~2000 Pa范围内的真空测量。由于传感器芯体 并未完全密封在金属壳体内部，金属壳的头部保持开放，二次封装并未改变传感器的性能。试验 结果显示，5支传感器都具有较好的腔长-压力灵 敏度和拟合系数。做封装保护的传感器4#、5#与 未做封装保护的裸传感器1#、2#和3#具有接近的 拟合系数，表明二次封装没有改变传感器的性能。 对高速飞行器极端环境真空度测量研究具备一定的 参考价值和推广意义。但存在以下两点问题：

      （1） 如何提升传感器稳定性。现阶段传感器 稳定性约 10%，这影响了使用，分析原因可能由 于传感器感压膜片日常暴露在大气压100 kPa环境 中，当使用在100~2000 Pa范围内时，膜片形变后 由于内部应力缓慢释放，导致变形量随时间有一 定漂移从而影响传感器测量。因此，在后续感压 膜片制备过程中应当采取消除残余应力的工艺措 施。同时，在法珀腔制作过程中加入限位机构， 确保其即使暴露在大气环境中，膜片形变量依旧 维持在较低水平。

      （2） 真空参考腔体封装。现阶段法珀腔封装 采用大气压封装的形式，由于法珀腔体较小，封 装过程中温度控制及环境工艺控制不稳定会引入 杂质，若能采用真空封装技术，利用真空产生的 洁净环境，可以消除法珀腔内压力不稳定带来的 系统误差。此外，若封装真空度等级达到10-3 Pa， 则可有效提高测量准确度。