基于七芯光纤的迈克尔逊干涉型光纤温度传感器_张蓉.pdf

：基于七芯光纤的迈克尔逊干涉型光纤温度传感器张蓉，邵敏，高宏，乔学光，富志鹏，赵力国（西安石油大学 理学院 光电油气测井与检测教育部重点实验室，陕西 西安 ；西北大学 物理学院，陕西 西安 ；中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 ）摘要：为了实现对环境温度的 精 确 测 量，提 出 了 一 种 基 于 七 芯 光 纤（，）的 迈 克尔逊干涉型温度传感器。该传感器由单模光纤（，）和 熔 锥 构 成，当 光 由进入 时，由于光纤直径的急剧变小，在光纤细锥区域会激发 出 中 的 高 阶 模，这 些 高阶模与纤芯基模经 端面反 射 后，再 次 回 到 细 锥 区 域 时 发 生 干 涉，并 经 由输 出。制 作 了不同长度 的传感器样品，并分别进行了温度传感实验研究。温度响应实验结 果 表 明，在 温度范 围 内，长 度 为 的 传 感 器 的 温 度 灵 敏 度 为 ，拟 合 线 性 系 数 为 ，温度测量分辨率为 ，稳定性实验测得传感器的测量标准偏差为 。该温度传感器结构紧凑、易于制作、成本低廉、灵敏度高且测量范围大，在温度监测领域具有一定的应用潜力。关键词：光纤传感；温度传感；光纤温度传感器；迈克尔逊干涉仪；七芯光纤（）中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，；，）：，（）（），：；光 电 子 激 光第 卷 第期 年月 ：收稿日期：修订日期：基金项目：国家自然科学基金（）、陕西省科技成果转移与推广计划（）和西安石油大学研究生创新与实践能力培养计划项目（）资助项目 ；（）引言温度 作 为 描 述 物 体 冷 热 程 度 的 一 个 重 要 参数，被广泛应用于航空航天、交通运输、工 农业 生产、大型基础设施的健康监测和安全预警等领域，实现实时、多点、精确的温度测量愈显重要。随着技术发展 水 平 的 提 高 和 实 际 应 用 需 求 的 逐 渐 增加，温度的检测朝着复杂环境、极端参数和多维度方向拓展。目前已有的温度测量技术包括可调谐激光吸 收 光 谱（，）燃烧诊断技术、热电阻（，）、可 穿 戴 柔 性 超 级 电 容器、基于上转换 发光 材料 的 温度 传 感 探测和数字温度传感器等。其中，燃烧诊断技术主要用于高温测量领域，检测原理复杂，工程应用尚不广泛；温度传感器与其他温度感应技术相比，测量范围大，但生产成本较高；柔 性超 级电容器的循环寿命高、安全性好，但无法工作在极端气候条件下；数字温度传感器的测 量 精 度虽 然可以调节，但需要与集成电 路相 结 合。上 述温 度测量技术由于无法实现瞬态、远距离、大范围和多点温度测量，在实际应用中 有诸 多 局 限。而光 纤温度传感器质轻、无源、耐腐蚀、稳定性好、抗电磁干扰、精 度 高、易 于 复 用 等，有 望 解 决 上 述 问 题。典型的光纤温度传感器包括光纤干涉仪型、表面等离子共振型、光纤耦合器型 和光纤光栅型 。其中，光纤 干涉 仪 性 能 优 异，除 具 有光纤自身优点外，兼具灵敏度高、制作简便和分辨率高的特点，因而基于光纤干涉仪的 温 度 传感 技术得到了广泛的研究。目前已有的基于光纤干涉仪的温度 传 感 器 主 要 有：法 布 里珀 罗 干 涉 仪、马赫曾德尔干涉仪、迈克尔逊干涉仪和萨格奈克干涉仪 。其中迈克尔逊干涉仪作为一种反射式结构，制作相对简单，探头灵活多样，全 光纤 式迈克尔逊干涉仪还可消除环境干扰，其 紧 凑的 结构可嵌入或埋覆进测量本体中，更适 用 于 恶劣 环境的长期瞬态温度测量。近年来，研究人员设计出了多种 全 光 纤迈 克尔逊干涉仪型传感器，用于温度的测量，传感器在结构设计 和 温 度 灵 敏 度 方 面 也 获 得 了 很 大 的 提升。例如，等通过对芯熔接法制作出单模多模双包层光纤结构的温度传感器，能够区分测量温 度 和 折 射 率。传 感 器 在 范 围 内的最高温度灵敏度为 ；等提出了一种基于侧孔光纤级联非对称双芯光纤的迈克尔逊干涉仪，用于多参 数传 感。此 传 感器 在 范 围 内 的 温 度 灵 敏 度 为 ；等通过在光 纤的悬浮芯中部分填充聚合 物紫 外 胶 来 构 成 迈 克 尔 逊 干 涉 型 传 感器，此传感器在 范围内的温度灵敏度达到 。上述迈克尔逊干涉型光纤温度传感器虽然灵敏度高，但温度的测量范围还需进一步拓 宽，制 作 工 艺 也 需 简 化 以 适 应 实 际 需 求。因此，设计一种集制作工艺简便、测量范围大和高温度灵敏度于一体的光纤温度传感器具有重要的现实和实用意义。基于此，本文提出并制作了一种结构简单、无需涂覆任何温敏材料的迈克尔逊干涉型光纤温度传 感 器，传 感 器 由 单 模 光 纤（，）、七芯光纤（，）及 拉锥熔接形成的 细锥区 域 构 成。和 之 间 细 锥区域直径的急剧缩小会激发出 的高阶模。高阶模与纤芯基模发生干涉，利用模间干涉对环境温度的敏感性来实现 测量目的。同时，对 传感器的重复性和稳定性进行了实验探究。该传感器结构简单、温度灵敏度高、制作可重复性高、稳定性良好，且有望实现更大范围温度的检测，更符合目前对此类型传感器的测量要求。基本原理图为本文提出的传感器结构示意图，传感器主要由 和 构成，其工作原理如下：当光沿 传输到细锥结构时，由于光纤直径的急剧减小，一部分光以纤芯模的形式进入 的中心纤芯和边芯中传输，另一部分光耦合进 包层，激发出高阶包层模，但光在七芯包层中传输时损耗较大，可忽略不计。这些高阶模和纤芯模在 中传输，被其右端面反射后反向传输。中心纤芯模和边芯模有效折射率的不同产生了光程差。当光第二次通过 与 之间的熔接点即细锥结构时，纤芯基模和边芯模发生干涉。图光纤温度传感器的结构示意图 该传感器中的光纤细锥相当于耦合器，既激发出了 中的高阶模，又实现了纤芯模和边芯模之 光 电 子 激 光 年第 卷间的耦合，将传统的耦合器合二为一，简化了传感器的结构。在 中，边芯相当于传统迈克尔逊干涉仪的传感臂，中心纤芯相当于参考臂，光纤端面则充当了反射镜，将中心纤芯模和边芯模反射回 中反向传输。该传感器的干涉在光纤内完成，未使用其他光耦合器件，是一个典型的全光纤迈克尔逊干涉仪。该传感器的 光纤细 锥结 构 在减小 了 和 连接处的纤芯和包层直径的同时，还打破了 的对称几何结构，使超模呈不对称分布，导致中心纤芯中的 基模和边芯中的 等高阶模相互分离并发生干涉。由干涉理论可知，传感器的总输出光强可以表示为：，（，），（）式中，为中心纤芯模的光强，为第阶线性偏振模如 模的光强，表示传输一段距离后中心纤芯基模与高阶模如 模之间的相位差，为 右端面的反射率，表达式为：（）（），（）式中，和分别表示光纤纤芯和周围介质的折射率。中心纤芯模与高阶模之间的相位差可以表示为：，（）式中，为中心纤芯和边芯之间的折射率差，即 ，为 的长度，表示入射光波长。当相位差满足（），（，）时，干涉光强达到最小值，此时透射光谱中干涉谷对应的波长为：，（）。（）当传感器周围的环境温度发生变化时，由于光纤材料的热膨胀和热光效应，光纤长度、纤芯基模和高阶模的折射率都会发生变化，即式（）中的 和改变，导致波长发生漂移。因此，可以通过监测干涉谱波谷处特征波长的漂移量来实现环境温度的测量。温度灵敏度可表示为：，（）。（）实验与讨论 传感器的制作实验中使用的（，康宁，美国）的纤芯和包层的直径分别为 ，折射率分别为 。（，长飞，中国）中的个 掺 锗 纤 芯 都 由 层 具 有 不 同 折 射 率 的材料组成，内层、中间层和最外层的折射率分别为 、和 ，直径分别为、和，最外层的沟槽结构能够有效避免不同纤芯之间的串扰，排列呈正六边形的个纤芯之间的距离为 ；包层的折射率为 ，包层直径为 ，大于 的包层直径。因而，采用细锥结构作为耦合器将 中的光耦合进 。的横截面和细锥区域剖视图如图（）、（）所示。实验中首先利用光纤切割刀将 和 的端面切除平整，然后使用光纤熔接机（，古河，日本）对两种光纤进行手动熔接。为了制作出细锥结构，设置熔接程序中的参数值如下：预熔时间为 ，放电强 度 为 ，推 进 距 离 和 退 回 距 离 分 别 为 和 。为了保证细锥两端光纤的中心重合，端面间隔偏移以及轴偏移量均设置为。熔接结束后对 进行切割，从而获得不同长度的干涉仪。图（）是光纤细锥的显微照片，测量得细锥部分纤芯和包层的腰径分别为 和 ，长度为 。本文共制作了个不同长度（，）的传感器样品，其反射光谱的对比如图所示。图中非严格的余弦型干涉谱形表明，该传感器的干涉谱由多个干涉条纹叠加而成。可以看出，传感器在 光谱范围内，干涉光谱的谱形清晰，干涉条纹对比度最大超过，自由光谱范围最大超过 ，适合于进行大范围温度的测量。随着 长度的增加，干涉光谱的周期数明显增加，且自由光谱范围逐渐减小。为了进一步分析干涉仪所激发的高阶模在干涉过程中的贡献情况，对图中的干涉谱进行了快速傅里叶变换，结果如图所示。空间频谱图中的多个峰值 说 明 有 多个高阶模参与了干涉，这验证了 中的模式干涉现象。随着 长度的增加，幅度值较小的频率点逐渐增多，即能量各异的点增多，这为图中所示的光谱的变化提供了证据。例如，长度为，和 的传感器，分别在空 间 频 率 位 于 ，和 处都存在一个明显的主峰，它们所对应的高阶模在整个干涉过程中起主要作用，而位于它们旁边的较高空间频率处的一些低峰则意味着有更多的高阶模被激发出来并参与干涉。第期张蓉等：基于七芯光纤的迈克尔逊干涉型光纤温度传感器图光纤结构的显微图：（）横截面图；（）细锥区域图 ：（）；（）图不同长度的传感器的反射谱 图不同长度的传感器的空间频谱 温度响应实验本文中，传感器的温度测量实验装置示意图如图所示。静态光纤光栅解调仪（，美国）内置波长范围为 的激光光 源，其 波 长 分 辨 率 为 、强 度 分 辨 率 为 、扫 描 频 率 为。利 用 温 度 范 围 为 、温度分辨率为 的电热鼓风干燥箱（，中国）实现环境温度的调节。激光束沿 进入传感器结构，再经由 的端面反射回解调仪，最后由计算机采集并记录该传感器的反射光谱。设置干燥箱的温度由 升高到 ，每间隔记录一次传感器的反射光谱，观察光谱的变化。为了保证温度测量数据的准确性，每次温度设定值改变之前，在上一个温度点保持至少 的恒温时长后再记录光谱。图传感器的实验装置图 图为 的传感器在 之间的温度响应实验图。图（）和（）表明，随着温度的升高和降低，传感器的反射谱先后发生了明显的红移和蓝移。对波长与外界温度进行线性拟合得到图（），可以看出，在 波谷处，传感器升温 时的 灵 敏 度 为 ，线性拟合系数为 光 电 子 激 光 年第 卷 ；降温时的温度灵敏度为 ，线性拟合系数为 。传感器的温度测量分辨率为 ，波长漂移近似重合，这说明传感器的升降图 传感器在 之间的温度响应光谱：（）升温响应光谱；（）降温响应光谱；（）波长温度拟合曲线 ：（）；（）；（）温曲线具有良好的一致性。但由于干燥箱加热过程的 不均匀性，导致升降温过程的最大滞后偏差为 ，且两条拟合曲线在低温段的线性度不够高，以后的研究中可以通过适当延长在各温度点的稳定时间来弥补温箱的这一性能缺陷。稳定性实验传感器的工作稳定性对实际应用有非常重要的意义，良好的稳定性在很大程度上能缩减制造成本和延长工作寿命。为了研究传感器的稳定性，实验测量了长度为 的传感器在温度为 和时间为的反射光谱响应，测量的时间间隔为 ，结果如图（）所示。图（）表明，传感器在内，光谱几乎观察不到明显的漂移。由此得到 处干涉谷的波长变化曲线，如图（）所示，得到最大的波长漂移量为 ，这主要是因为温箱在工作时，温度保持不稳定所引起的。传感器的温度测量标准偏差为 ，说明该传感器具有较好的稳定性以及长期使用的潜力。图 传感器在 时的稳定性光谱：（）的光谱；（）处波长随时间的变化图 ：（）；（）第期张蓉等：基于七芯光纤的迈克尔逊干涉型光纤温度传感器 重复性实验传感器的重复性在传感器研制中也具有重要的研究意义。为了研究传感器的重复性，同时测量了长度为 和 的传感器在 范围内的温度响应，结果如图（）和（）所