拉锥空心光纤的温度与应力传感特性研究_鲁志琪.pdf

第4 5卷第1期压 电 与 声 光V o l.4 5N o.12 0 2 3年2月P I E Z O E L E C T R I C S&A C OU S T O O P T I C SF e b.2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-0 7-2 8 基金项目:湖 北 省 高 等 学 校 优 秀 中 青 年 科 技 创 新 团 队 计 划 项 目(T 2 0 2 0 0 1 4);湖 北 师 范 大 学 省 级 大 学 生 创 新 创 业 训 练 计 划 项 目(S 2 0 2 2 1 0 5 1 3 0 5 1);湖北师范大学研究生科研创新项目(2 0 2 2 0 5 0 1)作者简介:鲁志琪(2 0 0 1-),男,湖北省荆门市人,主要从事光纤传感技术及其应用的研究。通信作者:刘昌宁(1 9 8 1-),男,硕士生导师,博士,主要从事飞秒激光微加工以及光纤传感技术等方面的研究。文章编号:1 0 0 4-2 4 7 4(2 0 2 3)0 1-0 1 3 9-0 5D O I:1 0.1 1 9 7 7/j.i s s n.1 0 0 4-2 4 7 4.2 0 2 3.0 1.0 2 6拉锥空心光纤的温度与应力传感特性研究鲁志琪,刘昌宁,许秀梅,周文标,陈 宁,江婉君(湖北师范大学 物理与电子科学学院,湖北 黄石4 3 5 0 0 2)摘 要:该文设计并制作了一款简易的拉锥空心光纤的高灵敏度传感器,通过实验测量了其温度与应力特性。首先利用光纤熔接机在两段标准单模光纤之间熔接一段空心光纤,再对准空心光纤中间位置进行放电,同时运用两个步进电机在单模光纤两端施加一定的拉力,这导致法布里-珀罗干涉仪转换为马赫-曾德尔干涉仪。实验结果表明,此拉锥过程使光纤传感器的温度灵敏度从理论值0.8 5p m/提升到6 9.1p m/,约提升了8 1.3倍,轴向应变灵敏度最高可达3.6p m/。该器件具有体积小、结构简单和灵敏度高等特点,在航空航天、医疗监测等领域具有广阔的应用前景。关键词:温度传感器;应力传感器;空心光纤;拉锥;干涉仪;光纤熔接中图分类号:T N 2 5 3 文献标志码:A S t u d yo nT e m p e r a t u r ea n dS t r a i nS e n s i n gC h a r a c t e r i s t i c s o fT a p e r e dH o l l o wF i b e rL UZ h i q i,L I UC h a n g n i n g,X UX i u m e i,Z H O U W e n b i a o,C H E NN i n g,J I A N G W a n j u n(C o l l e g eo fP h y s i c sa n dE l e c t r o n i cS c i e n c e,H u b e iN o r m a l U n i v e s i t y,H u a n g s h i 4 3 5 0 0 2,C h i n a)A b s t r a c t:I nt h i sp a p e r,as i m p l es e n s o rw i t hh i g hs e n s i t i v i t yb a s e do nt a p e r e dh o l l o wf i b e rw a sd e s i g n e da n df a b r i c a t e d,a n d i t s t e m p e r a t u r e a n ds t r a i nc h a r a c t e r i s t i c sw e r em e a s u r e db ye x p e r i m e n t s.F i r s t l y,a s e c t i o no f h o l l o wf i b e rw a s f u s e db e t w e e nt w os t a n d a r ds i n g l e-m o d ef i b e r sb yu s i n gt h eo p t i c a l f i b e rf u s i o ns p l i c e r,a n dt h e nad i s-c h a r g ew a sa p p l i e dt ot h em i d d l eo f t h eh o l l o wf i b e r,w h i l e t w os t e p p e rm o t o r sw e r eu s e dt oa p p l yac e r t a i nt e n s i o na tb o t he n d so f t h e s i n g l e-m o d e f i b e r,w h i c h l e d t o t h e c o n v e r s i o no fF a b r y-P e r o t i n t e r f e r o m e t e r t oM a c h-Z e h n d e r i n-t e r f e r o m e t e r.T h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h et e m p e r a t u r es e n s i t i v i t yo ft h ef i b e ro p t i cs e n s o r i si m p r o v e df r o mt h e t h e o r e t i c a l v a l u eo f 0.8 5p m/t o6 9.1p m/b ya p p r o x i m a t e l y8 1.3t i m e s a n dt h e a x i a l s t r a i ns e n s i t i v i t yi su pt o3.6p m/a f t e r t h e t a p e r e dp r o c e s s.T h ed e v i c eh a s t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs m a l l s i z e,s i m p l es t r u c t u r ea n dh i g hs e n s i t i v i t y,a n dh a sab r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t i na e r o s p a c e,m e d i c a lm o n i t o r i n ga n do t h e r f i e l d s.K e yw o r d s:t e m p e r a t u r es e n s o r;s t r a i ns e n s o r;h o l l o wf i b e r;t a p e r e d;i n t e r f e r o m e t e r;o p t i c a l f i b e r s p l i c i n g 0 引言温度与应力作为传感测量的两个重要参数,已被广泛用于工程建筑、环境监测、食品检测及生物化学等研究领域。各种温度传感器与应力传感器在众多领域中有着不可或缺的作用。光纤传感器因具有抗高温、耐腐蚀和灵敏度高等优点而有着广阔的应用前景1-8。光纤传感器分为功能性传感器9、非功能性传感器1 0和拾光型传感器1 1。其中,功能性传感器的光纤不仅是导光媒介,也是敏感元件,这使整个传感结构更紧凑且灵敏度更高。在光纤传感中测量温度与应力的方法很多,如光栅型光纤传感器1 2-1 3、干涉型光纤传感器1 4-1 5等。其中,干涉型光纤传感器因结构紧凑,灵敏度高等优势而倍受研究者青睐。依据干涉原理不同,干涉仪可分为萨格纳克干涉仪1 6、迈 克 尔 逊 干 涉 仪1 7、马 赫-曾 德 尔 干 涉 仪(MZ I)1 8等。其中MZ I具有对光通量利用率高,结构紧凑,灵敏度高等特点,在温度与湿度1 9-2 0、位移2 1、应力2 2-2 5等传感领域应用广。为了提高传感器的灵敏度,研究者采取了如飞秒激光加工2 6、利用氢氟酸腐蚀及添加敏感材料2 7等措施,但从成本和实用角度考虑,利用光纤拉锥的方法简单高效,节省成本且环保。2 0 1 5年,Y u等2 8将空心光子晶体光纤与单模光纤拼接,然后用飞秒激光在空心光子晶体中制备出一个微通道,以便让空气扩散进来,从而构成微型法布里-珀罗干涉仪(F P I),在常压下光纤传感器温度灵敏度仅为1.1p m/。2 0 1 2年,L i a o等2 9利用飞秒激光在单模光纤端面加工一个微孔,然后用光纤熔接机放电,产生一个嵌入式的微腔,从而构成F P I干涉仪,这个器件在波长为15 5 4n m附近获得温度灵敏度约为4.8p m/。2 0 1 3年,W a n g等制备出长7 5m的F P I腔体,在15 5 0n m附近得到温度灵敏度为0.2 7 3p m/,此F P I的温度敏感性甚至低于理论值0.8 5p m/3 0。本文提出了一种基于拉锥空心光纤(TH F)的高灵敏度传感器。先用两段单模光纤(S MF)和一段长度为7 5m的空心光纤拼接构成一个F P I,为了提升它的温度灵敏度,利用光纤熔接机的放电功能对空心光纤进行放电拉锥。包层模式之间的干涉形成了MZ I,这使传感器比未拉锥时对温度更敏感。通过实验可知,传感器在没有涂敷任何温敏材料的前提下,获得了对温度与轴向应力的高灵敏度,温度的测量范围为3 03 3 0,这说明传感器在高温环境下仍可正常工作。该传感器制作工艺简单,成本低,有温度与轴向应力的双参量响应能力,故具有一定的研究价值。1 传感器制作与理论分析1.1 结构制备将一段内径3 0m、长7 5m的空心光纤,熔接在两段标准S MF(武汉长飞光纤光缆有限公司,纤芯9m,包层1 2 5m)中间,如图1(a)所示。测得此F P I的光谱如图1(b)所示。图1 拉锥前结构图将该 结 构 放 入 光 纤 熔 接 机(南 京 吉 隆K L-3 0 0 T)中,结构中心对准电极中心,S MF两端分别连接至两个步进电机。在熔接机放电的同时启动步进电机,放电电流与放电时间分别为2 5m A和2.0s,两个步进电机的移动速度均为7.5m/s,设置时间均为2s,移动方向相反。放电同时配合拉力,导致空心光纤的锥部束腰直径缩小,在显微镜下观测到锥部直径从1 2 5m缩小到8 2.4m,空心光纤的长度由7 5m拉伸至1 0 5m,如图2(a)所示。此时MZ I传感器结构制备完成,其光谱如图2(b)所示。图2 拉锥后结构图传感器中空心光纤的尺寸可在显微镜下标定,然后进行实时切割,误差可控制在1m内。光纤熔接机在放电的同时,两端的步进电机往相反方向匀速移动,实际操作中只需要固定好熔接机的放电参数和步进电机的移动速度,实验过程中避免人为干预,制作出的结构参数会与设定值相同,因此,该制作工艺稳定,每次得到的光纤传感器规格基本一致,实验能够重复,且其性能稳定。在温度和应力实验中,光纤传感器处于管式炉中或位移平台上。管式炉上可以实时显示炉内温度,而位移平台上的位移量对应轴向应变的大小,此时可以通过观察光谱仪上谐振峰中心波长的漂移量来标定应变或温度的变化量。041压 电 与 声 光2 0 2 3年 1.2 理论分析图3为传感器件的光路示意图。由图可见,入射光经过S MF进入空心光纤,由于空心光纤被拉锥后,其锥部比其他部分更细,输入的光存在失配现象,导致部分光继续沿着空心光纤的芯层传播,另一部分光进入外层传播。包层中的光波会以倏逝场传输,当光传输至空心光纤锥区末端时,两模式又会重新耦合至S MF中输出。由于芯层与包层折射率不同,不同路径的传输光产生了光程差,这样就形成了MZ I干涉传感器。图3 传感器件的光