基于彎曲損耗的光纖環(huán)路溫度傳感器

魏亞輝，張敏娟，李 曉

(1.駐馬店職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南駐馬店 463000; 2.中北大學(xué)山西省光電信息與儀器工程技術(shù)研究中心，山西太原 030051)

基于彎曲損耗的光纖環(huán)路溫度傳感器

魏亞輝1，張敏娟2，李 曉2

(1.駐馬店職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南駐馬店 463000; 2.中北大學(xué)山西省光電信息與儀器工程技術(shù)研究中心，山西太原 030051)

為實(shí)現(xiàn)高精度光纖溫度傳感，本文對(duì)新型光纖環(huán)路溫度傳感器進(jìn)行研究。該傳感器通過折射率的改變感知環(huán)境溫度變化，并直接影響到光在光纖中的傳輸損耗。通過分析溫度、彎曲半徑對(duì)折射率的影響，即彈光效應(yīng)和熱光效應(yīng)。給出了傳輸損耗、測(cè)溫范圍與彎曲半徑的關(guān)系，并依此進(jìn)行了測(cè)溫精度和穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，功率型光纖環(huán)路溫度傳感器具有精度較高、成本低、易于集成等優(yōu)點(diǎn)。

溫度傳感器;彎曲損耗;折射率;彎曲半徑

1 引 言

光纖傳感技術(shù)是通過調(diào)制光纖中的傳輸光信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)外界環(huán)境參量的傳感，如:振動(dòng)、壓力、折射率、溫度等。其具有靈敏度高、易于集成、成本低、不受電磁環(huán)境干擾等優(yōu)點(diǎn)［1－4］，是研究人員一直青睞的傳感器設(shè)計(jì)方案，并且許多光纖傳感技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到電力［5］、力學(xué)結(jié)構(gòu)［6］、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域，且在其他領(lǐng)域也有潛在的應(yīng)用前景。我國在光纖傳感技術(shù)研究方面起步較晚但發(fā)展速度快，目前國內(nèi)許多高等院校和科研機(jī)構(gòu)都在從事光纖傳感技術(shù)的研究［5－6］。

光纖傳感器一般可分為功能型和功率型，功能型光纖傳感器一般是調(diào)制光信號(hào)的頻率、相位、偏振等信息實(shí)現(xiàn)傳感功能。功能型光纖傳感器以光纖光柵為典型代表得到廣泛的研究，其一般具有測(cè)量精度高、分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，但測(cè)量范圍小，成本較高，且需要使用光譜分析設(shè)備。為了克服這些缺點(diǎn)，本文提出一種新型功率型光纖溫度傳感器，具有高精度、高分辨率、低成本的優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

2 功率型光纖傳感器測(cè)量原理

2.1 光纖折射率的變化機(jī)理

光在光纖中傳輸時(shí)，由于外界環(huán)境的變化引起光纖折射率的變化，從而導(dǎo)致傳輸光的頻率、相位、功率等發(fā)生變化。通過測(cè)量這些變化量，可實(shí)現(xiàn)對(duì)外部環(huán)境的測(cè)量。而功率型光纖溫度傳感器則是利用測(cè)量傳輸光功率的衰減實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度的測(cè)量。且在光纖溫度傳感器中光纖的材質(zhì)影響傳感器的測(cè)溫范圍［7－8］。本文采用聚合物包層光纖PCS(Plastic Clad Fiber)，其芯層和包層的熱光系數(shù)相反，當(dāng)溫度變化時(shí)，內(nèi)外層的折射率變化是相反的，可有效地提高溫度測(cè)量精度。

在功率型光纖溫度傳感器中，光纖的折射率主要是由材料的本征折射率、光纖的彎曲半徑以及環(huán)境的溫度決定。而本征折射率在光纖選定后是不能改變的，因此，有必要研究彎曲半徑和環(huán)境溫度對(duì)光纖折射率的影響。

2.2 光纖彎曲對(duì)折射率的影響分析

光纖彎曲對(duì)折射率的變化主要有兩個(gè)方面的影響:彈光效應(yīng)和幾何效應(yīng)。由彈光效應(yīng)引起的折射率改變稱之為本地折射率，幾何效應(yīng)是光纖的幾何形變使本來延直線傳輸?shù)墓獗黄妊貜澢膱A弧型傳輸，如圖1所示，這種折射率稱之為有效折射率。本地折射率真實(shí)地改變了光纖的折射率，而有效折射率其實(shí)是一種幾何變換，并沒有對(duì)材料的折射率有真正的改變，但卻對(duì)其中傳輸?shù)墓饩€造成客觀的影響。因此，有必要對(duì)彈光效應(yīng)進(jìn)行分析。

圖1 光纖環(huán)路Fig.1 Optical fiber loop

在直角坐標(biāo)(x－y)中，彈光效應(yīng)引起的折射率變化在光纖橫截面上的表示為:

這里，n0為未發(fā)生彎曲時(shí)材料的折射率;R為光纖彎曲半徑;P11，P12分別為光纖材料的彈光系數(shù);v為材料的楊氏模量。

由公式(1)可知，光纖發(fā)生彎曲時(shí)折射率呈線性梯度分布，且當(dāng)彎曲半徑R增大時(shí)分布梯度也隨之增大。

幾何路徑的改變對(duì)折射率的影響可以通過保角變換來描述，電場E在光纖中傳輸滿足亥姆霍茲方程。這樣彎曲部分的折射率分別可以等效為:

其中，－ρ＜r＜ρ。

結(jié)合彈光效應(yīng)可以求出有效彎曲半徑表達(dá)式:

這里Pij為材料的彈光系數(shù)結(jié)合，對(duì)應(yīng)聚合物材料Reff/R≈1.28。光纖折射率分布如圖2所示。

圖2 彎曲光纖折射率變化示意圖Fig.2 Schematic diagram of refractive-index change of bent fibers

最終，結(jié)合兩種折射率改變效應(yīng)后光纖折射率的表達(dá)式為:

其中，n210和n220分別為芯層和包層的本征折射率;表示為光纖的方位角。這樣，當(dāng)環(huán)境溫度改變時(shí)，由于熱光效應(yīng)會(huì)引起光纖芯層和包層的折射率變化，從而改變光纖中光的傳輸行為。因此，可以利用該現(xiàn)象檢測(cè)周圍環(huán)境相關(guān)參數(shù)。這里我們注意到對(duì)于纖芯為硅而包層為聚合物的光纖來說，當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，由于光纖內(nèi)外層熱光系數(shù)恰好相反(聚合物材料熱光系數(shù)為負(fù))，使得光纖內(nèi)外層的折射率向相反的方向變化，其差值會(huì)比普通光纖要大很多，即會(huì)大大提高測(cè)量的分辨率。

光纖內(nèi)外層折射率的差用數(shù)值孔徑表示，數(shù)值孔徑大代表攜帶光的能力強(qiáng)，相反則弱。根據(jù)公式(1)～(5)數(shù)值孔徑表達(dá)式為:

3 利用聚合物包層光纖進(jìn)行溫度測(cè)量

3.1 光功率與溫度變化分析

由公式(6)可知，NA值是一個(gè)與光纖折射率、芯徑、彎曲半徑相關(guān)的函數(shù);而環(huán)境折射率與光纖折射率可以通過熱光效應(yīng)得到，所以建立NA函數(shù)非常重要。

在這里選取階躍折射率光纖 PCS200，直徑200μm，芯徑材料為Silica，包層材料為Silicone，折射率n和熱光系數(shù)K見表1，可以看到PSC200光纖的最大特點(diǎn)為芯層和包層材料的熱光系數(shù)相反，n1和n2隨溫度變化的曲線的斜率相反，NA的變化率增大。

表1 PCS光纖相關(guān)參數(shù)Tab.1 The related parameters of the PCS fiber

圖3 光纖數(shù)值孔徑與彎曲半徑變化Fig.3 The Relationship of fiber NA to the bending radius

圖3是在常溫下NA隨彎曲半徑的變化關(guān)系，可見，當(dāng)R增大時(shí)，NA也隨之增大，并趨近于直光纖的NA(0.4);當(dāng)R減小時(shí)，NA逐漸減小，且這種趨勢(shì)越來越大，直至R=0，出現(xiàn)奇點(diǎn)。

3.2 測(cè)溫范圍

由以上分析可知，功率型光纖測(cè)溫技術(shù)是由溫度變化引起光纖參數(shù)變化進(jìn)行溫度測(cè)量的，這樣就存在兩個(gè)溫度測(cè)量臨界點(diǎn)Tc1、Tc2，Tc1、Tc2分別為光纖傳感器的測(cè)溫上限和下限，它們分別是由折射率和數(shù)值孔徑來決定。由于K1、K2符號(hào)相反，在溫度Tc1時(shí)，芯層和包層的折射率相等;當(dāng)溫度和彎曲半徑的對(duì)數(shù)值孔徑的影響也是反號(hào)的，所以也存在溫度Tc2使得在彎曲半徑R下的數(shù)值孔徑與未彎曲(R=∞)時(shí)的數(shù)值孔徑相等。測(cè)溫范圍由公式(11)、(12)計(jì)算，其隨彎曲半徑變化曲線如圖4所示。

圖4 溫度測(cè)量范圍Fig.4 The range ofmeasuring temperature

圖4表明功率型光纖測(cè)溫范圍與光纖彎曲半徑有關(guān)，當(dāng)彎曲半徑減小時(shí)，光纖的測(cè)溫上限提升;光纖彎曲半徑增大時(shí)，測(cè)溫上線和下限同時(shí)下降，并趨近于R=∞的測(cè)溫范圍。在理論上如果光纖環(huán)的半徑過小(與光纖直接可比擬)會(huì)產(chǎn)生奇點(diǎn)，即測(cè)溫下限反而高于上限，但實(shí)際上是不會(huì)發(fā)生的。

4 功率型光纖溫度傳感器測(cè)溫實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)條件和裝置

功率型光纖溫度傳感器測(cè)溫實(shí)驗(yàn)示意圖如圖5所示，由輸入設(shè)備、測(cè)量設(shè)備和標(biāo)定設(shè)備等組成。在實(shí)驗(yàn)裝置中，采用632 nm激光器作為入射光源，探測(cè)器采用Thorlabs公司的可見光硅探測(cè)器s120作為實(shí)驗(yàn)探測(cè)器，測(cè)量光功率，采用FuyuanHFY-101低溫黑體作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行溫度定標(biāo)。

632 nm的激光器產(chǎn)生的激光經(jīng)過耦合裝置入射到PCS，PCS在溫度傳感區(qū)域彎曲成半徑為R= 5mm的環(huán)，激光經(jīng)PCS再入射到功率探測(cè)器，該測(cè)量光路設(shè)為I1。為進(jìn)行光強(qiáng)對(duì)比將PCS通過消逝場與另外一路PCS耦合，因此，可以引出對(duì)比光路I0，同樣入射到光功率探測(cè)器上。但要求對(duì)比光路與測(cè)量光路的耦合點(diǎn)位置必須在溫度傳感區(qū)域以外，而不能在溫度傳感區(qū)的I2路。

在實(shí)驗(yàn)中，l0和l1路的探測(cè)信號(hào)用來做光強(qiáng)對(duì)比。雖然l2路的數(shù)值孔徑也發(fā)生了變化(隨溫度升高而變大)，但其內(nèi)部傳輸?shù)墓β什]有發(fā)生改變，仍然和l0路是相同的。由于實(shí)際測(cè)量是對(duì)功率測(cè)量，可以將l1路和l2路的功率值進(jìn)行對(duì)比。

圖5 功率型光纖溫度傳感器工作示意圖Fig.5 The schematic diagram of the power fiber temperature sensor

4.2 功率型光纖傳感器的測(cè)量精度

在實(shí)驗(yàn)中利用HFY-101黑體作為標(biāo)準(zhǔn)溫度源，調(diào)節(jié)黑體的溫度從室溫(20℃)到測(cè)溫下限(－60℃@R=5mm，－20℃@3mm)，再調(diào)節(jié)到測(cè)溫上限(60℃@R=5mm，80℃@3mm)，最后恢復(fù)到室溫狀態(tài)。每隔10℃測(cè)量溫度。經(jīng)過多次反復(fù)測(cè)量后，使用最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，校正后結(jié)果如圖6所示。

圖6 傳感器準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)Fig.6 The experiments of the sensor’s accuracy

從圖6中可以看出，由PCS200構(gòu)成的光纖環(huán)形溫度傳感裝置，在R=5 mm或R=3 mm時(shí)，在測(cè)溫極限范圍內(nèi)的測(cè)量精度都達(dá)到了0.1℃。

4.3 新型功率型光纖傳感器的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證功率型光纖傳感器測(cè)溫的穩(wěn)定性，在實(shí)驗(yàn)中調(diào)節(jié)低溫黑體HFY－101的溫度從－60℃逐步升高到40℃，且在每10℃停留20 min，對(duì)傳感器測(cè)量溫度的穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 傳感器測(cè)溫穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)Fig.7 The experiments of the sensor’s stability at themeasuring temperatures

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，功率型光纖溫度傳感器的穩(wěn)定性比較高，測(cè)溫穩(wěn)定性可以達(dá)到0.3℃/h。

5 結(jié)論

通過對(duì)光纖的彈光效應(yīng)和熱光效應(yīng)的研究，分析了功率型光纖溫度傳感器的測(cè)溫原理，即光纖損耗隨溫度和曲率的變化關(guān)系，給出了傳感器的測(cè)溫范圍和測(cè)量精度。并利用PCS200光纖內(nèi)外層材料熱光系數(shù)相反的特點(diǎn)提高了測(cè)溫精度。實(shí)驗(yàn)表明該功率型光纖溫度傳感器的測(cè)溫精度達(dá)到0.1℃。并且測(cè)量的穩(wěn)定性達(dá)到0.3℃/h。由于這種溫度傳感器采用以光纖為核心的光電測(cè)量系統(tǒng)，使其具有抗電磁干擾、易于與微機(jī)連接、長時(shí)間自動(dòng)化工作，在醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境監(jiān)控等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用價(jià)值。

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Fiber temperature sensor based on bent loss

WEIYa-hui1，ZHANG Min-juan2，LIXiao2
(1.Zhumadian Vocational and Technical College，Zhumadian 463000，China;
2.Engineering and Technology Research Center of Shanxi Provincial for Optical-Electric Information and Instrument，North University of China，Taiyuan 030051，China)

In order to achieve high precision temperature sensing，a new fiber temperature sensor is studied.The change of the environment temperature is perceived through the refractive index change，and this directly affects the transmission loss of light propagating in optical fiber.The influence of temperature and bent radius on refractive index is analyzed，namely the photoelastic effectand thermo-optic effect.The relationship between transmission loss，temperature range and the bending radius is obtained.Based on this，the accuracy and stability experiments of themeasuring temperature is done，the experiment results show that the power optical fiber temperature sensor has a high accuracy，low cost，ease of integration，and so on.

fiber temperature sensor;bent loss;refractive index;bent radius

TN29

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2014.05.015

1001-5078(2014)05-0549-05

山西省國際合作項(xiàng)目(No.2012081029)資助。

魏亞輝(1980－)，男，理學(xué)學(xué)士，講師，研究方向?yàn)閿?shù)字信號(hào)處理。E-mail:yhwei1980@163.com

2013-09-04;

2013-10-22