長周期光纖光柵液體溫度傳感特性研究

謝 飛，梁麗麗

（河北工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，天津300401）

·光纖技術(shù)·

長周期光纖光柵液體溫度傳感特性研究

謝 飛，梁麗麗

（河北工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，天津300401）

從長周期光纖光柵溫度傳感特性的基本原理入手，分析了長周期光纖光柵在液體環(huán)境中的溫度傳感特性，并對其在液體溶液中和空氣中的溫度特性進行了對比實驗研究。實驗結(jié)果表明，長周期光纖光柵在液體中的溫度特性與在空氣中的一致，均隨著溫度的升高，諧振波長向長波長方向漂移，溫度降低時，諧振波長向短波長方向漂移，且基本成線性關(guān)系。在30℃到90℃范圍內(nèi)，液體環(huán)境溫度靈敏度約為0.079nm／℃，損耗峰幅值波動不超過2.3dB。

長周期光纖光柵（LPFG）；液體溫度傳感特性；溫度靈敏度；損耗峰幅值

1 引 言

長周期光纖光柵（LPFG）具有插入損耗小、無后向反射、透射光譜帶寬較寬、諧振波長對外界環(huán)境的變化敏感等優(yōu)點，抗電磁干擾，能在高腐蝕性危險環(huán)境中工作，在傳感和通信領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，因此LPFG越來越受到人們的重視，相關(guān)方面的研究［1－3］一直是熱點。在溫度傳感領(lǐng)域，在B／Ge光纖上用KrF準分子激光器制作LPFG，測得LPFG的溫度靈敏度為0.1 nm／℃［4］；用機械微彎變形法在單模光纖上制備LPFG用作溫度傳感器，所有的諧振波長在0℃到40℃溫度范圍內(nèi)，平均溫度靈敏度為180 pm／℃［5］。本文采用高頻CO2激光器在普通單模光纖上寫制的LPFG［6］，研究LPFG在液體環(huán)境中的溫度傳感特性。

2 基本理論

隨著溫度的變化，LPFG的透射譜也隨之發(fā)生變化，諧振波長［7－8］和損耗峰幅值［9］隨溫度的變化可表示為：

式中，λres，Pmax為LPFG的透射譜的諧振波長和損耗峰幅值；為纖芯基模和一次m階包層模的有效折射率為纖芯基模和一次m階包層模的有效熱光系數(shù)；k為模式間耦合系數(shù)；L為光柵長度；I為纖芯基模與一次m階包層模模場在纖芯中的重疊積分；ξco，ξcl為纖芯和包層的熱光系數(shù)。

在液體環(huán)境中與在空氣環(huán)境中相比，首先，LPFG外界環(huán)境的折射率改變了，空氣的折射率可以近似認為1，而水的折射率近似為1.33，對于普通單模光纖，纖芯的有效折射率取決于纖芯和包層的折射率，包層的有效折射率取決于纖芯、包層還有外界環(huán)境的折射率，所以折射率的改變直接影響著光纖的有效折射率；其次，在一定深度的液體環(huán)境下，光纖所承受的外界環(huán)境的壓強增大，LPFG對外界環(huán)境的變化敏感，壓強的不同使得LPFG進行溫度實驗的初始條件不同，會一定程度的影響實驗的結(jié)果；再次，液體環(huán)境對于外界的噪音等震動的傳播效果比空氣的好，所以相當(dāng)于液體環(huán)境放大了周圍環(huán)境的干擾因素等。多種外界因素都不同程度的影響LPFG的透射譜性能，也就不同程度的影響著LPFG溫度特性。

3 實驗裝置

本實驗均采用高頻CO2激光器寫制的LPFG進行溫度傳感測量，其實驗裝置如圖1所示。數(shù)顯液體溫度試驗箱控制和實時顯示LPFG所在環(huán)境的溫度值，寬帶光源作為輸入，光譜分析儀實時觀察和記錄不同溫度對應(yīng)的透射譜圖。為使LPFG保持水平直線狀態(tài)，LPFG通過液體底部的兩個輪軸，一端用光纖夾固定，一端懸掛重物。

圖1 LPFG液體溫度傳感特性實驗裝置圖Fig.1 Experimental setup of LPFG liquid temperature sensing characteristics

進行LPFG溫度傳感特性實驗時，讓溫度從20℃升溫到90℃，每升溫5℃等溫度穩(wěn)定后，在接下來的數(shù)分鐘內(nèi)不連續(xù)的記錄多次諧振波長和損耗峰幅值；降溫時從90℃降溫到20℃，每降溫5℃等溫度穩(wěn)定以后，在接下來的數(shù)分鐘內(nèi)不連續(xù)的記錄多次諧振波長和損耗峰幅值。同一個LPFG在空氣中用電阻爐改變溫度進行溫度傳感特性試驗，采用同樣的統(tǒng)計方法，記錄不同的溫度對應(yīng)的諧振波長和損耗峰幅值。

4 實驗結(jié)果及分析

將記錄的實驗數(shù)據(jù)進行分析可得諧振波長和損耗峰幅值隨液體溫度的變化關(guān)系，分別如圖2和圖3所示。

圖2 諧振波長隨溫度的變化關(guān)系Fig.2 Resonantwavelength with temperature

圖3 損耗峰幅值隨溫度的變化關(guān)系Fig.3 Loss of peak amplitude with temperature

由圖2可得，LPFG在液體中的溫度傳感特性與在空氣中的傳感特性一致，隨著液體溫度的升高，諧振波長向長波長方向漂移，隨著溫度的降低，諧振波長向短波長方向漂移，且基本成線性關(guān)系，對諧振波長隨升降溫的變化曲線分別進行直線擬合。諧振波長隨著溫度升高時，線性關(guān)系式為：λ1＝1574.611＋0.0794T；諧振波長隨著溫度的降低時，線性關(guān)系式為：λ2＝1574.73342＋0.07955T。由此可得，該LPFG在20℃到90℃范圍內(nèi)，在液體中的溫度靈敏度約為0.079 nm／℃。同理得到LPFG在50℃到350℃范圍內(nèi)，在空氣中的溫度靈敏度約為0.104 nm／℃。

由圖3可得，隨著液體溫度的升降，LPFG透射譜損耗峰幅值的波動不大，在20℃到90℃范圍內(nèi)，損耗峰幅值波動不超過2.3 dB?？諝庵校?0℃到350℃范圍內(nèi)，損耗峰幅值波動不超過1.6 dB。

如圖1所示的實驗裝置，在進行液體溫度傳感實驗時，干擾實驗結(jié)果的因素很多，主要包括：（1）LPFG與液體溫度試驗箱直接相連，在加熱的過程中，液體溫度試驗箱由于內(nèi)部系統(tǒng)的工作會帶來一定程度的振動；（2）水溶液在加熱到60℃以上時會發(fā)生響動并且伴隨有氣泡的出現(xiàn)；（3）加熱過程中，光柵浸在水中所受的水的壓力隨著水的蒸發(fā)發(fā)生改變；（4）液體溫度試驗箱的溫度精度為1℃，精度太低；（5）加熱的過程相對于降溫的過程要快，那么溫度上升與溫度下降時數(shù)顯顯示為同一溫度時記錄的透射譜圖，可能不是同一個溫度點，這就造成升降溫曲線吻合不好。LPFG對于外界環(huán)境的改變敏感，例如，溫度、壓力、折射率、震動等，且存在系統(tǒng)誤差；（6）裸纖直接與水分子接觸容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成羥基，化學(xué)反應(yīng)方程式如式（3）所示，羥基是光纖固有吸收衰減的主要成因。因此，在以上各因素的綜合影響下，諧振波長的溫度靈敏度偏低，升降溫曲線吻合不是很好，損耗峰幅值隨溫度的升降波動偏大。

5 總 結(jié)

本文搭建了研究LPFG液體溫度傳感的試驗系統(tǒng)，進行了LPFG在空氣環(huán)境和液體環(huán)境中的溫度傳感特性對比試驗，結(jié)果表明，LPFG在液體中也具有很好的溫度傳感特性，液體環(huán)境影響因素眾多，使得在液體環(huán)境中的溫度靈敏度和損耗峰幅值的穩(wěn)定程度都沒有在空氣環(huán)境中的好。隨著光纖種類的增多、封裝技術(shù)和增敏技術(shù)的改進、寫制技術(shù)的發(fā)展等，溫度靈敏度和溫度傳感可靠性將不斷提高，LPFG在液體傳感方面的應(yīng)用前景必將非常美好。

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Research on long period fiber grating liquid temperature sensing characteristics

XIE Fei，LIANG Li-li
（School of Information Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China）

Based on the temperature sensing characteristics of long period fiber grating，the temperature sensing characteristics in liquid environmentof LPFG are analyzed，and contrastive experiments research on temperature characteristics in the liquid and in the air are completed.Results show that LPFG temperature characteristics in liquid environment are consistentwith those in the air，and the resonantwavelength drifts towards long wavelength with the increase of temperature，the resonantwavelength drifts towards shortwavelength as the temperature falls，and it is basically in linear relationship.Within the range of 30℃to 90℃，the liquid environment temperature sensitivity is about 0. 079nm／℃，and the fluctuation of loss peak amplitude is less than 2.3dB.

LPFG；liquid temperature sensing characteristics；temperature sensitivity；loss peak amplitude

TN253

A

10.3969／j.issn.1001-5078.2014.02.0

1001-5078（2014）02-0200-04

河北省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計劃重點基礎(chǔ)研究項目（No.13960306D）資助課題。

謝 飛（1987－），男，在讀碩士研究生，主要從事通信與測控技術(shù)方面的研究。E-mail：yiyifei2007＠163.com

2013-06-21；

2013-07-12