超短腔光纖法布里-珀羅低溫傳感技術(shù)研究

劉欽朋,王春芳,劉望飛,高 宏,王安立,李生輝

(1.西安石油大學(xué)理學(xué)院陜西省油氣井測(cè)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710065；2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司,陜西 西安 710069)

1 引 言

溫度是工業(yè)制造、生物醫(yī)學(xué)、燃料儲(chǔ)存等許多領(lǐng)域中基礎(chǔ)和重要的物理參數(shù)。凍土是一種對(duì)溫度極為敏感的土體介質(zhì),溫度會(huì)誘發(fā)凍脹和融沉等凍融災(zāi)害,對(duì)區(qū)域公路、鐵路、輸油管道和機(jī)場(chǎng)運(yùn)行帶來(lái)不利影響,增加其維護(hù)成本。因此,對(duì)凍土區(qū)建筑的溫度監(jiān)測(cè)也尤為重要。對(duì)于溫度的檢測(cè)需要借助溫度傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn),光纖溫度傳感器因結(jié)構(gòu)緊湊、制作方便、體積小、不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)而受到了廣泛關(guān)注[1-5]。溫度傳感機(jī)理是環(huán)境或待測(cè)溫度調(diào)制光信號(hào)的強(qiáng)度、相位、頻率、偏振、波長(zhǎng)等特征參量,通過(guò)解調(diào)光信號(hào)的這些特征參量的變化,獲得被測(cè)對(duì)象的溫度狀態(tài)。根據(jù)不同的光纖傳感器調(diào)制光信號(hào)的特征參量不同,可分為以下四類:波長(zhǎng)調(diào)制、相位調(diào)制、光強(qiáng)調(diào)制以及偏振態(tài)調(diào)制[6-11]。光纖法布里-珀羅(Fabry-Perot,FP)傳感器是一種最常見(jiàn)的相位調(diào)制型傳感器,按照其腔體材質(zhì)的不同可分為兩類:本征型光纖FP傳感器和非本征型光纖FP傳感器。本征型是指其FP腔介質(zhì)為光纖,非本征型則是FP腔介質(zhì)為除光纖外的空氣或者其他物質(zhì)。本征型光纖溫度傳感器的理論測(cè)量溫度通常都可以達(dá)到光纖所使用材料的熔點(diǎn),在高溫測(cè)量領(lǐng)域受到研究者的廣泛關(guān)注[12-15]。然而,由于光纖材料較低的熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù),本征型光纖溫度傳感器的靈敏度較低,因此,增敏技術(shù)成為光纖FP傳感器的一個(gè)研究熱點(diǎn)問(wèn)題,主要集中在新型光纖FP結(jié)構(gòu)增敏、雙腔構(gòu)造游標(biāo)效應(yīng)增敏以及填充介質(zhì)增敏三種增敏技術(shù)。Joel Villatoro[16]等人通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電弧放電技術(shù)將傳統(tǒng)單模光纖和折射率導(dǎo)引光子晶體光纖拼接在一起形成微氣泡式FP腔,在22～500 ℃溫度范圍內(nèi),傳感器的靈敏度小于1 pm/℃,Jiang Xiaogang[17]等人提出將腐蝕后的多模光纖經(jīng)電弧放電后形成FP腔,在20～1000 ℃范圍內(nèi),傳感器溫度靈敏度為2 pm/℃。基于石英光纖的FP腔傳感器的不足是石英材料對(duì)光學(xué)腔程改變的效果十分有限,傳感器的靈敏度通常都不高[18]。房一濤[19]等人提出采用液體腔的FP結(jié)構(gòu),在30～50 ℃范圍內(nèi),傳感器的靈敏度為243 pm/℃,楊易[20]等人提出將兩個(gè)FP腔串聯(lián)產(chǎn)生游標(biāo)效應(yīng),利用游標(biāo)效應(yīng)解調(diào),在15～80 ℃范圍內(nèi),傳感器的靈敏度提高到了179.30 pm/℃。然而,由于光纖FP腔溫度傳感器的測(cè)溫機(jī)理,基于FP腔的溫度傳感器的靈敏度和測(cè)溫范圍是相互制約的,因此,靈敏度提高的同時(shí),傳感器的溫度測(cè)量范圍在變小。

本文針對(duì)光纖FP腔溫度傳感器靈敏度和測(cè)量范圍的矛盾關(guān)系,提出一種基于超短腔大測(cè)量范圍的反射型光纖FP腔低溫傳感器,利用超短腔來(lái)擴(kuò)展FP腔的自由光譜范圍,構(gòu)造反射型光路提高光纖FP腔傳感器的應(yīng)用性,利用聚合物封裝材料提高空氣腔的溫度靈敏度,同時(shí)作為光纖FP腔的一個(gè)反射腔鏡?；谝陨蠋讉€(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)理念,可有效實(shí)現(xiàn)大范圍高靈敏低溫溫度的精確測(cè)量,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,傳感器具有較好的低溫傳感特性,有望滿足凍土等環(huán)境的低溫高精度測(cè)量需求,具有潛在的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2 傳感原理

2.1 傳感器設(shè)計(jì)和工作原理

基于超短腔FP傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示,為降低傳感器對(duì)待測(cè)環(huán)境的影響,將傳感器設(shè)計(jì)成探針結(jié)構(gòu),在外徑為0.3 mm的石英毛細(xì)管內(nèi)搭建光纖FP腔,單模光纖的端面構(gòu)成FP腔的一個(gè)反射面M1。在毛細(xì)管的另一端填充低溫光學(xué)性能良好的聚合物作為FP腔的另一反射面M2,實(shí)現(xiàn)反射式光纖FP腔,并借助聚合物的高熱膨脹系數(shù)來(lái)提高傳感器的靈敏度,從而構(gòu)造一個(gè)超短探針式反射型光纖FP腔。圖1中L表示腔長(zhǎng),當(dāng)入射光從單模光纖纖芯中傳播到第一個(gè)端面M1時(shí),一部分光被反射,另外一部分光繼續(xù)傳播,該部分光傳輸?shù)降诙€(gè)端面M2時(shí),再次發(fā)生反射進(jìn)入FP腔,這樣多次反射就形成了多光束干涉儀。

圖1 FPI光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)多光束干涉原理可知,FP腔反射光輸出強(qiáng)度為:

(1)

(2)

考慮到光在傳播過(guò)程中的半波損,因此相移φ滿足π的奇數(shù)倍時(shí),干涉譜中對(duì)應(yīng)出現(xiàn)諧振波谷,則干涉光譜中波谷所對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)可表示為:

(3)

式中,λm為光纖FP腔的干涉光譜中m級(jí)次波谷所對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)。當(dāng)溫度T改變時(shí),FPI的傳感機(jī)制是環(huán)境溫度調(diào)節(jié)腔長(zhǎng),

L=L0+αΔT

(4)

式中,L0是FP腔的初始腔長(zhǎng)；α是聚合物的熱膨脹系數(shù)；ΔT是傳感器所處外界環(huán)境溫度的變化量。從式(3)和式(4)可以看到,干涉結(jié)構(gòu)的光程差(OPD=nL)與溫度的變化成正比,從而導(dǎo)致光譜的漂移。因此,基于FP腔的光纖溫度傳感器響應(yīng)可歸因于腔的熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng),相應(yīng)的溫度靈敏度可表示為:

(5)

2.2 傳感器的制作

基于超短腔光纖FP低溫傳感器的制作,首先,使用光纖剝線鉗去除單模光纖(SMF-28)的涂覆層,然后使用光纖切刀將其端面切割平整,再將內(nèi)徑為0.15 mm、外徑為0.3 mm的石英毛細(xì)管長(zhǎng)度切割至20 mm。將毛細(xì)管浸入紫外膠(DDY7203-1)中近10 s,由于毛細(xì)管的虹吸效應(yīng),紫外膠逐漸被吸入毛細(xì)管內(nèi)部。然后,將毛細(xì)管暴露于紫外燈下約5 min,使紫外膠完全固化。待紫外膠完全固化后,將毛細(xì)管從另一端再切割一次,使其總長(zhǎng)度小于10 mm,因?yàn)樵趦?nèi)徑一定的情況下,毛細(xì)管的虹吸效果和長(zhǎng)度有關(guān),為了操作的便捷,在填充紫外膠時(shí),可以讓其尺寸長(zhǎng)一點(diǎn)。最后,將切割好的單模光纖從毛細(xì)管另一端插入,利用高精度微位移平臺(tái)嚴(yán)格控制光纖端面和紫外膠端面之間的距離,觀察其反射光譜。當(dāng)反射譜的自由譜顯示出需要長(zhǎng)度時(shí),控制紫外膠的用量使其穩(wěn)固粘合光纖與毛細(xì)管。FP腔的自由譜可表示為:

(6)

待紫外膠固化完成后,使用光學(xué)顯微鏡(OLYMPUS-SZ61)對(duì)制備的傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè),顯微鏡像圖如圖2所示,為FP腔在40倍物鏡下的鏡像圖,用標(biāo)尺測(cè)得腔長(zhǎng)大約為14 μm,保證了FP腔尺寸的結(jié)構(gòu)緊湊,可以將其封裝為小探針結(jié)構(gòu)。

圖2 FPI傳感結(jié)構(gòu)影像圖

因?yàn)閭鞲衅髟诓煌?jí)次的溫度靈敏度是有微小差別的,由公式(5)知光纖FP腔的不同級(jí)次的靈敏度不同,圖3、圖4給出了傳感器的溫度測(cè)量范圍與自由譜寬的關(guān)系以及傳感器靈敏度隨級(jí)次的變化關(guān)系。圖3顯示,隨著FP腔自由譜變大,傳感器的測(cè)溫范圍也在變大,表明自由譜寬對(duì)擴(kuò)展測(cè)溫范圍尤為重要。從圖4可以看到,干涉級(jí)次的變化對(duì)傳感器的靈敏度有影響,所以不同級(jí)次間的靈敏度不是嚴(yán)格一致的。因此,在同一個(gè)級(jí)次的測(cè)量,對(duì)傳感器的測(cè)量精確度至關(guān)重要。為了觀察FP腔腔長(zhǎng)對(duì)自由譜的影響,圖5給出了模擬計(jì)算得到的不同腔長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的三束反射光譜,各參數(shù)分別設(shè)置為:n1=1,n2=1,n3=1,L1=120 μm,L2=80 μm,L3=30 μm?？梢钥吹?隨著FP腔的腔長(zhǎng)變短,干涉光譜的自由譜寬在相應(yīng)地變大,因此通過(guò)超短腔來(lái)實(shí)現(xiàn)大自由譜,進(jìn)而擴(kuò)展溫度測(cè)量范圍的方案是可行的。當(dāng)傳感器制備完成后,其自由譜寬度和靈敏度也就相應(yīng)地確定了,傳感器同一個(gè)級(jí)次的測(cè)溫范圍ΔTFP是由自由譜范圍和靈敏度決定的,即:

(7)

圖3 傳感器的溫度測(cè)量范圍與自由譜寬的關(guān)系

圖4 FP腔傳感器靈敏度隨級(jí)次的變化關(guān)系

圖5 不同腔長(zhǎng)FP腔傳感器的模擬干涉光譜

3 實(shí)驗(yàn)裝置及結(jié)果分析

為了證明基于超短腔FP型光纖溫度傳感器的大測(cè)量范圍的可行性,對(duì)設(shè)計(jì)的光纖FP腔溫度傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)特性研究,光纖FP腔傳感器的溫度特性測(cè)試系統(tǒng)如圖6所示。將傳感器與光纖光柵解調(diào)儀(Optical sensing demodulator,TV125)連接,來(lái)自解調(diào)儀(波長(zhǎng)范圍1510～1590 nm)的輸入光經(jīng)過(guò)單模光纖到達(dá)傳感器,傳感器的反射信號(hào)經(jīng)單模光纖輸入給解調(diào)儀,計(jì)算機(jī)(PC)與解調(diào)儀相連,用于觀察傳感器的反射光譜并記錄數(shù)據(jù)。傳感器置于精密超低溫計(jì)量檢定恒溫槽(YM-CDC-R80)中,用于模擬低溫環(huán)境,其溫度控制精確度為±0.01 ℃,實(shí)驗(yàn)中光纖傳感器的溫度從-10 ℃變化至-40 ℃,期間每隔1 ℃對(duì)FPI傳感器反射光譜進(jìn)行一次采集。

圖6 光纖溫度傳感實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

為了進(jìn)一步研究傳感器的溫度響應(yīng)特性,對(duì)傳感器做了升降溫測(cè)試。圖7顯示了傳感器降溫過(guò)程中的反射光譜。由于光纖端面和聚合物端面反射率低的原因,反射光譜顯示出雙光束干涉的特性。從圖中可以看出,在1510 nm和1590 nm之間,FP腔的自由譜FSR大于80 nm。而根據(jù)顯微鏡下測(cè)量的腔長(zhǎng),我們理論計(jì)算出的自由譜為85 nm。因此在保持傳感器對(duì)溫度高靈敏響應(yīng)的同時(shí),傳感器可測(cè)量的溫度范圍也得到很大提高。當(dāng)溫度從-10 ℃降低至-40 ℃時(shí),紫外膠發(fā)生熱脹冷縮,腔的尺寸變長(zhǎng),傳感器的反射光譜向波長(zhǎng)較長(zhǎng)的方向移動(dòng),位移約為61.195 nm。并且傳感結(jié)構(gòu)在降溫過(guò)程中,傳感器的光譜強(qiáng)度也發(fā)生了一定程度的變化。當(dāng)溫度從-10 ℃下降至-40 ℃時(shí),反射光譜的強(qiáng)度增加了1.893 dBm,這跟聚合物表面曲率的變化有關(guān),溫度的變化導(dǎo)致聚合物表面發(fā)生凹凸變化,對(duì)諧振腔內(nèi)端面的反射率產(chǎn)生影響,引起傳感器強(qiáng)度發(fā)生變化。

圖7 -10 ℃～-40 ℃降溫過(guò)程中FPI的反射光譜溫度響應(yīng)特性

采用線性回歸方法擬合降溫測(cè)量所得數(shù)據(jù),結(jié)果如圖8所示。該傳感器的溫度靈敏度約為-2.066 nm/℃,相關(guān)系數(shù)R2=0.962,表明傳感器反射譜波谷中心波長(zhǎng)漂移量與溫度之間存在線性關(guān)系。影響傳感器腔長(zhǎng)和反射譜波谷中心波長(zhǎng)線性度的主要因素是填充聚合物的特性,因?yàn)楫?dāng)溫度在大范圍區(qū)間變化時(shí),紫外膠的熱膨脹系數(shù)在大范圍內(nèi)不穩(wěn)定。圖9顯示了傳感器升溫過(guò)程中的反射光譜特性。當(dāng)溫度從-40 ℃升高至-10 ℃時(shí),反射光譜向短波方向漂移了60.006 nm,并且反射光譜的強(qiáng)度相應(yīng)地降低了2.311 dBm。圖10是升溫過(guò)程中傳感器反射譜波谷中心波長(zhǎng)與溫度的擬合曲線。可以看出,傳感器溫度靈敏度為-2.021 nm/℃,線性擬合度為0.969。同時(shí),對(duì)比升降溫過(guò)程中同一溫度下波谷的中心波長(zhǎng),可看出該傳感器具有良好的重復(fù)性。

圖8 降溫過(guò)程中波谷中心波長(zhǎng)與溫度的擬合曲線

圖9 -40 ℃～-10 ℃升溫過(guò)程中FPI的反射光譜溫度響應(yīng)特性

圖10 升溫過(guò)程中波谷中心波長(zhǎng)與溫度的擬合曲線

4 結(jié) 論

本文通過(guò)制作超短腔來(lái)擴(kuò)大光纖FP腔溫度傳感器的測(cè)溫范圍,研制了一種結(jié)構(gòu)緊湊的探針?lè)瓷湫凸饫w溫度傳感器。詳細(xì)介紹了傳感器的制造工藝和工作原理。FP腔由石英毛細(xì)管中的聚合物和單模光纖構(gòu)成。精確控制聚合物端面和單模光纖端面之間的長(zhǎng)度,使得FP腔具有超大的自由光譜區(qū),因而可以測(cè)量更大的溫度變化范圍。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了傳感器樣品的溫度響應(yīng)特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,利用該方法獲得的傳感器,在-10～-40 ℃范圍內(nèi),溫度靈敏度為2.066 nm/℃,溫度分辨率為±0.0005 ℃,其相應(yīng)的溫度測(cè)量范圍較同靈敏度的光纖FP腔溫度傳感器得到擴(kuò)展,該傳感器結(jié)構(gòu)緊湊(<1 cm),靈敏度高且可靈活調(diào)節(jié),可望應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和凍土區(qū)路基等溫度檢測(cè)領(lǐng)域。