蔡偉勇余時(shí)帆陳哲敏胡朋兵李國(guó)水張建鋒楊菁怡王新淮董新永

(1. 浙江省計(jì)量科學(xué)研究院，杭州 310013； 2. 中國(guó)計(jì)量學(xué)院，杭州 310018)

0 引言

溫度是表征物體冷熱程度的物理量，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、自動(dòng)化控制、結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)療等眾多領(lǐng)域中需嚴(yán)格控制的重要參數(shù)之一。溫度的測(cè)量與監(jiān)控直接影響材料的性能及產(chǎn)品的質(zhì)量，從而最終影響整個(gè)現(xiàn)代化生產(chǎn)的進(jìn)程。隨著生產(chǎn)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，新的領(lǐng)域、新的技術(shù)的出現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量提出了更高的要求，傳統(tǒng)的測(cè)溫技術(shù)已不能適應(yīng)新的要求。由于尺寸小、質(zhì)量輕、制作簡(jiǎn)單、靈敏度高、耐腐蝕及抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，光纖溫度傳感器已被廣泛研究，并逐步在石油化工、電力系統(tǒng)(強(qiáng)電壓、強(qiáng)電流)、橋梁大壩、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域取代了傳統(tǒng)溫度傳感器。因此，研究光纖溫度傳感理論及其測(cè)量裝置成為當(dāng)前最為迫切的任務(wù)之一。

目前，常見(jiàn)的光纖溫度傳感器包括光纖光柵溫度傳感器[1]、光纖分布式溫度傳感器[2]和光纖干涉型溫度傳感器[3, 4]等。它們均有各自的優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)，其中，基于光纖多模干涉結(jié)構(gòu)溫度傳感器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便、成本低、靈敏度高等特點(diǎn)越來(lái)越受到廣大學(xué)者們的青睞，相關(guān)研究及報(bào)道也逐步開始出現(xiàn)。已報(bào)道的光纖多模干涉溫度傳感器大多數(shù)僅僅利用SMS結(jié)構(gòu)自身的熱光系數(shù)及熱膨脹效應(yīng)引起的傳播常數(shù)變化來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量[5]。因此，其溫度測(cè)量靈敏度低，和光纖光柵傳感器具有同數(shù)量級(jí)的溫度靈敏系數(shù)。近年來(lái)，研究者采用不同的方法，如使用光纖級(jí)聯(lián)SMS結(jié)構(gòu)[6]、彎曲光纖SMS結(jié)構(gòu)[7]、特殊包層多模光纖[8]及溫敏液體封裝[9]等來(lái)提高其溫度靈敏度。前兩種方法對(duì)溫度的靈敏度提高不多，但制作成本相對(duì)較低。特殊包層多模光纖需要廠家特殊制作，不利于批量生產(chǎn)，而且測(cè)量光譜差?；跍孛粢后w封裝方法制作的溫度傳感器采用輻射膜進(jìn)行測(cè)量，雖然具有極大的溫度靈敏度，但其測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍受到了限制，不利于實(shí)際場(chǎng)所的應(yīng)用。

本文提出了一種基于多模干涉的光纖溫度傳感器，其基本原理是基于多模干涉?zhèn)鞲衅鞯恼凵渎蕼y(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在10～90℃范圍內(nèi)獲得的最大靈敏度為-3.15nm/℃。

1 傳感器制作及工作原理

光纖傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括SMS傳感結(jié)構(gòu)、溫敏液體和毛細(xì)鋼管。其中，SMS傳感結(jié)構(gòu)是采用一段無(wú)芯光纖與單模光纖進(jìn)行無(wú)偏熔接而成。據(jù)相關(guān)報(bào)道，此結(jié)構(gòu)的溫度靈敏度低(約10pm/℃)，然而對(duì)高折射率的測(cè)量卻比較有優(yōu)勢(shì)。為實(shí)現(xiàn)此結(jié)構(gòu)的溫度增敏，使用折射率溫敏液體覆蓋其表面，并用毛細(xì)鋼管對(duì)其進(jìn)行無(wú)縫封裝。

圖1 光纖多模干涉溫度傳感原理圖

圖2 光纖多模干涉結(jié)構(gòu)內(nèi)部光強(qiáng)分布示意圖

假設(shè)光源發(fā)出的光為單縱模光，則經(jīng)過(guò)單模光纖并接近無(wú)芯光纖前端面時(shí)，光束依然保持著原有的特性。由于單模光纖與無(wú)芯光纖的模場(chǎng)不匹配，單縱模光在進(jìn)入無(wú)芯光纖時(shí)將被激發(fā)出多個(gè)模式的光并繼續(xù)向前傳輸。由于不同模式的光之間產(chǎn)生耦合，導(dǎo)致無(wú)芯光纖內(nèi)部出現(xiàn)能量的疊加或削弱現(xiàn)象,并沿光纖軸向呈周期性分布，即出現(xiàn)了自映像效應(yīng)。圖2顯示了1550nm的光在SMS結(jié)構(gòu)中的光強(qiáng)分布，無(wú)芯光纖的長(zhǎng)度和折射率分別為40mm和1.457，與實(shí)際傳感器參數(shù)相同。由圖可見(jiàn)，光在無(wú)芯光纖中激發(fā)出了多個(gè)模式，且在纖芯處形成了兩次相交疊加，出現(xiàn)了自效應(yīng)現(xiàn)象。因此，當(dāng)輸入光為寬帶光或者掃描激光時(shí)，在輸出單模光纖端將形成穩(wěn)定的干涉光譜輸出。不妨假設(shè)無(wú)芯光纖中兩種不同的傳導(dǎo)模式分別為L(zhǎng)P0m和LP0n(m，n為正整數(shù))，則它們之間的相位差可表示為：

(1)

由干涉理論可知，當(dāng)相位差滿足(2k+1)p 時(shí)，干涉光譜將達(dá)到能量的極小值點(diǎn)，其中k為整數(shù)。

(2)

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，由寬度光源、傳感器、光譜分析儀、標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)及恒溫槽組成。傳感器中無(wú)芯光纖的長(zhǎng)度為40mm，直徑與單模光纖相同，溫敏液體的折射率大小約為1.450，在-7～138℃范圍內(nèi)穩(wěn)定、無(wú)揮發(fā)，且熱光系數(shù)(約3.91×10-4K-1)高。其中，寬度光源(THORLABS,SLD1550S-A1)的中心波長(zhǎng)為1550nm、3dB帶寬為100nm。傳感器輸出光譜的波長(zhǎng)漂移通過(guò)光譜分析儀(YOKOGAWA,AQ6370C)來(lái)直接監(jiān)測(cè)，光譜分析儀的波長(zhǎng)分辨力為0.02nm。棒式標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)(FLUKE, 1552AEx)為液體恒溫槽提供實(shí)時(shí)的溫度測(cè)量，可消除溫度讀取錯(cuò)誤帶來(lái)的測(cè)量誤差，測(cè)量準(zhǔn)確度為0.01℃。

實(shí)驗(yàn)將傳感器固定在玻璃管側(cè)面，盡可能減少水的攪動(dòng)給測(cè)量帶來(lái)的誤差。測(cè)量溫度間隔為10℃，每次測(cè)量前，需等待標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)顯示不變，確保所記錄的數(shù)據(jù)真實(shí)、可靠。傳感器在不同溫度條件下的輸出光譜如圖4所示。由圖可見(jiàn)，隨著溫度的增加，整個(gè)光譜發(fā)生了明顯的短波長(zhǎng)漂移。但是，光譜的消光比卻增大了，這使得光譜諧振波長(zhǎng)的確定更加容易，利于溫度的準(zhǔn)確測(cè)量。另一方面，光譜的漂移量隨著溫度的增大卻逐漸減小，表明了傳感器的響應(yīng)并非線性，且在低溫度范圍內(nèi)具有更高的靈敏度。以上現(xiàn)象可解釋為：當(dāng)溫度增加時(shí)，所填充的溫敏液體的折射率變小，并逐步遠(yuǎn)離無(wú)芯光纖的折射率，導(dǎo)致SMS結(jié)構(gòu)的折射率靈敏度降低，最終降低了傳感器的溫度靈敏度。并且，折射率的變小有效地抑制了無(wú)芯光纖中的高階模式的泄漏，降低了干涉模式之間的幅度差，達(dá)到了增強(qiáng)干涉的效果。在實(shí)驗(yàn)中，使用光纖光柵(FBG)作為環(huán)境溫度的參考，可以消除環(huán)境溫度對(duì)傳感器帶來(lái)的交叉敏感。由于整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程處于恒溫條件下，所以FBG中心波長(zhǎng)未發(fā)生漂移。

圖4 不同溫度條件下傳感器的輸出光譜

圖5給出了傳感器的干涉光譜的諧振波長(zhǎng)隨溫度變化的關(guān)系。在溫度從10℃增加到90℃時(shí)，諧振波長(zhǎng)從1565.99nm漂移到1471.02nm，波長(zhǎng)漂移量達(dá)91.97nm。整體上看，波長(zhǎng)與溫度成較好的單調(diào)函數(shù)關(guān)系，且在40～90℃內(nèi)可近似為線性關(guān)系。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行局部擬合可知，10℃時(shí)傳感器的溫度靈敏度可近似為-3.15nm/℃；90℃時(shí)傳感器的溫度靈敏度可近似為-0.33nm/ ℃，顯然，比未封裝前的SMS結(jié)構(gòu)傳感器的靈敏度高300倍[5]。

圖5 輸出光譜的諧振波長(zhǎng)隨溫度的變化

為了考察傳感器的重復(fù)性及可逆性，實(shí)驗(yàn)分別研究了傳感器的溫度上升和下降情況。由圖5可知，在40～90℃內(nèi)傳感器的重復(fù)性及可逆性較好，最大波長(zhǎng)波動(dòng)約為0.97nm(溫度波動(dòng)約為0.4℃)；而在10～40℃內(nèi)傳感器的重復(fù)特性及可逆性較差，最大波長(zhǎng)波動(dòng)約為3.03nm(溫度波動(dòng)約為1℃)。但是，傳感器的整體響應(yīng)趨勢(shì)一致，其波動(dòng)原因可能為恒溫槽水的流動(dòng)引起的波長(zhǎng)波動(dòng)、溫敏液體的泄漏及封裝的缺陷造成的波長(zhǎng)漂移等。

圖6 輸出光譜的諧振波長(zhǎng)隨時(shí)間的變化

圖6顯示了不同溫度下傳感器的諧振波長(zhǎng)隨時(shí)間的變化。顯而易見(jiàn)，光譜諧振波長(zhǎng)隨時(shí)間呈現(xiàn)出穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。經(jīng)數(shù)據(jù)分析得出，在10℃溫度下，傳感器的穩(wěn)定性較差，波長(zhǎng)波動(dòng)約為0.37nm；而在90℃溫度下，傳感器具有較好的穩(wěn)定性，波長(zhǎng)波動(dòng)僅約為0.007nm?；谝训玫降撵`敏度，相應(yīng)的溫度波動(dòng)可計(jì)算為0.12℃和0.02℃。這種波動(dòng)性差異主要產(chǎn)生于傳感器靈敏度對(duì)溫度的依賴性，在低溫下高的靈敏度導(dǎo)致了較大的溫度波動(dòng)。

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于溫敏液體填充的光纖多模干涉溫度傳感器具有非常高的溫度靈敏度和較好的工作穩(wěn)定性。據(jù)光譜分析儀的波長(zhǎng)分辨力0.02nm，其溫度分辨力可算為0.006℃。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)插值和濾波處理或采用高精度解調(diào)裝置，可進(jìn)一步提高溫度分辨力(<0.001℃)。由于受實(shí)驗(yàn)條件的限制，實(shí)驗(yàn)的測(cè)量溫度僅為10～90℃。實(shí)際上，此傳感器可適用于-7 ～138℃的溫度測(cè)量(由折算率液體工作范圍決定)。

3 結(jié)論

提出并研究了一種基于溫敏液體填充的高靈敏光纖多模干涉溫度傳感器。通過(guò)結(jié)合折射率溫敏液體和毛細(xì)鋼管對(duì)SMS結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝，有效地提高了傳感器的溫度靈敏度。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的靈敏度高達(dá)-3.15nm/℃，是普通光纖SMS傳感器的300倍。通過(guò)提高封裝技術(shù)和選擇最優(yōu)溫敏液體，可以進(jìn)一步完善該傳感器的各項(xiàng)性能。由于其高的溫度靈敏度和分辨率，該溫度傳感器具有巨大的應(yīng)用潛力。

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