蔡偉勇余時帆陳哲敏胡朋兵李國水張建鋒楊菁怡王新淮董新永

(1. 浙江省計量科學研究院，杭州 310013； 2. 中國計量學院，杭州 310018)

0 引言

溫度是表征物體冷熱程度的物理量，是工農業(yè)生產、自動化控制、結構監(jiān)測、生物醫(yī)療等眾多領域中需嚴格控制的重要參數之一。溫度的測量與監(jiān)控直接影響材料的性能及產品的質量，從而最終影響整個現代化生產的進程。隨著生產的發(fā)展和科技的進步，新的領域、新的技術的出現對溫度的測量提出了更高的要求，傳統(tǒng)的測溫技術已不能適應新的要求。由于尺寸小、質量輕、制作簡單、靈敏度高、耐腐蝕及抗電磁干擾等優(yōu)點，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)(強電壓、強電流)、橋梁大壩、生物醫(yī)學等領域取代了傳統(tǒng)溫度傳感器。因此，研究光纖溫度傳感理論及其測量裝置成為當前最為迫切的任務之一。

目前，常見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)勢及特點，其中，基于光纖多模干涉結構溫度傳感器由于結構簡單、制作方便、成本低、靈敏度高等特點越來越受到廣大學者們的青睞，相關研究及報道也逐步開始出現。已報道的光纖多模干涉溫度傳感器大多數僅僅利用SMS結構自身的熱光系數及熱膨脹效應引起的傳播常數變化來實現溫度的測量[5]。因此，其溫度測量靈敏度低，和光纖光柵傳感器具有同數量級的溫度靈敏系數。近年來，研究者采用不同的方法，如使用光纖級聯(lián)SMS結構[6]、彎曲光纖SMS結構[7]、特殊包層多模光纖[8]及溫敏液體封裝[9]等來提高其溫度靈敏度。前兩種方法對溫度的靈敏度提高不多，但制作成本相對較低。特殊包層多模光纖需要廠家特殊制作，不利于批量生產，而且測量光譜差?；跍孛粢后w封裝方法制作的溫度傳感器采用輻射膜進行測量，雖然具有極大的溫度靈敏度，但其測量動態(tài)范圍受到了限制，不利于實際場所的應用。

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量。實驗結果表明，在10～90℃范圍內獲得的最大靈敏度為-3.15nm/℃。

1 傳感器制作及工作原理

光纖傳感器的結構如圖1所示，包括SMS傳感結構、溫敏液體和毛細鋼管。其中，SMS傳感結構是采用一段無芯光纖與單模光纖進行無偏熔接而成。據相關報道，此結構的溫度靈敏度低(約10pm/℃)，然而對高折射率的測量卻比較有優(yōu)勢。為實現此結構的溫度增敏，使用折射率溫敏液體覆蓋其表面，并用毛細鋼管對其進行無縫封裝。

圖1 光纖多模干涉溫度傳感原理圖

圖2 光纖多模干涉結構內部光強分布示意圖

假設光源發(fā)出的光為單縱模光，則經過單模光纖并接近無芯光纖前端面時，光束依然保持著原有的特性。由于單模光纖與無芯光纖的模場不匹配，單縱模光在進入無芯光纖時將被激發(fā)出多個模式的光并繼續(xù)向前傳輸。由于不同模式的光之間產生耦合，導致無芯光纖內部出現能量的疊加或削弱現象,并沿光纖軸向呈周期性分布，即出現了自映像效應。圖2顯示了1550nm的光在SMS結構中的光強分布，無芯光纖的長度和折射率分別為40mm和1.457，與實際傳感器參數相同。由圖可見，光在無芯光纖中激發(fā)出了多個模式，且在纖芯處形成了兩次相交疊加，出現了自效應現象。因此，當輸入光為寬帶光或者掃描激光時，在輸出單模光纖端將形成穩(wěn)定的干涉光譜輸出。不妨假設無芯光纖中兩種不同的傳導模式分別為LP0m和LP0n(m，n為正整數)，則它們之間的相位差可表示為：

(1)

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

(2)

圖3 實驗裝置圖

2 實驗結果與討論

實驗裝置如圖3所示，由寬度光源、傳感器、光譜分析儀、標準溫度計及恒溫槽組成。傳感器中無芯光纖的長度為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℃范圍內穩(wěn)定、無揮發(fā)，且熱光系數(約3.91×10-4K-1)高。其中，寬度光源(THORLABS,SLD1550S-A1)的中心波長為1550nm、3dB帶寬為100nm。傳感器輸出光譜的波長漂移通過光譜分析儀(YOKOGAWA,AQ6370C)來直接監(jiān)測，光譜分析儀的波長分辨力為0.02nm。棒式標準溫度計(FLUKE, 1552AEx)為液體恒溫槽提供實時的溫度測量，可消除溫度讀取錯誤帶來的測量誤差，測量準確度為0.01℃。

實驗將傳感器固定在玻璃管側面，盡可能減少水的攪動給測量帶來的誤差。測量溫度間隔為10℃，每次測量前，需等待標準溫度計顯示不變，確保所記錄的數據真實、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，隨著溫度的增加，整個光譜發(fā)生了明顯的短波長漂移。但是，光譜的消光比卻增大了，這使得光譜諧振波長的確定更加容易，利于溫度的準確測量。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并非線性，且在低溫度范圍內具有更高的靈敏度。以上現象可解釋為：當溫度增加時，所填充的溫敏液體的折射率變小，并逐步遠離無芯光纖的折射率，導致SMS結構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，達到了增強干涉的效果。在實驗中，使用光纖光柵(FBG)作為環(huán)境溫度的參考，可以消除環(huán)境溫度對傳感器帶來的交叉敏感。由于整個實驗過程處于恒溫條件下，所以FBG中心波長未發(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隨溫度變化的關系。在溫度從10℃增加到90℃時，諧振波長從1565.99nm漂移到1471.02nm，波長漂移量達91.97nm。整體上看，波長與溫度成較好的單調函數關系，且在40～90℃內可近似為線性關系。對數據進行局部擬合可知，10℃時傳感器的溫度靈敏度可近似為-3.15nm/℃；90℃時傳感器的溫度靈敏度可近似為-0.33nm/ ℃，顯然，比未封裝前的SMS結構傳感器的靈敏度高300倍[5]。

圖5 輸出光譜的諧振波長隨溫度的變化

為了考察傳感器的重復性及可逆性，實驗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℃內傳感器的重復性及可逆性較好，最大波長波動約為0.97nm(溫度波動約為0.4℃)；而在10～40℃內傳感器的重復特性及可逆性較差，最大波長波動約為3.03nm(溫度波動約為1℃)。但是，傳感器的整體響應趨勢一致，其波動原因可能為恒溫槽水的流動引起的波長波動、溫敏液體的泄漏及封裝的缺陷造成的波長漂移等。

圖6 輸出光譜的諧振波長隨時間的變化

圖6顯示了不同溫度下傳感器的諧振波長隨時間的變化。顯而易見，光譜諧振波長隨時間呈現出穩(wěn)定的變化趨勢。經數據分析得出，在10℃溫度下，傳感器的穩(wěn)定性較差，波長波動約為0.37nm；而在90℃溫度下，傳感器具有較好的穩(wěn)定性，波長波動僅約為0.007nm?；谝训玫降撵`敏度，相應的溫度波動可計算為0.12℃和0.02℃。這種波動性差異主要產生于傳感器靈敏度對溫度的依賴性，在低溫下高的靈敏度導致了較大的溫度波動。

以上實驗結果表明，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。據光譜分析儀的波長分辨力0.02nm，其溫度分辨力可算為0.006℃。通過對數據插值和濾波處理或采用高精度解調裝置，可進一步提高溫度分辨力(<0.001℃)。由于受實驗條件的限制，實驗的測量溫度僅為10～90℃。實際上，此傳感器可適用于-7 ～138℃的溫度測量(由折算率液體工作范圍決定)。

3 結論

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。通過結合折射率溫敏液體和毛細鋼管對SMS結構進行封裝，有效地提高了傳感器的溫度靈敏度。實驗測得的靈敏度高達-3.15nm/℃，是普通光纖SMS傳感器的300倍。通過提高封裝技術和選擇最優(yōu)溫敏液體，可以進一步完善該傳感器的各項性能。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用潛力。

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