段丹陽， 程 進， 高 然， 逯丹鳳， 祁志美

(中國科學(xué)院 電子學(xué)研究所 傳感技術(shù)國家重點實驗室，北京 100190)

基于光纖法布里—珀羅干涉儀的溫度傳感器*

段丹陽， 程 進， 高 然， 逯丹鳳， 祁志美

(中國科學(xué)院 電子學(xué)研究所 傳感技術(shù)國家重點實驗室，北京 100190)

提出了一種基于光纖法布里—珀羅(F-P)干涉儀的溫度傳感器，傳感器的敏感部分是一段兩端研磨為平面的單模光纖，它的一端與一根單模傳光光纖相接以形成一個反射面，另一端與空氣接觸形成另一個反射面，這兩個反射面與敏感部分光纖形成本征光纖F-P干涉儀(IFPI)。分析了該光纖溫度傳感器的溫度響應(yīng)特性，制作了傳感器原理樣機，搭建了測試平臺，并對原理樣機進行了測試。在25～30 ℃的范圍內(nèi)對傳感器進行了標(biāo)定，測得溫度響應(yīng)靈敏度為21.504·2 πrad/℃，溫度分辨率為0.046 ℃。實驗結(jié)果表明：該傳感器對溫度有較好的線性響應(yīng)和較高的靈敏度，且制作工藝簡單，成本低，具有良好的應(yīng)用前景。

光纖溫度傳感器； 本征法布里—珀羅干涉儀； 單模光纖； 溫度響應(yīng)

0 引 言

自1988年光纖法布里—珀羅(optical fiber Fabry-Pérot,F-P)傳感器被Lee C E等人[1]成功制作以來，廣泛應(yīng)用于溫度、應(yīng)變、壓力、振動等多種參量的測量[2～4]。這種傳感器具有靈敏度高、體積小、響應(yīng)速度快、抗電磁干擾等優(yōu)點。根據(jù)F-P腔結(jié)構(gòu)形式的不同可以分為本征型F-P干涉儀(intrinsic F-P干涉儀 interferometer，IFPI)光纖傳感器和非本征型F-P干涉儀(extrinsic F-P干涉儀 interferometer，EFPI)光纖傳感器。其中，IFPI光纖傳感器直接利用對外界參量具有敏感能力的光纖作為其腔體；EFPI光纖傳感器的腔體為兩個反射端面之間的空氣隙。

與EFPI光纖傳感器相比，IFPI光纖傳感器具有更小的插入損耗和更靈活的傳感光纖段[5]。IFPI光纖傳感器最重要的在于傳感探頭的制作，目前國內(nèi)外學(xué)者提出了多種制作方法，這些方法主要分為兩類：一種是采用鍍膜方法制作F-P腔，例如在1988年，Lee C E等人[1]通過磁控濺射的方法在一根單模光纖的兩個端面鍍上1 400×0.1 nm厚的TiO2膜作為反射鏡，并在低電流和短時間的條件下將其2端和另外2根單模傳輸光纖熔接起來制成光纖IFPI傳感器，該傳感器可以對溫度、應(yīng)變等進行測量；另一種是利用特殊光纖與普通光纖的折射率差來形成F-P腔，例如在2007年，Rao Y J等人[6～8]將單模光子晶體光纖(EPCF)熔接到普通單模光纖的末端，利用折射率差異成功制作了光纖IFPI傳感器。其中鍍膜方法涉及復(fù)雜的工藝并且薄膜在熔接時易被損壞；采用特殊光纖與普通光纖熔接的方法則需要較高的成本。

針對目前IFPI光纖傳感器存在制作工藝復(fù)雜的問題，本文提出了一種制作工藝簡單的IFPI光纖溫度傳感器。該光纖溫度傳感器的敏感部分是一段兩端研磨為平面的單模光纖，它的一端采用標(biāo)準(zhǔn)光纖連接器與一根單模傳光光纖相接(傳光光纖與傳感光纖接觸的端面也研磨為平面)，另一端與空氣接觸。結(jié)構(gòu)中，傳感光纖在空氣中的端面為一個光反射面，傳感光纖與傳光光纖接觸面為另一個光反射面，這兩個反射面與傳感光纖形成IFPI。本文還給出了該光纖溫度傳感器的溫度響應(yīng)理論模型，制作了IFPI光纖溫度傳感器原理樣機并對原理樣機進行了測試。本文提出的IFPI光纖溫度傳感器制作工藝簡單，無需鍍膜和熔接，成本較低，并且有很高的測量靈敏度，因此具有很重要的現(xiàn)實意義。

1 傳感器結(jié)構(gòu)與原理

1.1 F-P傳感器結(jié)構(gòu)與工藝

本文提出的IFPI光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。其中F1是傳光光纖，F(xiàn)2是傳感光纖，P1是傳光光纖的一個端面，P2和P3分別是傳感光纖的兩個端面，其中P1與P2通過光纖法蘭盤FL相連。圖1(b)是該傳感器的原理示意圖。圖1(c)是該傳感器的實物圖。

圖1 IFPI溫度傳感器結(jié)構(gòu)、原理及實物圖

在圖1(a)所示結(jié)構(gòu)中，P1與P2形成的界面為本征FP腔的一個反射面，P3為其另一個反射面。如圖1(b)所示，當(dāng)光從傳光光纖入射，部分光在P1與P2形成的界面處反射回傳光光纖，另一部分光透射進入傳感光纖，并在P3處反射。這束反射光沿傳感光纖繼續(xù)傳播并耦合回傳光光纖。由于第2束反射光在傳感光纖中多傳播了一個來回，這兩束反射光產(chǎn)生干涉。由于兩個界面的反射率都比較低，因此形成低精細度的F-P干涉，該干涉可近似為雙光束干涉。

制作本文提出的IFPI光纖溫度傳感器只涉及端面研磨工藝。采用中心加壓的光纖研磨機將光纖端面P1,P2和P3研磨成平面，通過改變研磨砂紙的規(guī)格、以及研磨時間，控制形成的兩個反射面的反射率，以形成高對比度的干涉光譜。該工藝簡單、易實現(xiàn)、重復(fù)性好、工藝成本低。

1.2 系統(tǒng)裝置和檢測原理

基于圖1所示的傳感器結(jié)構(gòu)搭建了IFPI光纖溫度傳感器的實驗裝置，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。DFB半導(dǎo)體激光器、本征F-P傳感模塊、光電探測器分別連接到環(huán)形器的三個端口。系統(tǒng)中，光的傳輸路徑為：激光器發(fā)出單色光1，經(jīng)環(huán)形器進入本征F-P傳感模塊，從F-P腔(即F2光纖)的兩端反射面反射回來的光2和光3匯合后發(fā)生干涉，此干涉光經(jīng)過環(huán)形器到達光電探測器。干涉光信號轉(zhuǎn)換成電信號后通過數(shù)據(jù)采集卡連接到計算機，經(jīng)過一定的信號處理，得到溫度變化信號。

圖2 IFPI光纖溫度傳感器實驗裝置圖

這里，反射光2是作為參考光。設(shè)兩束相干光波的強度分別為I1，I2，則兩束相干光波的光程差和干涉后的光強分別為[9]

δ=2nL

(1)

(2)

式中 L為F-P腔長，n為傳感光纖纖芯折射率，φ=4πnL/λ 為兩束反射光波的相位差，λ為單色光在自由空間的波長。當(dāng)系統(tǒng)搭建好以后，I1，I2的值都為定值，則檢測的干涉信號是兩束干涉光波在外作用下產(chǎn)生的光相位φ的函數(shù)。通過獲取干涉信號的相位φ的變化，實現(xiàn)該光纖IFPI傳感器對外界參量的傳感。

2 溫度傳感基本原理

在光纖中傳播的光的相位由以下3個因素決定[10]：光纖波導(dǎo)的物理長度；光纖折射率徑向分布；光纖波導(dǎo)的橫向幾何尺寸。當(dāng)IFPI傳感器置于溫度變化的環(huán)境中，由于光纖的熱光效應(yīng)和光纖材料的熱膨脹效應(yīng)，會直接引起上面三個因素的變化，從而產(chǎn)生相位變化。由溫度變化引起的相位的變化為

Δφ=ΔφL+Δφn+Δφd

(3)

式中ΔφL為光纖長度變化產(chǎn)生的相位變化，稱為應(yīng)變效應(yīng)；Δφn為光纖折射率變化產(chǎn)生的相位變化，稱為光彈效應(yīng)；Δφd為光纖波導(dǎo)橫向幾何尺寸變化產(chǎn)生的相位變化，稱為泊松效應(yīng)[11]。

長度變化ΔL時相位變化量為

(4)

折射率變化Δn時相位變化量為

(5)

光纖波導(dǎo)橫向幾何尺寸變化Δd引起的相位變化量為

(6)

對于單模光纖，泊松效應(yīng)引起的光纖直徑變化所產(chǎn)生波導(dǎo)傳播常數(shù)的變化很小，故可以忽略不計[12]。

當(dāng)溫度改變ΔT時，相位的變化為

(7)

由式(7)可以看出，相位的變化正比于溫度的變化，因此獲得相位變化就可以得到待測的溫度變化。

3 溫度響應(yīng)實驗與分析

3.1 實驗系統(tǒng)

IFPI光纖溫度傳感器的測量系統(tǒng)由Pt100鉑電阻、溫度采集模塊和溫控箱組成。

實驗中，將IFPI光纖溫度傳感器的傳感光纖部分和Pt 100一同放置于熱容量較大、導(dǎo)熱快的金屬塊之中，以保證它們溫度相等。再將金屬塊放在溫控箱的中心，如圖3所示。在緩慢改變溫控箱溫度的過程中，計算機通過溫度采集模塊測量并存儲Pt 100感受的溫度值；同時，計算機通過數(shù)據(jù)采集卡得到IFPI光纖溫度傳感器返回的干涉信號，經(jīng)過信號處理解調(diào)出干涉信號的相位差信息，實現(xiàn)IFPI光纖溫度傳感器對溫度的測量。

圖3 IFPI光纖溫度傳感器溫度測量系統(tǒng)

3.2 IFPI光纖溫度傳感器的標(biāo)定

搭建好系統(tǒng)以后進行了溫度標(biāo)定實驗，將溫控箱的溫度由25 ℃升到30 ℃。通過光電探測器探測到傳感器的輸出干涉信號，如圖4所示。從圖中可以看出：在升溫的過程中，干涉條紋隨時間快速移動，這表明該傳感器對溫度變化有良好的響應(yīng)；干涉光譜的對比度約為0.7，這說明獲得的信號信噪比高。

利用條紋計數(shù)的方法對圖4(d)中采集到的輸出信號進行解調(diào)，求出升溫時間段內(nèi)干涉信號的相位變化，通過溫度采集模塊可得到同一時間段內(nèi)的溫度變化。圖5給出了升溫過程中相位變化和溫度變化的關(guān)系，擬合的標(biāo)定曲線為y=21.504x+1.668，線性度達到0.999 2，由此可以得出該傳感器的溫度響應(yīng)靈敏度為21.504·2π rad/℃。這意味著要產(chǎn)生一個2π的相位變化，對應(yīng)需要的溫度變化值為1/21.504 ℃=0.046 ℃，也即該IFPI光纖溫度傳感器的溫度分辨率大約為0.046 ℃。

圖4 不同時間下與整個升溫過程中光電探測到的干涉光強信號

圖5 相位變化與溫度變化的標(biāo)定曲線

3.3 IFPI光纖溫度傳感器的溫度測量

完成標(biāo)定后，利用得到的標(biāo)定系數(shù)就可以實現(xiàn)IFPI光纖溫度傳感器對溫度變化的測量。圖6是溫度由30 ℃升到35 ℃過程IFPI光纖溫度傳感器和Pt 100鉑電阻的測量結(jié)果，橫坐標(biāo)是溫度采集模塊通過Pt 100測得的溫度，縱坐標(biāo)是IFPI光纖溫度傳感器測得的溫度。從圖中可以IFPI傳感器測出的溫度值與Pt100鉑電阻測出的溫度值基本吻合，其線性度為0.998 9。

圖6 IFPI光纖溫度傳感器測量結(jié)果

4 結(jié) 論

實驗結(jié)果表明:該傳感器對溫度具有良好的線性響應(yīng)，測得的溫度響應(yīng)靈敏度為21.504·2π rad/℃，溫度分辨率為0.046 ℃，實驗測量值與實際溫度值基本吻合。該傳感器靈敏度高，而且制作工藝簡單，成本低，具有潛在的應(yīng)用前景。

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Temperature sensor based on optical fiber Fabry-Pérot interferometer*

DUAN Dan-yang, CHENG Jin, GAO Ran, LU Dan-feng， QI Zhi-mei

(State Key Laboratory of Transducer Technology,Institute of Electronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)

A temperature sensor based on optical fiber Fabry-Pérot(F-P)interferometer is proposed.The sensitive part of the sensor is a single mode fiber with both ends are grinded to plane.One end of the sensitive fiber is connected with another single mode fiber to form a reflective surface.The other end of the sensitive fiber is exposed to air to form another reflective surface.The two reflective surfaces and the sensitive optical fiber constitute an intrinsic optical fiber F-P interferometer(IFPI).Temperature response characteristics of the optical fiber temperature sensor is analyzed,optical fiber temperature sensor principle prototype is manufactured and test platform is built up,test on prototype is performed.The temperature sensor is calibrated at temperature range of 25～30 ℃.The temperature sensitivity is 21.504·2π rad/℃and temperature resolution is 0.046 ℃.Experimental results demonstrate that this sensor has good linear response to temperature and high sensitivity.This kind of sensor has a good application prospect because of its simple fabrication process and low cost.

optical fiber temperature sensor; intrinsic Fabry-Pérot(F-P)interferometer;single-mode optical fiber; temperature response

10.13873/J.1000—9787(2017)04—0124—04

2016—04—28

國家自然科學(xué)基金資助項目(61377064, 61401432,61501425);中國博士后科學(xué)基金資助項目(2015M571118)

TP 29

A

1000—9787(2017)04—0124—04

段丹陽(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向為光纖傳感技術(shù)。

祁志美(1967-)，男，通訊作者，博士，研究員，主要從事納米光電功能材料、光MEMS技術(shù)、集成光波導(dǎo)傳感器與系統(tǒng)等方面的研究工作,E—mail:zhimei-qi@mail.ie.ac.cn。