程君妮

(榆林學(xué)院能源工程學(xué)院,榆林 719000)

1 引 言

環(huán)境相對(duì)濕度(RH)是表示空氣中絕對(duì)濕度與同溫度下飽和絕對(duì)濕度的比值.濕度測(cè)量在氣象、農(nóng)林業(yè)、生物化學(xué)、建筑、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用.尤其在林業(yè)中,濕度是林火預(yù)報(bào)重要的衡量指標(biāo)之一,空氣中的水分含量是森林能否燃燒以及衡量林火蔓延速度的重要參數(shù).相對(duì)濕度越大,可燃物水分吸收越快,蒸發(fā)越慢,越不容易發(fā)生火災(zāi).所以濕度的測(cè)量尤為重要[1].

相比傳統(tǒng)的電類濕度傳感器,光纖傳感器具有響應(yīng)速度快、體積小等獨(dú)特優(yōu)勢(shì),而且可以實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量.目前已經(jīng)提出了多種不同結(jié)構(gòu)的光纖濕度傳感器,包括基于法布里-珀羅原理的光纖濕度傳感器[2?5],光纖布拉格光柵(FBG)測(cè)量法[6,7]、基于Mach-Zehnder原理的光纖(MZI)濕度傳感器[8,9],長(zhǎng)周期光纖光柵(LFPG)測(cè)量法[10]等.Shao等[11]提出一種基于單模光纖(SMF)-粗錐-SMF-粗錐-SMF結(jié)構(gòu)的濕度傳感器,濕度在50%RH—90%RH范圍內(nèi),傳感器靈敏度為?0.047 nm/%RH,但傳感器制作實(shí)驗(yàn)條件難以控制,同時(shí)未解決與溫度交叉靈敏問(wèn)題.Mather等[12]提出基于反射式光子晶體光纖(PCF)干涉儀以測(cè)量濕度.在40%RH—70%RH濕度范圍內(nèi),傳感器靈敏度為5.6 pm/%RH.然而,該傳感器響應(yīng)慢,有超過(guò)1 min的時(shí)間響應(yīng).Zhang和Tao[13]提出基于聚合物的布拉格光柵濕度傳感器.濕度在70%RH—95%RH范圍內(nèi),傳感器靈敏度為24 pm/%RH.盡管在FBG表面涂覆聚合物,對(duì)濕度顯示出非常高的敏感堵,但是響應(yīng)卻很慢.Liu等[14]提出將傳感器彎成S形以測(cè)量濕度.在26.5%RH—95.2%RH范圍內(nèi),傳感器靈敏度為1.1718 nm/%RH.然而未研究傳感器被彎成不同S形時(shí),對(duì)濕度的響應(yīng)特征.Mathew等[15]提出一種基于透射式PCF干涉儀,在其表面涂覆瓊脂糖溶液以測(cè)量濕度.在14%RH—86%RH濕度范圍內(nèi),傳感器靈敏度為0.06 dB/%RH.盡管該傳感器濕度靈敏度高,但是制造工藝十分復(fù)雜.張小康等[16]提出了一種雙包層單模光纖結(jié)構(gòu)傳感器,相對(duì)濕度在30%RH—100%RH范圍內(nèi)傳感器光強(qiáng)變化接近9 dB,但是未研究聚甲基丙烯酸甲酯和聚偏氯乙烯不同比例混合時(shí)傳感器對(duì)濕度響應(yīng)特征.張蕓山等[17]提出一種基于光纖錐級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的濕度傳感器.在濕度35%RH—95%RH范圍內(nèi),該傳感器靈敏度為?0.065 dB/%RH.然而未研究級(jí)聯(lián)不同長(zhǎng)度單模光纖的傳感器對(duì)濕度響應(yīng)差異.Yeo等[18]提出往FBG表面涂覆熱塑性聚酰亞胺材料以測(cè)量濕度靈敏度,該傳感器具有秒量級(jí)響應(yīng)時(shí)間.然而,FBG表面需要涂覆一層非常薄的涂層才能達(dá)到這個(gè)響應(yīng)時(shí)間,從而降低了濕度靈敏度.Wu等[19]提出一種單模光纖-細(xì)芯光纖-單模光纖結(jié)構(gòu)的MZI傳感器.濕度在80%RH—95%RH范圍內(nèi),傳感器透射譜波長(zhǎng)漂移量大,但測(cè)量范圍受到限制.

本文提出了一種單模光纖-光纖錐-多模漸變光纖-色散補(bǔ)償光纖-多模漸變光纖-光纖錐-單模光纖結(jié)構(gòu)的MZI濕度傳感器.通過(guò)利用恒溫恒濕試驗(yàn)機(jī)改變傳感器外界環(huán)境濕度,引起傳感器透射光譜發(fā)生變化.并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了溫度對(duì)傳感器透射譜的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該傳感器靈敏度高、制作簡(jiǎn)單且易封裝,因而具有用于測(cè)量濕度的潛在價(jià)值.

2 傳感器制作和理論分析

圖1為傳感器結(jié)構(gòu)示意圖.該傳感器是由商業(yè)熔接機(jī)制造.使用剝線鉗去除漸變折射率多模光纖(GI MMF)涂覆層,用蘸有酒精的棉花反復(fù)擦洗,用光纖切刀將其切成兩部分.將準(zhǔn)備好的一部分GI MMF和SMF放入熔接機(jī),在顯微鏡下調(diào)節(jié)成一條直線,調(diào)節(jié)熔接機(jī)參數(shù)并選擇單模-多模(SM-MM)熔接程序,得到SM-GI MM光纖錐.經(jīng)過(guò)多次錯(cuò)誤調(diào)試和嘗試,得到熔接光纖錐最優(yōu)參數(shù).設(shè)定的參數(shù)如下:首次放電強(qiáng)度+150,首次放電結(jié)束強(qiáng)度+120,預(yù)熔時(shí)間為300 ms,首次放電時(shí)間為1600 ms,Z推進(jìn)距離為180μm.按照同樣的方法和熔接參數(shù),得到另一個(gè)光纖錐.一段去除涂覆層的色散補(bǔ)償光纖(DCF)熔接在兩個(gè)GI MMF之間,構(gòu)成了單模光纖-光纖錐-多模漸變光纖-色散補(bǔ)償光纖-多模漸變光纖-光纖錐-單模光纖結(jié)構(gòu)的MZI傳感器.

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.Schematic diagram of the proposed sensing.

圖2(a)為使用該熔接參數(shù)制作的光纖錐實(shí)物照片.經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn),得到的光纖錐長(zhǎng)度維持在372—396μm范圍內(nèi),直徑在160—172μm范圍內(nèi)變化,且重復(fù)性較好.相比較標(biāo)準(zhǔn)SM和GI MM光纖(直徑125μm),被制造的光纖錐直徑更大.圖2(b)是DCF實(shí)物圖,圖3為GI MMF光纖錐接入和未接入傳感器時(shí)的透射譜.從圖3中可以看到,將GI MMF光纖錐接入傳感器,透射譜周期明顯增加,且條紋對(duì)比度更加明顯.這是因?yàn)楣饫w錐和GI MMF增大了光的發(fā)散角,從而使更多的光進(jìn)入下一段色散補(bǔ)償光纖包層中,增加包層模能量,有利于提高干涉條紋的對(duì)比度.因此,兩個(gè)GI MM光纖節(jié)點(diǎn)作為光耦合器.光從寬帶光源發(fā)出,通過(guò)SMF與GI MMF第一個(gè)光纖錐節(jié)點(diǎn)時(shí),一部分光會(huì)耦合進(jìn)GI MMF纖芯中,一部分光進(jìn)入到GI MMF包層中.在GI MMF傳輸?shù)墓饨?jīng)過(guò)DCF時(shí),由于纖芯失配等原因,一部分光耦合進(jìn)入DCF纖芯中傳輸,一部分光耦合進(jìn)入DCF包層中傳輸,激發(fā)包層模產(chǎn)生.在DCF與GI MMF第二個(gè)熔接節(jié)點(diǎn)處,包層模與纖芯基模相遇并耦合.由于纖芯和包層有效折射率不同,造成兩束光產(chǎn)生相位差,由此發(fā)生干涉現(xiàn)象.L表示DCF長(zhǎng)度.

圖2 (a)光纖錐實(shí)物照片;(b)DCF實(shí)物圖Fig.2.The photograph of(a)the waist-enlarged fi ber taper and(b)DCF.

圖3 (a)未接入GI MMF光纖錐的透射譜;(b)接入GI MMF光纖錐的透射譜Fig.3.The transmission spectra from the MZI(a)without and(b)with the graded-index multimode fi ber.

傳感器透射譜能量可以表示為[20]

其中I,Icore和為透射譜總光強(qiáng)、纖芯模光強(qiáng)和第m階包層模光強(qiáng);λ為中心波長(zhǎng);L為傳感器長(zhǎng)度;和為纖芯模和第m階包層模有效折射率.

當(dāng)光通過(guò)傳感器時(shí),由于光纖纖芯和包層折射率不同,在纖芯和包層傳輸?shù)膬墒饨?jīng)過(guò)傳感器后產(chǎn)生相位差.當(dāng)干涉譜能量達(dá)到最大值時(shí),相位差Δ?可表示為[21]

其中k為整數(shù),為產(chǎn)生干涉的傳導(dǎo)模有效折射率差.兩個(gè)干涉譜條紋之間的間隔表示為[22]

從(3)式中可以看到,兩干涉條紋之間的距離隨著傳感臂長(zhǎng)度L的增加而減少.

當(dāng)傳感器外界溫度恒定,濕度發(fā)生變化時(shí),對(duì)(1)式求導(dǎo),即得到相對(duì)濕度靈敏度計(jì)算公式[17]:

隨著環(huán)境中濕度逐漸增大,傳感器外部空氣折射率逐漸增大,導(dǎo)致包層有效折射率會(huì)增大,根據(jù)消逝波原理向外輻射的能量增多,導(dǎo)致包層模光強(qiáng)減少,而纖芯模光強(qiáng)Icore不變,所以傳感器透射譜光強(qiáng)減少.通過(guò)監(jiān)測(cè)光強(qiáng)I變化,可以檢測(cè)出空氣中濕度的大小.

實(shí)驗(yàn)中使用纖芯直徑4.65μm、包層直徑120μm的色散補(bǔ)償光纖、纖芯直徑50μm、包層直徑125μm的多模漸變光纖.使用商業(yè)熔接機(jī)在兩個(gè)GI MM光纖之間熔接一段DCF,得到MZI傳感器.調(diào)整DCF長(zhǎng)度,得到不同長(zhǎng)度的MZI傳感器,如圖4所示.其中GI MMF長(zhǎng)4 mm.從圖4中可以看到干涉譜周期性十分明顯,且條紋消光比較大,達(dá)到10 dB以上,滿足實(shí)際測(cè)量要求.當(dāng)DCF長(zhǎng)度增加時(shí),條紋自由光譜范圍(FSR)在減少,與(3)式理論分析一致.

為更一步理論分析,對(duì)透射譜進(jìn)行快速傅里葉變換,得到相應(yīng)的傅里葉空間頻譜,如圖5所示.空間頻譜ε關(guān)系為[20]

圖4 MZI透射譜 (a)S-1;(b)S-2Fig.4.Interference patterns of the fabricated MZI:(a)S-1;(b)S-2.

圖5 傳感器在空氣中透射譜的空間譜Fig.5.Spatial frequency spectrum of the sensor in the air.

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

圖6為濕度和溫度實(shí)驗(yàn)裝置圖.傳感器S-1和S-2被放置在密閉容器中,用來(lái)測(cè)量濕度.它由寬帶光源(BBS,Lightcomm,ASE-CL)、恒溫恒濕控制器(RH Chamber,Wewon,WHTH-225L)和光譜分析儀(OSA,Anritsu,MS9740 A)組成.由于彎曲損耗會(huì)造成MZI透射損耗,所以,傳感器被拉直且固定在樹(shù)脂玻璃上.樹(shù)脂玻璃上有氣孔分布,可以允許水分子通過(guò).傳感器頭尾端通過(guò)單模光纖連接到BBS和OSA.恒溫恒濕控制器濕度和溫度測(cè)試范圍是20%RH—98%RH和?20—150°C,測(cè)量誤差±1%RH和±1°C.

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.6.The schematic diagram of the relative humidity measuring system.

圖7為不同濕度條件下傳感器S-1和S-2的測(cè)量光譜.實(shí)驗(yàn)中傳感器S-1和S-2分別選取中心波長(zhǎng)1525.9 nm和1517.5 nm處的波峰作為監(jiān)測(cè)對(duì)象.不同顏色的線型代表不同濕度.溫度恒定在35°C,濕度從35%RH—85%RH每10%RH改變一次,記錄監(jiān)測(cè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的能量.從圖中可以看到,隨著空氣濕度不斷增加,傳感器S-1和S-2有相同的變化趨勢(shì),監(jiān)測(cè)點(diǎn)能量逐漸減小,最大變化達(dá)到了3.17 dB和3.36 dB;波長(zhǎng)發(fā)生紅移,最大漂移量分別為0.13 nm和0.22 nm,這與理論分析一致.由于干涉譜峰值能量的變化比峰值波長(zhǎng)變化明顯,且靈敏度更高,便于測(cè)量.

外界溫度改變,同樣也會(huì)引起透射光譜發(fā)生漂移.在恒定濕度條件下,當(dāng)外界溫度升高,空氣中水分子含量會(huì)減少,因此,測(cè)量濕度時(shí)也應(yīng)考慮溫度.本文對(duì)傳感器的溫度響應(yīng)做了實(shí)驗(yàn)研究.實(shí)驗(yàn)中傳感器S-1和S-2仍選取中心波長(zhǎng)1525.9 nm和1517.5 nm處的波峰作為監(jiān)測(cè)對(duì)象.將傳感器傳感部分懸空置于溫箱之中,然后加熱.濕度恒定在35%RH,溫度從35—85°C每10°C改變一次.圖8是不同溫度下傳感器S-1和S-2透射光譜.從圖中可見(jiàn),隨著溫度不斷升高,監(jiān)測(cè)點(diǎn)波長(zhǎng)發(fā)生紅移,分別漂移了1.51 nm和1.62 nm;而波峰能量分別變化了0.12 dB和0.16 dB,基本保持不動(dòng).

圖7 不同濕度下傳感器透射光譜 (a)S-1;(b)S-2Fig.7.The spectral responses of the sensor with different RHs:(a)S-1;(b)S-2.

圖8 傳感器在不同溫度下的透射光譜 (a)S-1;(b)S-2Fig.8.The spectral responses of the sensor with the temperature increasing:(a)S-1;(b)S-2.

圖9(a)和(b)是傳感器S-1和S-2監(jiān)測(cè)點(diǎn)能量與濕度的變化關(guān)系.從圖中可以看到,隨著濕度不斷增加,監(jiān)測(cè)點(diǎn)能量減少,對(duì)應(yīng)靈敏度分別為?0.0585 dB/%RH和?0.0668 dB/%RH,相關(guān)度為0.987和0.995,說(shuō)明傳感器波峰能量漂移量與濕度變化呈良好的線性關(guān)系.比文獻(xiàn)[17,20]中的濕度靈敏度低而高于文獻(xiàn)[21]的結(jié)構(gòu)靈敏度.在相同濕度變化范圍內(nèi)高于文獻(xiàn)[23]的結(jié)構(gòu)靈敏度.

圖9(c)和(d)是在不同溫度下傳感器的透射譜響應(yīng).隨著溫度升高,透射譜發(fā)生紅移,而能量變化幅度不大.這是由于熱膨脹和熱光效應(yīng)使傳感器長(zhǎng)度增長(zhǎng)和有效折射率差增大,透射譜發(fā)生紅移;而傳感器干涉譜漂移量較小,所以對(duì)干涉模式間能量調(diào)制不明顯.傳感器S-1和S-2溫度靈敏度分別為30.7 pm/°C和33.1 pm/°C,相關(guān)度為0.988和0.983.而在波峰處能量幾乎保持不變.

圖9 波峰能量與濕度變化關(guān)系 (a)S-1;(b)S-2;(c),(d)分別為(a),(b)的溫度響應(yīng)Fig.9.Relationship between peak power variation and surrounding RH of different sensors:(a)S-1;(b)S-2;(c),(d)are the temperature response of(a),(b)respectively.

4 總 結(jié)

提出了一種基于光纖錐級(jí)聯(lián)纖芯失配的MZI傳感器.通過(guò)監(jiān)測(cè)干涉譜能量變化實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度的測(cè)量.單模光纖和多模漸變光纖熔接光纖錐,色散補(bǔ)償光纖被夾在兩個(gè)多模漸變光纖,構(gòu)成了單模光纖-光纖錐-多模漸變光纖-色散補(bǔ)償光纖-多模漸變光纖-光纖錐-單模光纖結(jié)構(gòu)的MZI濕度傳感器.對(duì)該傳感器傳光理論進(jìn)行了分析,研究了對(duì)環(huán)境濕度變化的傳感特性.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,透射光譜能量隨濕度增大而減少,環(huán)境濕度在35%RH—85%RH范圍內(nèi)變化,一段由20 mm色散補(bǔ)償光纖組成的傳感器,其濕度靈敏度為?0.0668 dB/%RH,相關(guān)度為0.995.該傳感器制造容易、成本低、靈敏度較高,而且沒(méi)有涂覆任何吸濕增敏材料,因此,它可以成為一個(gè)實(shí)際測(cè)量濕度候選傳感器.

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