增敏型級(jí)聯(lián)雙參量測(cè)量的光纖傳感器

彭 進(jìn),侯俊勇,陳 剛,陳貞屹,黃馨月

(1.西南石油大學(xué)信息學(xué)院,四川 南充 637001；2.重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,重慶 400054)

1 引 言

光纖傳感在惡劣環(huán)境監(jiān)測(cè)中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì),但光纖傳感器單參量測(cè)量時(shí),易受到非測(cè)量因素的干擾,影響測(cè)量精度[1-2]。針對(duì)交叉敏感問題,通常將對(duì)光纖傳感結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同設(shè)計(jì)、制作、加工,并結(jié)合靈敏度系數(shù)矩陣,實(shí)現(xiàn)雙參量或多參量的測(cè)量,可在一定程度上提高測(cè)量精度以及可信度[3]。目前常見光纖雙參量傳感器有利用光纖中的模間干涉形成干涉峰進(jìn)行測(cè)量的[4]；也有在同一傳感結(jié)構(gòu)中選取不同的傳感特征參量(強(qiáng)度、波長(zhǎng)等)來表征待測(cè)量變化實(shí)現(xiàn)測(cè)量的[5]；還有利用特種光纖構(gòu)建多個(gè)傳感器再進(jìn)行級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的[6]。可見解決液體折射率檢測(cè)中溫度和折射率交叉敏感問題,提高生產(chǎn)生活中液體折射率檢測(cè)精度測(cè)量是近年來傳感器研究設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)。

光纖光柵(FBG)與特種光纖構(gòu)造的馬赫-曾德爾(M-Z)干涉儀相結(jié)合實(shí)現(xiàn)溫度、折射率雙參量測(cè)量是可行有效的方案。Yao Q等人將特種光纖纖芯錯(cuò)位制作的 M-Z干涉儀與FBG級(jí)聯(lián)進(jìn)行折射率和溫度測(cè)量,靈敏度別為13.7592 nm/RIU和0.0462 nm/℃,線性度良好,但錯(cuò)位距離的可控性有待提高[7]。曹曄等人將單模光纖制備的球形結(jié)構(gòu)級(jí)聯(lián)FBG制備溫度和折射率傳感器,靈敏度分別為0.07245 nm/℃和87.65 nm/RIU,理論分析深刻到位但靈敏度有限[8]。溫芳芳等人利用大芯徑多模光纖與FBG設(shè)計(jì)并制作了溫度和磁場(chǎng)雙參量傳感器,靈敏度分別為15.9 pm/Oe和-161.7 pm/℃,制作工藝簡(jiǎn)單,但穩(wěn)定性有待探究[9]。申佳鑫等人利用FBG與空芯光纖多模干涉級(jí)聯(lián)構(gòu)造溫度和應(yīng)變雙參量傳感器,溫度靈敏度分別達(dá)到10.5306 pm/℃和1.8021 pm/℃,應(yīng)變靈敏度分別達(dá)到0.7207 pm/με和1.2432 pm/με結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易,但自制FBG刻?hào)懦杀靖甙篬10]。盡管雙參量測(cè)量工作有一定探索成果,但傳感器穩(wěn)定性、靈敏度等方面還有待提升。靈敏度高、制作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性強(qiáng)的FBG與特種光纖構(gòu)造的M-Z干涉儀級(jí)聯(lián)的傳感器仍有較好的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。

本文將單模光纖(SMF)和薄芯光纖(TCF)進(jìn)行拉錐熔接,通過多次熔接實(shí)驗(yàn),改變相應(yīng)熔接參數(shù),探究出最佳熔接效果；同時(shí)在薄芯光纖(TCF)另一端熔接無心光纖(NCF)制備出微型M-Z光纖干涉儀；最后在無芯光纖末端級(jí)聯(lián)上鋁制毛細(xì)管增敏封裝后的光纖光柵(FBG)完成雙參量光纖傳感器的制備。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試了傳感器溫度和折射率特性,結(jié)果表明干涉光譜呈現(xiàn)明顯偏移,且波谷偏移量與溫度和折射率變化線性度良好,靈敏度也相對(duì)較高。該傳感器為全光纖結(jié)構(gòu),穩(wěn)定性、抗腐蝕性、抗干擾能力得以保障；傳感單元通過熔接機(jī)級(jí)聯(lián),工藝簡(jiǎn)單,可控性高,重復(fù)性強(qiáng)；薄芯光纖的拉錐增敏特性[11]以及FBG封裝增敏效果,使得傳感器靈敏度高、交叉敏感度低。

2 傳感器的工作原理及制備

2.1 傳感器的工作原理

傳感器的基本原理如圖1(a)所示,從光源出來的光經(jīng)過單模光纖(SMF)與薄芯光纖(TCF)熔接的凹錐結(jié)構(gòu)(光纖纖徑局部縮小的錐形結(jié)構(gòu))會(huì)發(fā)生模場(chǎng)失配現(xiàn)象,進(jìn)而激發(fā)出高階包層模式。當(dāng)光到達(dá)無芯光纖(NCF)耦合結(jié)構(gòu)處時(shí)多種高階包層模式和纖芯模式發(fā)生干涉,其光強(qiáng)I表示為[9]:

(1)

式中,I為干涉信號(hào)的強(qiáng)度;Ico為纖芯模式光強(qiáng);Icl為包層模式光強(qiáng);φ0為初始相位;Δφ為纖芯模式和包層模式之間的相位差。由于不同模式之間的傳播常數(shù)不同,在傳播相同距離后,不同的模式會(huì)產(chǎn)生相位差,纖芯模式和包層模式產(chǎn)生的相位差為[12]:

(2)

式中,L為M-Z干涉結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度(從模場(chǎng)失配處到光耦合結(jié)構(gòu)處的幾何路徑,如圖1所示);λ為傳輸光的波長(zhǎng);Δneff為纖芯和包層有效折射率之差。當(dāng)相位差滿足(Δφ=(2m+1)π,m是正整數(shù))時(shí)發(fā)生干涉,可得到M-Z干涉峰波長(zhǎng)為:

圖1 本文完成的雙參量光纖傳感器Fig.1 Proposed dual-parameter optical fiber sensor

(3)

當(dāng)外界折射率和溫度同時(shí)發(fā)生變化時(shí),使得M-Z干涉峰發(fā)射漂移,干涉峰的相對(duì)漂移量可表示為[13]:

(4)

布拉格光纖光柵中心波長(zhǎng)滿足[14]:

λFBG=2neffΛ

(5)

其中,λFBG為FBG的中心波長(zhǎng)；Λ為光柵周期；其中λFBG對(duì)溫度變化靈敏,對(duì)折射率變化不靈敏,其波長(zhǎng)隨溫度的變化可以表示為:

(6)

(7)

式中,Pe為光纖有效彈光系數(shù),Pe=0.22；αs為封裝材料的熱膨脹系數(shù),以純鋁為套管封裝,αs=23.6×10-6/℃。計(jì)算出理論FBG的溫度靈敏度約為39.06 pm/℃,是未封裝增敏的FBG溫度傳感器的3.34倍。

FBG透射譜中心波長(zhǎng)與M-Z干涉波谷對(duì)應(yīng)折射率和溫度的靈敏度系數(shù)不同,已知監(jiān)測(cè)波長(zhǎng)漂移量時(shí),通過實(shí)驗(yàn)建立的靈敏度矩陣進(jìn)行求解可知對(duì)應(yīng)的溫度和折射率[10],即為:

(8)

2.2 傳感器的制作

該傳感器的實(shí)驗(yàn)制備材料:普通單模光纖(SMF)、薄芯光纖(TCF)纖芯和包層直徑2.5 μm/125 μm、空心光纖(NCF)、型號(hào)為FBG190916KZ的光纖光柵(FBG)、3m2144單組份環(huán)氧樹脂和毛細(xì)鋁管(內(nèi)徑126 μm,外徑1000 μm)；熔接機(jī)為古河S178C光纖熔接機(jī)；光源為康冠ASE寬帶光源；光譜分析儀使用的是橫河AQ6370D型光譜分析儀等。

首先,將普通SMF和長(zhǎng)為2 cm的TCF剝?nèi)ネ扛矊硬⑵涠嗣媲衅?放入光纖熔接機(jī),按照表1參數(shù)進(jìn)行熔融拉錐得到錐區(qū)為490.63 μm,錐腰為53.125 μm如圖1(b)所示的細(xì)錐結(jié)構(gòu),該細(xì)錐可將SMF纖芯基模激發(fā)成包層高階模；然后,將TCF另一端與長(zhǎng)約為2 cm的NCF普通熔接,使得TCF中更多的高階模式耦合進(jìn)入輸出端,增加干涉模式改善干涉條紋可見度,前端M-Z傳感單元制備完成；隨后,將柵區(qū)為10 mm的普通光纖光柵進(jìn)行封裝:先將FBG涂覆層除去并用酒精清潔,再截取長(zhǎng)度11 mm的毛細(xì)鋁管,使用砂紙打磨端面,形成截面規(guī)整長(zhǎng)度為10 mm的備用毛細(xì)鋁管,最后將清洗完成的FBG封裝入毛細(xì)鋁管中,再利用197 μL預(yù)處理后的環(huán)氧樹脂(利用活塞增減氣壓的方式減少環(huán)氧樹脂內(nèi)部氣泡)注入毛細(xì)鋁管中,連接并固定鋁管與光纖光柵,制作成增敏FBG溫度傳感器,如圖1(c)所示；最后,將FBG一段切平與制備完成的M-Z結(jié)構(gòu)用熔接機(jī)普通熔接級(jí)聯(lián),使傳輸損耗低于0.02 dB,制備完成增敏型FBG級(jí)聯(lián)M-Z結(jié)構(gòu)的雙參量光纖傳感器。

表1 熔接拉錐參數(shù)匯總Tab.1 Summary of taper welding parameters

3 測(cè)量實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

3.1 溫度傳感測(cè)試

溫度傳感器性能測(cè)試的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。實(shí)驗(yàn)中采用的光源為康冠ASE寬帶光源,數(shù)據(jù)采集為橫河AQ6370D型光譜分析儀,溫度控制裝置為WIGGENS公司生產(chǎn)的WH220-HT數(shù)字式加熱磁力攪拌器。將傳感器固定放置在純水溶液中,進(jìn)行溫度傳感實(shí)驗(yàn)。溫度范圍設(shè)定為15～85 ℃(由于實(shí)驗(yàn)時(shí)室溫在25 ℃,用冰塊使純水溫度降到15 ℃),每隔10 ℃記錄透射譜。

圖2 傳感器的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the experimental device of the sensor

傳感結(jié)構(gòu)在15～85 ℃升溫測(cè)試的光譜如圖3所示,可見隨著溫度的增大,輸出光譜FBG透射譜中心波長(zhǎng)(DipFBG)與M-Z干涉1544.48 nm監(jiān)測(cè)波谷(DipM-Z)都表現(xiàn)出明顯的紅移。將波長(zhǎng)偏移與溫度變化進(jìn)行線性擬合,如圖4所示,升溫過程中的M-Z結(jié)構(gòu)的溫度靈敏度為11.58 pm/℃,線性相關(guān)系數(shù)0.91577；FBG的溫度靈敏度為33.71 pm/℃,線性相關(guān)系數(shù)為0.96323,其靈敏度是未封裝的2.88倍,與理論計(jì)算相差5.35 pm/℃。

圖3 透射光譜與溫度的關(guān)系圖Fig.3 Relation between transmission spectra of the sensor and temperature

圖4 輸出光譜偏移量與溫度的關(guān)系圖Fig.4 Wavelength shift upon the temperature

3.2 折射率傳感測(cè)試

進(jìn)行傳感器測(cè)量折射率性能實(shí)驗(yàn)時(shí),通過配制不同濃度的氯化鈉溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0 %,1 %,2 %,3 %,4 %,5 %)得到具有不同折射率的溶液。利用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算[16]n=1.3331+0.00185c,c為溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比,計(jì)算出不同濃度的溶液折射率分別為1.333 RIU,1.33495 RIU,1.3368 RIU,1.33865 RIU,1.3405 RIU,1.34235 RIU。實(shí)驗(yàn)過程中,將傳感器浸沒在折射率溶液中,待透射譜穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)。為控制變量,氯化鈉溶液體積和溫度測(cè)試中水域加熱的純水體積一致；為避免殘留溶液的影響,每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后都用去純水將傳感器沖清洗晾干。如圖5所示,DipM-Z隨著外部折射率的增加,向短波方向發(fā)生漂移；而DipFBG對(duì)波長(zhǎng)無明顯變化。將折射率與監(jiān)測(cè)波谷的波長(zhǎng)線性擬合如圖6所示,DipM-Z折射率靈敏度為-493.51322nm/RIU,擬合系數(shù)為0.98761。

圖5 透射光譜與折射率的關(guān)系圖Fig.5 Relation between transmission spectra of the sensor and refractive index

圖6 輸出光譜偏移量與液體折射率的關(guān)系圖Fig.6 Wavelength shift upon the refractive index

3.3 測(cè)試結(jié)果分析

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,DipM-Z對(duì)溫度和折射率都靈敏,DipFBG對(duì)溫度靈敏．可以利用敏感矩陣得出波長(zhǎng)漂移量與溫度、折射率之間的關(guān)系。將實(shí)驗(yàn)中得到的溫度靈敏度系數(shù)和折射率靈敏度系數(shù)代入式(8)可以得到該系統(tǒng)溫度和折射率傳感的矩陣方程為:

(9)

封裝后的FBG未達(dá)到理想靈敏度,其主要原因有環(huán)氧樹脂存在雜質(zhì)和封裝工藝不完善使得應(yīng)力傳遞不均勻,毛細(xì)鋁管厚度不均和表面氧化分別導(dǎo)致啁啾失效和膨脹系數(shù)減小。通過靈敏度系數(shù)矩陣建立,該傳感器能有效解決液體折射率檢測(cè)中溫度和折射率交叉敏感問題,提高測(cè)量精度。

4 結(jié) 論

本文基于M-Z干涉原理及FBG模場(chǎng)理論,提出并制作了一種增敏型FBG級(jí)聯(lián)M-Z結(jié)構(gòu)的溫度、折射率雙參量傳感器,對(duì)不同溫度和折射率下對(duì)應(yīng)的光譜變化進(jìn)行了測(cè)量。結(jié)果表明:在15～85 ℃范圍內(nèi),所設(shè)計(jì)的光纖溫度傳感器的光譜隨溫度變化會(huì)發(fā)生偏移,且波長(zhǎng)漂移量與溫度變化呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系,且DipM-Z溫度靈敏度為11.58 pm/℃,線性相關(guān)系數(shù)0.91577；DipFBG溫度靈敏度為33.71 pm/℃,是未封裝的2.88倍,線性相關(guān)系數(shù)為0.96323。在1.333 RIU～1.34235 RIU折射率范圍內(nèi),隨著外部折射率的增加,DipM-Z向短波方向發(fā)生漂移,折射率靈敏度為-493.51322 nm/RIU,擬合系數(shù)為0.98761；而封裝后的DipFBG對(duì)折射率變化不敏感,波長(zhǎng)無明顯變化。該傳感器具有成本低廉、結(jié)構(gòu)緊湊、制作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),能廣泛應(yīng)用于環(huán)境和生物檢測(cè)、工業(yè)生產(chǎn)相關(guān)領(lǐng)域。