光纖端面負載PAM薄膜的溫度傳感器

摘"" 要：目前商用化光纖光柵溫度傳感器仍然存在易受應力影響，光纖熒光和砷化鎵溫度傳感器無法與光纖通訊系統集成等缺陷。為了解決這一問題，提出一種通訊用單模光纖跳線陶瓷插芯端面上負載聚丙烯酰胺（Polyacrylamide，PAM）薄膜的溫度傳感器，通過探尋溫度與薄膜干涉光譜諧振谷波長之間的關系，實現了溫度的實時檢測。結果表明，在48℃～64℃的溫度范圍內，PAM溶液濃度為1%時，靈敏度為58.47pm/℃.該傳感器以通訊波段作為響應波長，可與光纖通訊系統直接集成，成本低，應力免疫，可用于各類設備的溫度監測場景。

關 鍵 詞：光纖端面；PAM薄膜； 溫度；傳感器

中圖分類號：TN253""" 文獻標志碼：A

Temperature sensor with PAM film loaded on the fiber end face

Abstract： Commercial fiber grating temperature sensors are vulnerable to stress and have deficiencies. Meanwhile， fiber fluorescence and gallium arsenide temperature sensors cannot be integrated into fiber communication systems.To address these problems， a temperature sensor integrating a polyacrylamide （PAM） film on the end face of the ceramic ferrule of the communication single-mode fiber jumper is proposed. By exploring the relationship between temperature and the wavelength of the resonant valley in the film's interference spectrum， real-time temperature detection is realized.The results show that within the temperature range of 48-64 ℃， when the concentration of the PAM solution is 1%， the sensor has the sensitivity of 58.47 pm/℃. This sensor， which takes the communication band as the response wavelength， can be directly integrated into the fiber communication system. It is low-cost and stress-resistant， and thus applicable to the temperature monitoring of various equipment.

Key words： fiber end face; polyacrylamide film; temperature; sensor

開關柜等電力設備在電力系統中的應用十分廣泛［1］，其溫度過高會導致故障甚至發生重大的電氣事故［2］。因此，實時、精準的溫度監測對于電力設備的安全運行至關重要。光纖溫度傳感器由于其良好的抗電磁干擾特性和高靈敏度，是強磁場環境溫度監測領域的研究熱點［3］。目前已經商用化的點式光纖溫度傳感器主要有光纖光柵溫度傳感器、光纖熒光溫度傳感器和光纖砷化鎵溫度傳感器，但仍然存在易受應力影響，或無法與光纖通訊系統集成等缺陷。而干涉型光纖溫度傳感器因其多路復用和高靈敏度的優勢被廣泛研究［46］，此類溫度傳感器多采用化學腐蝕、光纖拼接等方法在裸光纖上制備微腔，實現法布里珀羅干涉信號對溫度的解調［713］。但由于其工藝復雜，可重復性低，目前仍處于實驗室研究階段，無法實現商用化。為了解決這一問題，提出了一種通訊用單模光纖跳線陶瓷插芯端面上負載PAM薄膜的溫度傳感器，闡述了其溫度傳感機理、傳感探頭制備方法，并實驗測量了溫度與薄膜干涉光譜諧振谷波長之間的變化關系，證明了其作為溫度傳感器的可行性。

1 理論分析

該傳感器的結構如圖1（a）所示，干涉光路如圖1（b）所示，PAM薄膜由2個反射面構成，光纖陶瓷插芯-薄膜界面作為第一個反射面R1，薄膜-空氣界面作為第二個反射面R2。膜厚為h、板間介質的折射率為n。

光強為I0的一束寬帶光以θ角入射到表面R1時，入射光在上表面被分割為光束I1和折射光束，折射光束在下表面反射的同時，還有一部分能量透射出去，這就是圖中的透射光束I1。當從下表面反射回來的光再次透過上表面形成光束I1回去。因為這些光束都是從同一束光束分割而來的，滿足頻率相同、振動方向相同、相位差恒定。故在反射面（折射面）上形成干涉。當光垂直入射時，入射角θ=0°，由于法布里-珀羅干涉儀（Fabry-Pérot Interferometer，FPI）中每2束相鄰的反射光之間的光程差恒定，值為

設入射光波長為λ，F-P腔長為h，入射角為θ，則相鄰光束的相位差φ可表示為

假設第一束透射光的初相位為零，則各光束的相位依次為0，φ，2φ，3φ，……反射光的強度可以表示為

式中：R1，R2是2個反射面的反射率；I0是入射光的強度；η是來回傳播的光的透射系數；φ是固定的相移。FPI的光譜分辨率可以用精細度F來衡量，F可用式（4）來表示：

對于F-P 干涉儀，干涉條紋的自由光譜范圍（free spectrum range，FSR）是一項重要特征指標。定義為

式中：λm和λm+1分別表示干涉譜相鄰波峰或波谷所對應的波長；h為傳感探頭的腔長。干涉光譜波谷的波長可以表示為

由式（6）可知，λm取決于腔長h和折射率n，其相對變化可以表示為

式中：Δλm為波谷波長的變化量；Δn為折射率的變化量；Δh為腔長的變化量。PAM折射率變化量Δn與溫度T的表達式為

Δn=α（T－T0）（8）

式中：α為PAM的熱光系數，約為10-4，對于PAM材料，熱光效應要遠大于熱膨脹效應，所以腔長變化量可以忽略。由式（7），式（8）可知，諧振谷波長隨溫度變化的表達式可以表示為

2 傳感器制備

2.1 試劑與儀器

實驗中使用的光纖跳線為單模FC/APC-FC/UPC；實驗中使用的藥品為聚丙烯酰胺顆粒（天津眾聯）；實驗儀器有ASE寬帶光源（光譜范圍1525～1568nm），Bayspec解調儀（FBGA-F-1525-1605-FA），光纖熔接機（BAGGER S80A），光纖切割刀（TM-FC308），光纖環形器，恒溫恒濕箱。

2.2 傳感探頭的制備

首先要清洗燒杯，并將燒杯放到干燥箱干燥。此外準備適量的PAM粉末和去離子水。將磁力攪拌子放入燒杯中，加入適量的去離子水，將燒杯放在磁力攪拌器上，調節轉速為200r/min，常溫攪拌，持續攪拌直到燒杯中的PAM完全溶解。這個過程需要仔細觀察溶質是否完全溶解，當溶液呈完全透明時，溶解完成。配置了6種不同濃度的PAM膠液，分別為0.25%，0.5%，0.75%，1%，1.25%，1.5%。

將上述6種濃度的PAM溶液分別均勻旋涂涂覆在光纖跳線端面上。完成后將光纖跳線放置干燥箱中進行干燥。在這個過程中，控制干燥箱的溫度和濕度（RH，relative humidity）。在本實驗中，將干燥箱的溫度設置為60℃，相對濕度設置為30%，并將光纖跳線放置在干燥箱中2小時保證薄膜完全干透，完成敏感膜的制備。然后將其放在光學顯微鏡下觀察薄膜的均勻性，如果不夠均勻則需要再次旋涂。

2.3 實驗系統搭建

圖2（a）為實驗系統實物圖，圖2（b）為傳感系統的示意圖，該實驗裝置由ASE-C光源、PAM溫度傳感結構、光纖環形器、恒溫恒濕箱和BaySpec解調儀組成。在實驗過程中，將涂覆了PAM敏感膜的光纖跳線作為敏感單元，恒溫恒濕箱作為溫度的控制系統，實驗時設置恒溫恒濕箱的相對濕度為30%RH并保持恒定，防止濕度對實驗帶來的影響。在實驗過程中，寬帶光源發出的波長為1525nm～1568nm 的寬帶光經過環形器后到達傳感器，傳感器探頭2個反射面的反射光束將再次經過環形器后被解調儀實時接收并在電腦上顯示出光譜。

2.4 實驗研究及結果分析

采用圖2（a）中的裝置進行溫度傳感測試，將濃度分別為0.25%，0.5%，0.75%，1%，1.25%，1.5%的PAM溶液制備的光纖溫度傳感器放入到恒溫恒濕箱內，改變箱內的溫度為48℃，50℃，52℃，54℃，56℃，58℃，60℃，62℃和64℃，分別記錄解調儀接收的光譜數據如圖3～圖8所示.

由圖3（a）可以看出：當PAM濃度為0.25%時，溫度在48℃～64℃范圍內，諧振谷波長發生紅移。諧振谷波長隨溫度變化的關系如圖3（b）所示，干涉譜的諧振谷波長漂移量與溫度的線性度約為0.99144。測量的靈敏度約為 22.29pm/℃。

由圖4（a）可以看出：當PAM濃度為0.5%時，溫度在48℃～64℃范圍內，諧振谷波長發生紅移。諧振谷波長隨溫度變化的關系圖4（b）所示，干涉譜的諧振谷波長漂移量與溫度的線性度約為 0.98367。測量的靈敏度約為46.50pm/℃。

由圖5（a）可以看出：當PAM濃度為0.75%時，溫度在48℃～64℃范圍內，諧振谷波長發生紅移。諧振谷波長隨溫度變化的關系如圖5（b）所示，干涉譜的諧振谷波長漂移量與溫度的線性度約為0.98330。測量的靈敏度約為58.31pm/℃。

由圖6（a）可以看出：當PAM濃度為1%時，溫度在48℃～64℃范圍內，諧振谷波長發生紅移。諧振谷波長隨溫度變化的關系如圖（6）所示，干涉譜的諧振谷波長漂移量與溫度的線性度約為0.99559。測量的靈敏度約為58.47pm/℃。

由圖7（a）可以看出：當PAM濃度為1.25%時，溫度在48℃～64℃范圍內，諧振谷波長發生紅移。諧振谷波長隨溫度變化的關系如圖7（b）所示，干涉譜的諧振谷波長漂移量與溫度的線性度約為0.99853。測量的靈敏度約為29.94pm/℃。

由圖8（a）可以看出：當PAM濃度為1.5%時，溫度在48℃～64℃范圍內，諧振谷波長發生紅移。諧振谷波長隨溫度變化的關系如圖8（b）所示，干涉譜的諧振谷波長漂移量與溫度的線性度約為0.99853。測量的靈敏度約為14.28pm/℃。

為了探究PAM溶液濃度對傳感器靈敏度的影響，將以上6種不同濃度與靈敏度的關系繪制圖象，如圖9所示。從圖9中可以看出，當PAM膠液濃度從0.25%到1%時，隨著濃度的增大，傳感器靈敏度變大，從濃度為1%到1.5%時，隨著濃度的增大，傳感器靈敏度呈變小的趨勢。

3 結" 論

本文設計了一種光纖端面負載PAM薄膜的溫度傳感器，實驗結果表明：當PAM濃度在0.25%～1.5%時，在48℃～64℃，1%濃度的PAM溶液制備的溫度傳感器靈敏度達到最高，約為58.47pm/℃。該傳感器具有時間穩定性良好、制作方法簡單、成本低、體積小便于攜帶等優點，為開關柜內部溫度的實時監測提供了一種高效、可靠的解決方案。

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