液體填充增敏型法布里-珀羅微腔光纖溫度傳感器

趙 瓊,王 偉,,寇琬瑩,陳海濱,黃 盼,栗曉爽

(1.西安工業大學兵器科學與技術學院,陜西 西安 7100021；2.西安工業大學光電工程學院,陜西 西安 7100021；3.西安冠華電子科技有限公司,陜西 西安710089)

1 引 言

光纖溫度傳感器由于結構緊湊、靈敏度高、耐高溫、耐腐蝕、響應速度快、抗電磁干擾、使用靈活等獨特優勢[1],被廣泛應用于高溫、高壓、強磁場干擾等極端條件下溫度傳感,為極端條件下的溫度測量鑄造了良好的基礎,受到了學術界與產業界的廣泛重視,已有不少光纖溫度傳感器實用化。

光纖溫度傳感器根據傳感原理可分為非干涉型溫度傳感器[2-5]和干涉型光纖溫度傳感器[6],相較于其他光纖溫度傳感器,干涉型光纖溫度傳感器具有更加優越的性能特點[7-8]:傳感元件尺寸不超過光纖本身,體積更小,系統結構更加緊湊,制作方式簡單,測溫光譜的變化僅由溫度變化而引起等,因此干涉型光纖溫度傳感器受到了大家的關注。光纖溫度傳感器其干涉機理主要包括馬赫—增德爾干涉效應[9-10]、法布里—珀羅干涉效應[11-12]等,其中法珀光纖溫度傳感器分辨率高,測量精度高,且具有結構簡單、單端輸入、單端輸出的特點,其靈敏度要比馬赫—增德爾光纖溫度傳感器高,同時法珀光纖溫度傳感器根據多光束干涉原理采用單根光纖測量溫度,避免了馬赫—增德爾光纖溫度傳感器傳感測量時兩根光纖的匹配問題。

法珀光纖溫度傳感器又有本征型[13]和非本征型[14-15]之分,其中非本征型法珀纖溫度傳感器是常用的法珀光纖溫度傳感器,傳統非本征型法珀光纖傳感器采用空氣為傳感腔體,其溫度靈敏度很低,不適宜進行溫度傳感測量,因此在此基礎上,對非本征型法珀光纖傳感器進行改進是法珀光纖溫度傳感器研究的熱點,具體體現在使用特殊材料代替石英毛細管[16]或高折射率材料填充腔體[17]制作法珀光纖溫度傳感器,但采用特殊材料制作的法珀光纖溫度傳感器制作成本較大,對鍍膜工藝有很高的要求,故而對低成本、高精度、高靈敏度的非本征型光纖溫度傳感器的研究得到廣泛關注。2016年,張杰等[18]制作了一種簡單結構的熔接式全石英非本征法珀光纖傳感器,進行溫度敏感度測量實驗,溫度敏感系數約為0.72 nm/℃,2017年,Wu等[19]利用單模光纖和空芯光纖進行熔接制作了非本征法珀光纖傳器,其溫度靈敏度為1.08 pm/℃,2019年,林啟敬等[20]單模光纖和空心光纖進行點膠固化制作了用于航空發動機的光纖FP溫度傳感器,靈敏度為0.012 nm/℃。

針對傳統非本征法珀光纖溫度傳感器的低溫度靈敏度以及使用特殊材料制作非本征法珀光纖溫度傳感器的高成本、難制作的問題,提出了一種基于液體填充的增敏型法布里-珀羅微腔光纖溫度傳感器,通過采用二氧化硅毛細管(Glass capillary,GC)和兩段單模光纖(SMF)來制作液體填充法珀微腔光纖溫度傳感器,同時使用高折射率溫度系數液體代替空氣作為傳感腔體,所研究的傳感器具有高的溫度靈敏度,可進行較大范圍的溫度測量。

2 結構與制作

所提出液體填充法珀微腔溫度傳感器,其結構如圖1所示。該傳感器由一段中空二氧化硅毛細管和兩段端面間隔為微米量級的單模光纖穿入其中而構成,其中,在毛細管內部、兩單模光纖之間填充有具有較高熱膨脹系數的液體以實現溫度增敏。在本文中,所填充液體為水。

圖1 液體填充法珀微腔光纖溫度傳感器結構簡圖

所提出液體填充法珀微腔光纖溫度傳感器的制作過程如下:去除兩根單模光纖的端面附近的涂覆層后,使用光纖切割刀切掉裸光纖的不平整端面,并做拋光處理,保證兩個光纖端面絕對平整并嚴格垂直于光纖軸線；將二氧化硅毛細管一端略浸入待填充液體液面一下,利用毛細效應將填充液體吸入毛細管內部；在光學顯微鏡下使用一對五維精密調節架將兩段單模光纖與精密對準并推送進入二氧化硅毛細管,待兩光纖端面距離達到預定的間距后,使用紫外固化膠(UV adhesive)將兩段光纖與二氧化硅毛細管粘結固定,形成液體填充法珀微腔光纖溫度傳感器。

3 液體填充法珀微腔溫度傳感、增敏與解調原理

對于腔長為L、腔內介質折射率為n的液體填充型法珀微腔光纖溫度傳感器而言,忽略衍射損耗與介質吸收等因素,對于波長為λ的光波,根據多光束干涉原理,其反射率可以表示為[21]:

(1)

其中,R為法珀微腔兩反射端面的反射率。由于所填充液體折射率與單模光纖熔石英材料的折射率通常相差不大,有R?1,光波在法珀微腔兩端面之間的多光束干涉效應可簡化為雙光束干涉效應,公式(1)通常可近似表示為:

(2)

如果采用寬帶光源,如ASE、SLED等照射該法珀微腔,光譜儀上將呈現反射光與光源光的疊加譜,則反射譜上會出現多個反射峰,反射峰波長位置滿足關系

(3)

其中,m為反射峰階次;λm為第m階反射峰所對應波長。

顯然,任意階次反射峰所對應波長位置為填充液體折射率n和法珀微腔腔長L的函數。由于熱光效應與熱膨脹效應,溫度變化會引起折射率n與法珀微腔腔長L的改變,從而影響反射光譜中反射峰波長位置與反射峰波長間隔。通過對反射光波長位置或反射峰波長間隔及其變化的監測,可以實現溫度參量的傳感測量。

通常情況下,熱光效應所導致折射率變化對波長位置的影響可以忽略,只需要考慮熱膨脹效應的影響。如果法珀微腔腔長變化ΔL,則m階反射峰波長位置變化量為

(4)

由于初始腔長L越小,在光源光譜范圍固定的條件下,可以在反射光譜中出現的反射峰的階次也就越低,即反射峰階次m的值越小,對于相同腔長變化量ΔL,在確定的反射光譜范圍內,短腔長法珀腔的反射峰的移動量大于較長法珀腔反射峰峰值波長的移動量。因此,采用微米量級腔長的法珀微腔本身就有助于提升傳感器的溫度靈敏度。在此基礎上,通過熱膨脹系數較高液體的填充,相同溫度變化條件下,法珀微腔的腔長變化量ΔL會明顯增加,從而顯著增加光纖溫度傳感器的靈敏度,此為液體填充法珀微腔光纖溫度傳感器的增敏原理[21-22]。

溫度傳感測量的關鍵是,由反射光譜精確解算不同溫度條件下法珀微腔的腔長,并利用溫度與法珀微腔腔長之間的關系反推溫度。根據公式(2),法珀微腔的反射光譜功率密度可以所示為:

IFP(λ)=RFP(λ)I0(λ)

(5)

其中,I0(λ)為波長λ位置的光源光譜功率密度。對安設光譜進行歸一化處理,考慮通常光譜分析儀輸出光譜數據的離散化特性,反射光譜可表示為:

(6)

其中,λk為光譜分析儀所輸出第k個離散光譜數據所對應的波長。采用相關解調方法對法珀腔的腔長進行解調。即構建腔長模板函數:

(7)

其中,l為模板法珀腔腔長。將之與反射光譜進行相關運算,有:

(8)

可以證明,該相關函數在l=L取最大值。因此可以通過構造模板函數,并與歸一化之后的反射光譜進行相關運算,尋找相關函數最大值的方法,確定法珀腔腔長,并利用腔長溫度關系,實現液體填充法珀微腔光纖傳感器的解調。

4 實驗與分析

根據前文所述制作方法,使用內徑為128 μm,外徑為320 μm的中孔二氧化硅毛細管與包層直徑為125 μm的標準單模光纖制作了法珀微腔光纖溫度傳感器,填充液體為水。

為了便于參照對比,另在相同實驗條件下制作了非填充空氣隙法珀微腔光纖溫度傳感器,為了保證腔長變化造成的光功率變化的單值性[22],兩光纖溫度傳感器腔長優化設計分別為12.140 μm、24.273 μm。

將制作好的傳感器連接至圖2所示溫度傳感實驗裝置,進行溫度特性測試表征實驗。所采用溫度傳感實驗裝置由SLED光源、光纖環行器、高溫爐和光譜分析儀構成。其中,光源采用美國Thorlabs公司的SLED寬帶光源(S5FC1550S-A2),其中心波長為1568 nm,3 dB帶寬約為90 nm,最大輸出功率3 mW。其輸出光譜為高斯型,見圖3。光譜分析儀(OSA)采用日本Anritsu公司生產的高精度光纖光譜分析儀(MS9740A),其光譜測量范圍為0.6～1.75,最高波長分辨率可達0.03 nm。使用可編程高溫爐(High Temperature Furnace,HTF)進行溫度控制和參照測量,其最高溫度可到達1200 K。將所制作液體填充法珀微腔光纖溫度傳感器置于HTF內部,且使傳感腔體位于加熱爐管中心處進行加熱測試。

圖2 液體填充法珀微腔光纖溫度傳感實驗裝置示意圖

圖3 SLED輸出光譜圖

室溫下,所制作液體填充法珀微腔光纖溫度傳感器及對照非填充空氣隙傳感器的反射光譜如圖4所示,由于腔體長度較短,在1475～1675 nm的光譜范圍內,只有有限的幾個反射峰出現。對液體填充法珀微腔光纖溫度傳感器進行升溫加熱實驗,可以發現反射峰均向長波長方向移動,如圖5所示,這是由于在溫度升高的條件下,法珀微腔在液體熱膨脹的作用下顯著拉伸使得腔長顯著變長的緣故,與理論預期相符。

圖4 室溫下輸出干涉光譜

圖5 液體填充法珀傳感器在不同溫度下輸出干涉光譜

根據公式(8),構造模板函數,對歸一化后的反射光譜數據進行相關處理,所得相關系數C(l)與模板法珀腔腔長關系如圖6所示。顯然,當l=L時,相關系數C(l)取最大值。利用該方法,可計算得到,所制作液體填充法珀微腔光纖溫度傳感器室溫下的腔長為12.140 μm。我們采用尋找相關系數最大值的方式對所有不同溫度條件下的法珀微腔腔長進行解算。

圖6 室溫下液體填充法珀微腔光纖溫度傳感器的自相關系數

以室溫下24.3 ℃為溫度基準點,同時設置高溫爐溫度以步長10 ℃變化,利用光譜分析儀記錄每組溫度條件下的光譜數據,根據上述相關解調方法,分別得到在不同溫度下的腔長值以及腔長變化量,腔長以及腔長變化量與溫度的關系曲線分別如圖7、8所示。可以看到,腔長以及腔長變化量與溫度整體呈線性關系。通過線性擬合,可得液體填充法珀微腔光纖溫度傳感器的腔長-溫度靈敏度2.18516 nm/℃,線性度為0.94652；作為參照的非填充空氣腔溫度傳感器腔長-溫度靈敏度為1.16923 nm/℃,線性度為0.94531。液體填充型法珀微腔光纖溫度傳感器相比于非填充型,其腔長-溫度靈敏度提高了一倍。顯然,液體填充的方式對于法珀微腔光纖溫度傳感器而言,有非常明顯的增敏效果。

圖7 法珀微腔光纖傳感器腔長-溫度關系曲線

圖8 腔長變化量與溫度關系曲線

5 總 結

為了提高法珀腔光纖溫度傳感器的靈敏度,提出了一種液體填充法珀微腔光纖溫度傳感結構,并采用相關算法進行了解調。采用標準單模光纖與二氧化硅毛細管制作腔長為微米量級的法珀微腔,并使用熱膨脹系數較高的液體進行填充,利用法珀微腔本身的靈敏度以及液體熱膨脹的增敏效果,實現了高靈敏度的光纖溫度傳感器。實驗所制作的液體填充法珀微腔光纖溫度的腔長變化量-溫度靈敏度達到了2.185 nm/℃,增敏效果明顯。