長周期光纖光柵雙峰諧振效應在乳化液濃度檢測的應用

吳清海

廣東科學技術職業學院,廣東 珠海 519090

乳化液在煤礦的液壓支柱、液壓支架和電牽引采煤機中應用廣泛，被譽為煤礦液壓設備的血液。如果乳化液的濃度不符合要求，比如濃度過小，則支架的穩定性、防銹性及潤滑性會受到嚴重影響，很容易導致液壓缸或者液壓支柱等將由于腐蝕嚴重而報廢。我國每年有相當數量的液壓支柱因腐蝕而損壞。如果濃度過高，則會帶來成本的較大增加且會降低消泡能力和增大對橡膠密封材料的溶脹性[1]。所以，實時監測乳化液的濃度在煤礦生產中有著重要的意義，目前對于乳化液濃度的檢測主要采用單片機或PLC等帶電設備，但這些電設備存在著一定的安全風險。

長周期光纖光柵是光纖傳感領域的一個重要的傳感器件，它對溫度、應力、振動、浸泡液體的折射率等都比較敏感，且由于它是一種非電類傳感器，故非常適合于使用在危險大的環境中[2,3]中，目前已有報道的應用有應力傳感器[4]、振動傳感器[5]、折射率傳感器[3]等。長周期光纖光柵除了具有傳統的機電類傳感器的優點外，還具有靈敏度高、動態范圍寬、不受電磁干擾、本質防爆等優點，故目前應用長周期光纖光柵作傳感器多有報道。尤其是在濃度測量領域，長周期光纖光柵傳感器由于其安全可靠靈敏度高等優點正受到越來越多的研究者的青睞。在本文中，通過對鍍膜長周期光纖光柵的諧振雙峰效應進行研究，發現液體濃度變化時兩諧振峰也跟著變化，此時可利用兩諧振峰之間的諧振波長的相對變化量來檢測液體濃度的變化。由于探測使用的是兩峰之間的漂移來探測，故其探測靈敏度遠比單峰探測為高，非常適合于對乳化液的濃度進行在線探測。

1 長周期光纖光柵的雙峰諧振現象

由光纖中的模式耦合理論，長周期光纖光柵中芯層模式和包層模式耦合的相位匹配公式[6]如下由光纖分別為芯層模式和包層模式的傳播常數，neffco和分別為芯層模式和1階υ次包層模式的有效折射率，Δβ為相位失諧量，為芯層導模的自耦合系數，Λ為光柵周期，λ為入射光波長。采用與文獻[7]相同的參數，研究了芯層模式和1階前21次包層模式耦合的入射光波長和相位失諧量Δβ的關系，其結果如圖1所示。由圖1可見，長周期光纖光柵的高階包層模式耦合(比如圖1中>18的包層模式的耦合)時不存在相位失諧量為0的點，而低階包層模式的耦合的相位失諧量Δβ=0則有兩個點，而且耦合的模式階次越小這兩個失諧點之間的波長距離越大。考慮到儀器觀察范圍，耦合包層模式階次較小(如包層模式1、2、3等)時相位失諧量為0的波長點之間的距離太大使得很難將兩個相位失諧點同時觀察得到。而包層模式處于中間(比如17,18次包層模式的耦合)時的耦合相位失諧點之間的波長距離則較小，其特性較好觀察。兩個諧振點的存在意味著同一包層模式與芯層模式的耦合存在兩個諧振峰，此即為鍍膜長周期光纖光柵的雙峰諧振現象[7-9]。

圖1 相位失諧量Δβ與入射光波長的關系Fig.1 The relationship between the Δβ and the incident light wavelengths

圖2 HE1,18包層模式耦合的透射譜Fig.2 The transmission spectrum of cladding mode HE1,18 coupling

為了直觀起見，圖2給出了HE1,18(1階17次)包層模式和芯層模式耦合時雙峰諧振現象的透射譜圖，由圖可以清楚看到該包層模式與芯層耦合時的諧振雙峰，兩峰之間的距離有約800 nm，這點與文獻[10-12]中研究的結果一致。

2 長周期光纖光柵測液體濃度的原理

當長周期光纖光柵周邊的折射率變化時，長周期光纖光柵的透射譜會發生相應變化，這種現象即為長周期光纖光柵的折射率特性。典型的，長周期光纖光柵和環境折射率的關系如圖3 所示。由圖可見，當包層折射率大于環境折射率時，光柵的透射峰隨著環境折射率的增加向短波處漂移，而且包層折射率越接近環境折射率，同等折射率的變化引起的諧振波長的漂移越大。對待測液來說，當其濃度發生變化時，相應的折射率也將發生變化，因此可以通過測量折射率的變化獲得濃度變化的信息。這即為應用長周期光纖光柵測量液體濃度的原理。長周期光纖光柵的單峰對乳化液濃度檢測應用廣泛[10,11]，但由于采用的都是單峰檢測所以靈敏度較低。

長周期光纖光柵的雙峰諧振的折射率特性，并給出了環境折射率變化時1 階17 次包層模式耦合的相位失諧量與光波長的關系圖如圖4 所示。由圖可見，當環境折射率增加時，失諧量曲線向兩邊張開，當環境折射率減小時，失諧量曲線向里面收縮。也即當環境折射率增加時，諧振雙峰的距離將增大，而當環境折射率減小時，諧振雙峰的距離將減小。這說明了應用長周期光纖光柵雙峰諧振測量液體濃度的可行性。而且由于采用雙峰諧振時，由于測量對象是雙峰的漂移，故敏感度比單峰探測更高。

圖3 LPFG 的諧振波長和環境折射率的關系Fig.3 The relationship between resonance wavelengths of LPFG and the ambient refractive indexes

圖4 不同環境折射率的波長變化Fig.4 Changes of wavelengths at different ambient refractive indexes

3 鍍膜長周期光纖光柵的雙峰諧振效應測量乳化液濃度的數值分析

為便于與單峰測量時的敏感度進行對比，下面采用光纖參數進行研究，具體如下：a1=2.5 μm 為光纖芯層半徑，a2=62.5 μm 為包層半徑，光纖芯層折射率為2.178，包層折射率為2.173。光柵參數為：周期Λ為235 μm,長度為1 cm，平均折變量δn=5.0×10-4，占空比p=0.5，薄膜厚度350 nm，薄膜折射率為1.52。接下來，研究HE1,18包層模式與芯層模式的耦合。乳化液采用ME10-5 型乳化油配制，配水液為生活用自來水，由此得到的乳化液的濃度和折射率的關系如表1 所示。

表1 乳化液的濃度及其對應的折射率Table 1 The emulsion concentrations and the refractive indexes

表2 諧振雙峰的波長漂移量和乳化液濃度的關系Table 2 The relation between the drift of dual resonant peaks and emulsion concentrations

由表2 可見，兩諧振峰隨乳化液濃度的變化而變化。當乳化液濃度由0%增加到8%時，短波段諧振波長由1214.57 nm 漂移至1207.82 nm，長波段諧振波長由1921.51 nm 漂移至1932.09 nm，而兩峰的距離則變化了17.33 nm。

為方便對比，表3 給出了文獻[12]的應用單峰探測時諧振波長隨乳化液濃度的變化情況，其中包層模式采用的是1 階19 次包層模式。

表3 單峰探測諧振波長和乳化液濃度的關系Table 3 The relation between the single peak detection and emulsion concentration

由表3 可見，當乳化液濃度從0%增加到8%時，諧振波長從1151.2 nm 漂移到1146.73 nm，漂移值為4.47 nm。

理論上1 階19 次包層模式的耦合比1 階17 次包層模式的耦合靈敏度更高，但通過對比表2 和表3，可以發現采用雙峰諧振探測后，其靈敏度遠比單峰時要高。另外，當乳化液濃度由2%增加至3%時，雖然其對應的折射率變化很小，只有0.0005，但對應的諧振波長的變化卻差不多有1 nm 之多。而在單峰探測中，這種情形下諧振波長的漂移基本感覺不出來(分析結果都是1149.7 nm)。更為重要的是，在乳化液的關鍵濃度5%附近，當乳化液濃度從4%變化到6%時，單峰諧振的波長漂移只有1 nm，而雙峰諧振的波長漂移則有4.37 nm。這說明采用長周期光纖光柵的雙峰諧振現象探測乳化液的濃度具有一定的可行性。

與表2 相對應，圖5 給出了HE1,18包層模式和芯層模式耦合并發生雙峰諧振時的透射譜圖。由圖可見，當環境折射率增加時，兩諧振雙峰中短波段諧振峰向短波方向漂移，長波段諧振峰向長波方向漂移，兩者之間的距離增加。通過探測兩諧振雙峰之間的距離變化即可實現對乳化液濃度的實時檢測。實際上，除了諧振波長變化外，兩諧振雙峰的幅度也隨環境折射率發生變化，所以可以通過光電轉換以實現對乳化液濃度的檢測。

圖5 HE1,18包層和芯層模式耦合的透射譜在不同濃度的乳化液中的透射譜Fig.5 The transmission spectrum of coupling between HE1,18 cladding mode and core mode in emulsion with different concentration

4 結論

文中應用鍍膜長周期光纖光柵的雙峰諧振效應對煤礦用乳化液的濃度檢測進行了數值分析，并和單峰測探時的結果進行了對比。對比結果表明，同等情況下使用長周期光纖光柵的諧振雙峰效應探測乳化液的濃度的靈敏度比應用單峰探測的靈敏度高出約3倍。而在5%的乳化液濃度附近，濃度的較小變化即可引起較大的雙峰諧振波長漂移。這些研究結果表明，應用長周期光纖光柵的雙峰諧振效應能夠有效提高光纖光柵的探測靈敏度，可以對乳化液濃度的微小變化進行有效測量。而且，采用長周期光纖光柵測量乳化液的濃度時，由于整個測量過程只有光信號的傳輸而沒有電信號的參與，故可以大大提高煤礦作業中的安全性。