超短腔光纖法布里-珀羅低溫傳感技術研究

劉欽朋,王春芳,劉望飛,高 宏,王安立,李生輝

(1.西安石油大學理學院陜西省油氣井測控技術重點實驗室,陜西 西安 710065；2.中國石油集團測井有限公司,陜西 西安 710069)

1 引 言

溫度是工業制造、生物醫學、燃料儲存等許多領域中基礎和重要的物理參數。凍土是一種對溫度極為敏感的土體介質,溫度會誘發凍脹和融沉等凍融災害,對區域公路、鐵路、輸油管道和機場運行帶來不利影響,增加其維護成本。因此,對凍土區建筑的溫度監測也尤為重要。對于溫度的檢測需要借助溫度傳感器來實現,光纖溫度傳感器因結構緊湊、制作方便、體積小、不受電磁干擾等優點而受到了廣泛關注[1-5]。溫度傳感機理是環境或待測溫度調制光信號的強度、相位、頻率、偏振、波長等特征參量,通過解調光信號的這些特征參量的變化,獲得被測對象的溫度狀態。根據不同的光纖傳感器調制光信號的特征參量不同,可分為以下四類:波長調制、相位調制、光強調制以及偏振態調制[6-11]。光纖法布里-珀羅(Fabry-Perot,FP)傳感器是一種最常見的相位調制型傳感器,按照其腔體材質的不同可分為兩類:本征型光纖FP傳感器和非本征型光纖FP傳感器。本征型是指其FP腔介質為光纖,非本征型則是FP腔介質為除光纖外的空氣或者其他物質。本征型光纖溫度傳感器的理論測量溫度通常都可以達到光纖所使用材料的熔點,在高溫測量領域受到研究者的廣泛關注[12-15]。然而,由于光纖材料較低的熱膨脹系數和熱光系數,本征型光纖溫度傳感器的靈敏度較低,因此,增敏技術成為光纖FP傳感器的一個研究熱點問題,主要集中在新型光纖FP結構增敏、雙腔構造游標效應增敏以及填充介質增敏三種增敏技術。Joel Villatoro[16]等人通過標準電弧放電技術將傳統單模光纖和折射率導引光子晶體光纖拼接在一起形成微氣泡式FP腔,在22～500 ℃溫度范圍內,傳感器的靈敏度小于1 pm/℃,Jiang Xiaogang[17]等人提出將腐蝕后的多模光纖經電弧放電后形成FP腔,在20～1000 ℃范圍內,傳感器溫度靈敏度為2 pm/℃。基于石英光纖的FP腔傳感器的不足是石英材料對光學腔程改變的效果十分有限,傳感器的靈敏度通常都不高[18]。房一濤[19]等人提出采用液體腔的FP結構,在30～50 ℃范圍內,傳感器的靈敏度為243 pm/℃,楊易[20]等人提出將兩個FP腔串聯產生游標效應,利用游標效應解調,在15～80 ℃范圍內,傳感器的靈敏度提高到了179.30 pm/℃。然而,由于光纖FP腔溫度傳感器的測溫機理,基于FP腔的溫度傳感器的靈敏度和測溫范圍是相互制約的,因此,靈敏度提高的同時,傳感器的溫度測量范圍在變小。

本文針對光纖FP腔溫度傳感器靈敏度和測量范圍的矛盾關系,提出一種基于超短腔大測量范圍的反射型光纖FP腔低溫傳感器,利用超短腔來擴展FP腔的自由光譜范圍,構造反射型光路提高光纖FP腔傳感器的應用性,利用聚合物封裝材料提高空氣腔的溫度靈敏度,同時作為光纖FP腔的一個反射腔鏡。基于以上幾個關鍵設計理念,可有效實現大范圍高靈敏低溫溫度的精確測量,實驗結果表明,傳感器具有較好的低溫傳感特性,有望滿足凍土等環境的低溫高精度測量需求,具有潛在的實際應用價值。

2 傳感原理

2.1 傳感器設計和工作原理

基于超短腔FP傳感器的結構如圖1所示,為降低傳感器對待測環境的影響,將傳感器設計成探針結構,在外徑為0.3 mm的石英毛細管內搭建光纖FP腔,單模光纖的端面構成FP腔的一個反射面M1。在毛細管的另一端填充低溫光學性能良好的聚合物作為FP腔的另一反射面M2,實現反射式光纖FP腔,并借助聚合物的高熱膨脹系數來提高傳感器的靈敏度,從而構造一個超短探針式反射型光纖FP腔。圖1中L表示腔長,當入射光從單模光纖纖芯中傳播到第一個端面M1時,一部分光被反射,另外一部分光繼續傳播,該部分光傳輸到第二個端面M2時,再次發生反射進入FP腔,這樣多次反射就形成了多光束干涉儀。

圖1 FPI光纖溫度傳感器結構示意圖

根據多光束干涉原理可知,FP腔反射光輸出強度為:

(1)

(2)

考慮到光在傳播過程中的半波損,因此相移φ滿足π的奇數倍時,干涉譜中對應出現諧振波谷,則干涉光譜中波谷所對應的中心波長可表示為:

(3)

式中,λm為光纖FP腔的干涉光譜中m級次波谷所對應的中心波長。當溫度T改變時,FPI的傳感機制是環境溫度調節腔長,

L=L0+αΔT

(4)

式中,L0是FP腔的初始腔長；α是聚合物的熱膨脹系數；ΔT是傳感器所處外界環境溫度的變化量。從式(3)和式(4)可以看到,干涉結構的光程差(OPD=nL)與溫度的變化成正比,從而導致光譜的漂移。因此,基于FP腔的光纖溫度傳感器響應可歸因于腔的熱膨脹效應和熱光效應,相應的溫度靈敏度可表示為:

(5)

2.2 傳感器的制作

基于超短腔光纖FP低溫傳感器的制作,首先,使用光纖剝線鉗去除單模光纖(SMF-28)的涂覆層,然后使用光纖切刀將其端面切割平整,再將內徑為0.15 mm、外徑為0.3 mm的石英毛細管長度切割至20 mm。將毛細管浸入紫外膠(DDY7203-1)中近10 s,由于毛細管的虹吸效應,紫外膠逐漸被吸入毛細管內部。然后,將毛細管暴露于紫外燈下約5 min,使紫外膠完全固化。待紫外膠完全固化后,將毛細管從另一端再切割一次,使其總長度小于10 mm,因為在內徑一定的情況下,毛細管的虹吸效果和長度有關,為了操作的便捷,在填充紫外膠時,可以讓其尺寸長一點。最后,將切割好的單模光纖從毛細管另一端插入,利用高精度微位移平臺嚴格控制光纖端面和紫外膠端面之間的距離,觀察其反射光譜。當反射譜的自由譜顯示出需要長度時,控制紫外膠的用量使其穩固粘合光纖與毛細管。FP腔的自由譜可表示為:

(6)

待紫外膠固化完成后,使用光學顯微鏡(OLYMPUS-SZ61)對制備的傳感器結構進行觀測,顯微鏡像圖如圖2所示,為FP腔在40倍物鏡下的鏡像圖,用標尺測得腔長大約為14 μm,保證了FP腔尺寸的結構緊湊,可以將其封裝為小探針結構。

圖2 FPI傳感結構影像圖

因為傳感器在不同級次的溫度靈敏度是有微小差別的,由公式(5)知光纖FP腔的不同級次的靈敏度不同,圖3、圖4給出了傳感器的溫度測量范圍與自由譜寬的關系以及傳感器靈敏度隨級次的變化關系。圖3顯示,隨著FP腔自由譜變大,傳感器的測溫范圍也在變大,表明自由譜寬對擴展測溫范圍尤為重要。從圖4可以看到,干涉級次的變化對傳感器的靈敏度有影響,所以不同級次間的靈敏度不是嚴格一致的。因此,在同一個級次的測量,對傳感器的測量精確度至關重要。為了觀察FP腔腔長對自由譜的影響,圖5給出了模擬計算得到的不同腔長所對應的三束反射光譜,各參數分別設置為:n1=1,n2=1,n3=1,L1=120 μm,L2=80 μm,L3=30 μm。可以看到,隨著FP腔的腔長變短,干涉光譜的自由譜寬在相應地變大,因此通過超短腔來實現大自由譜,進而擴展溫度測量范圍的方案是可行的。當傳感器制備完成后,其自由譜寬度和靈敏度也就相應地確定了,傳感器同一個級次的測溫范圍ΔTFP是由自由譜范圍和靈敏度決定的,即:

(7)

圖3 傳感器的溫度測量范圍與自由譜寬的關系

圖4 FP腔傳感器靈敏度隨級次的變化關系

圖5 不同腔長FP腔傳感器的模擬干涉光譜

3 實驗裝置及結果分析

為了證明基于超短腔FP型光纖溫度傳感器的大測量范圍的可行性,對設計的光纖FP腔溫度傳感器進行實驗特性研究,光纖FP腔傳感器的溫度特性測試系統如圖6所示。將傳感器與光纖光柵解調儀(Optical sensing demodulator,TV125)連接,來自解調儀(波長范圍1510～1590 nm)的輸入光經過單模光纖到達傳感器,傳感器的反射信號經單模光纖輸入給解調儀,計算機(PC)與解調儀相連,用于觀察傳感器的反射光譜并記錄數據。傳感器置于精密超低溫計量檢定恒溫槽(YM-CDC-R80)中,用于模擬低溫環境,其溫度控制精確度為±0.01 ℃,實驗中光纖傳感器的溫度從-10 ℃變化至-40 ℃,期間每隔1 ℃對FPI傳感器反射光譜進行一次采集。

圖6 光纖溫度傳感實驗裝置示意圖

為了進一步研究傳感器的溫度響應特性,對傳感器做了升降溫測試。圖7顯示了傳感器降溫過程中的反射光譜。由于光纖端面和聚合物端面反射率低的原因,反射光譜顯示出雙光束干涉的特性。從圖中可以看出,在1510 nm和1590 nm之間,FP腔的自由譜FSR大于80 nm。而根據顯微鏡下測量的腔長,我們理論計算出的自由譜為85 nm。因此在保持傳感器對溫度高靈敏響應的同時,傳感器可測量的溫度范圍也得到很大提高。當溫度從-10 ℃降低至-40 ℃時,紫外膠發生熱脹冷縮,腔的尺寸變長,傳感器的反射光譜向波長較長的方向移動,位移約為61.195 nm。并且傳感結構在降溫過程中,傳感器的光譜強度也發生了一定程度的變化。當溫度從-10 ℃下降至-40 ℃時,反射光譜的強度增加了1.893 dBm,這跟聚合物表面曲率的變化有關,溫度的變化導致聚合物表面發生凹凸變化,對諧振腔內端面的反射率產生影響,引起傳感器強度發生變化。

圖7 -10 ℃～-40 ℃降溫過程中FPI的反射光譜溫度響應特性

采用線性回歸方法擬合降溫測量所得數據,結果如圖8所示。該傳感器的溫度靈敏度約為-2.066 nm/℃,相關系數R2=0.962,表明傳感器反射譜波谷中心波長漂移量與溫度之間存在線性關系。影響傳感器腔長和反射譜波谷中心波長線性度的主要因素是填充聚合物的特性,因為當溫度在大范圍區間變化時,紫外膠的熱膨脹系數在大范圍內不穩定。圖9顯示了傳感器升溫過程中的反射光譜特性。當溫度從-40 ℃升高至-10 ℃時,反射光譜向短波方向漂移了60.006 nm,并且反射光譜的強度相應地降低了2.311 dBm。圖10是升溫過程中傳感器反射譜波谷中心波長與溫度的擬合曲線。可以看出,傳感器溫度靈敏度為-2.021 nm/℃,線性擬合度為0.969。同時,對比升降溫過程中同一溫度下波谷的中心波長,可看出該傳感器具有良好的重復性。

圖8 降溫過程中波谷中心波長與溫度的擬合曲線

圖9 -40 ℃～-10 ℃升溫過程中FPI的反射光譜溫度響應特性

圖10 升溫過程中波谷中心波長與溫度的擬合曲線

4 結 論

本文通過制作超短腔來擴大光纖FP腔溫度傳感器的測溫范圍,研制了一種結構緊湊的探針反射型光纖溫度傳感器。詳細介紹了傳感器的制造工藝和工作原理。FP腔由石英毛細管中的聚合物和單模光纖構成。精確控制聚合物端面和單模光纖端面之間的長度,使得FP腔具有超大的自由光譜區,因而可以測量更大的溫度變化范圍。實驗驗證了傳感器樣品的溫度響應特性。實驗結果表明,利用該方法獲得的傳感器,在-10～-40 ℃范圍內,溫度靈敏度為2.066 nm/℃,溫度分辨率為±0.0005 ℃,其相應的溫度測量范圍較同靈敏度的光纖FP腔溫度傳感器得到擴展,該傳感器結構緊湊(<1 cm),靈敏度高且可靈活調節,可望應用于工業生產和凍土區路基等溫度檢測領域。