增敏型級聯雙參量測量的光纖傳感器

彭 進,侯俊勇,陳 剛,陳貞屹,黃馨月

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

1 引 言

光纖傳感在惡劣環境監測中具有獨特優勢,但光纖傳感器單參量測量時,易受到非測量因素的干擾,影響測量精度[1-2]。針對交叉敏感問題,通常將對光纖傳感結構進行不同設計、制作、加工,并結合靈敏度系數矩陣,實現雙參量或多參量的測量,可在一定程度上提高測量精度以及可信度[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行測量的[4]；也有在同一傳感結構中選取不同的傳感特征參量(強度、波長等)來表征待測量變化實現測量的[5]；還有利用特種光纖構建多個傳感器再進行級聯實現檢測的[6]。可見解決液體折射率檢測中溫度和折射率交叉敏感問題,提高生產生活中液體折射率檢測精度測量是近年來傳感器研究設計的熱點。

光纖光柵(FBG)與特種光纖構造的馬赫-曾德爾(M-Z)干涉儀相結合實現溫度、折射率雙參量測量是可行有效的方案。Yao Q等人將特種光纖纖芯錯位制作的 M-Z干涉儀與FBG級聯進行折射率和溫度測量,靈敏度別為13.7592 nm/RIU和0.0462 nm/℃,線性度良好,但錯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構級聯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設計并制作了溫度和磁場雙參量傳感器,靈敏度分別為15.9 pm/Oe和-161.7 pm/℃,制作工藝簡單,但穩定性有待探究[9]。申佳鑫等人利用FBG與空芯光纖多模干涉級聯構造溫度和應變雙參量傳感器,溫度靈敏度分別達到10.5306 pm/℃和1.8021 pm/℃,應變靈敏度分別達到0.7207 pm/με和1.2432 pm/με結構簡易,但自制FBG刻柵成本高昂[10]。盡管雙參量測量工作有一定探索成果,但傳感器穩定性、靈敏度等方面還有待提升。靈敏度高、制作簡單、穩定性強的FBG與特種光纖構造的M-Z干涉儀級聯的傳感器仍有較好的優勢和應用前景。

本文將單模光纖(SMF)和薄芯光纖(TCF)進行拉錐熔接,通過多次熔接實驗,改變相應熔接參數,探究出最佳熔接效果；同時在薄芯光纖(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聯上鋁制毛細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。通過實驗測試了傳感器溫度和折射率特性,結果表明干涉光譜呈現明顯偏移,且波谷偏移量與溫度和折射率變化線性度良好,靈敏度也相對較高。該傳感器為全光纖結構,穩定性、抗腐蝕性、抗干擾能力得以保障；傳感單元通過熔接機級聯,工藝簡單,可控性高,重復性強；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,從光源出來的光經過單模光纖(SMF)與薄芯光纖(TCF)熔接的凹錐結構(光纖纖徑局部縮小的錐形結構)會發生模場失配現象,進而激發出高階包層模式。當光到達無芯光纖(NCF)耦合結構處時多種高階包層模式和纖芯模式發生干涉,其光強I表示為[9]:

(1)

式中,I為干涉信號的強度;Ico為纖芯模式光強;Icl為包層模式光強;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不同,在傳播相同距離后,不同的模式會產生相位差,纖芯模式和包層模式產生的相位差為[12]:

(2)

式中,L為M-Z干涉結構的長度(從模場失配處到光耦合結構處的幾何路徑,如圖1所示);λ為傳輸光的波長;Δneff為纖芯和包層有效折射率之差。當相位差滿足(Δφ=(2m+1)π,m是正整數)時發生干涉,可得到M-Z干涉峰波長為:

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

(3)

當外界折射率和溫度同時發生變化時,使得M-Z干涉峰發射漂移,干涉峰的相對漂移量可表示為[13]:

(4)

布拉格光纖光柵中心波長滿足[14]:

λFBG=2neffΛ

(5)

其中,λFBG為FBG的中心波長；Λ為光柵周期；其中λFBG對溫度變化靈敏,對折射率變化不靈敏,其波長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,Pe=0.22；αs為封裝材料的熱膨脹系數,以純鋁為套管封裝,αs=23.6×10-6/℃。計算出理論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透射譜中心波長與M-Z干涉波谷對應折射率和溫度的靈敏度系數不同,已知監測波長漂移量時,通過實驗建立的靈敏度矩陣進行求解可知對應的溫度和折射率[10],即為:

(8)

2.2 傳感器的制作

該傳感器的實驗制備材料: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)、型號為FBG190916KZ的光纖光柵(FBG)、3m2144單組份環氧樹脂和毛細鋁管(內徑126 μm,外徑1000 μm)；熔接機為古河S178C光纖熔接機；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和長為2 cm的TCF剝去涂覆層并將其端面切平,放入光纖熔接機,按照表1參數進行熔融拉錐得到錐區為490.63 μm,錐腰為53.125 μm如圖1(b)所示的細錐結構,該細錐可將SMF纖芯基模激發成包層高階模；然后,將TCF另一端與長約為2 cm的NCF普通熔接,使得TCF中更多的高階模式耦合進入輸出端,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,將柵區為10 mm的普通光纖光柵進行封裝:先將FBG涂覆層除去并用酒精清潔,再截取長度11 mm的毛細鋁管,使用砂紙打磨端面,形成截面規整長度為10 mm的備用毛細鋁管,最后將清洗完成的FBG封裝入毛細鋁管中,再利用197 μL預處理后的環氧樹脂(利用活塞增減氣壓的方式減少環氧樹脂內部氣泡)注入毛細鋁管中,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結構用熔接機普通熔接級聯,使傳輸損耗低于0.02 dB,制備完成增敏型FBG級聯M-Z結構的雙參量光纖傳感器。

表1 熔接拉錐參數匯總Tab.1 Summary of taper welding parameters

3 測量實驗與結果

3.1 溫度傳感測試

溫度傳感器性能測試的實驗裝置如圖2所示。實驗中采用的光源為康冠ASE寬帶光源,數據采集為橫河AQ6370D型光譜分析儀,溫度控制裝置為WIGGENS公司生產的WH220-HT數字式加熱磁力攪拌器。將傳感器固定放置在純水溶液中,進行溫度傳感實驗。溫度范圍設定為15～85 ℃(由于實驗時室溫在25 ℃,用冰塊使純水溫度降到15 ℃),每隔10 ℃記錄透射譜。

圖2 傳感器的實驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the experimental device of the sensor

傳感結構在15～85 ℃升溫測試的光譜如圖3所示,可見隨著溫度的增大,輸出光譜FBG透射譜中心波長(DipFBG)與M-Z干涉1544.48 nm監測波谷(DipM-Z)都表現出明顯的紅移。將波長偏移與溫度變化進行線性擬合,如圖4所示,升溫過程中的M-Z結構的溫度靈敏度為11.58 pm/℃,線性相關系數0.91577；FBG的溫度靈敏度為33.71 pm/℃,線性相關系數為0.96323,其靈敏度是未封裝的2.88倍,與理論計算相差5.35 pm/℃。

圖3 透射光譜與溫度的關系圖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系圖Fig.4 Wavelength shift upon the temperature

3.2 折射率傳感測試

進行傳感器測量折射率性能實驗時,通過配制不同濃度的氯化鈉溶液(質量分數為 0 %,1 %,2 %,3 %,4 %,5 %)得到具有不同折射率的溶液。利用經驗公式進行計算[16]n=1.3331+0.00185c,c為溶質質量分數占比,計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。實驗過程中,將傳感器浸沒在折射率溶液中,待透射譜穩定后記錄數據。為控制變量,氯化鈉溶液體積和溫度測試中水域加熱的純水體積一致；為避免殘留溶液的影響,每次實驗結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,向短波方向發生漂移；而DipFBG對波長無明顯變化。將折射率與監測波谷的波長線性擬合如圖6所示,DipM-Z折射率靈敏度為-493.51322nm/RIU,擬合系數為0.98761。

圖5 透射光譜與折射率的關系圖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系圖Fig.6 Wavelength shift upon the refractive index

3.3 測試結果分析

由實驗結果可以看出,DipM-Z對溫度和折射率都靈敏,DipFBG對溫度靈敏．可以利用敏感矩陣得出波長漂移量與溫度、折射率之間的關系。將實驗中得到的溫度靈敏度系數和折射率靈敏度系數代入式(8)可以得到該系統溫度和折射率傳感的矩陣方程為:

(9)

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

4 結 論

本文基于M-Z干涉原理及FBG模場理論,提出并制作了一種增敏型FBG級聯M-Z結構的溫度、折射率雙參量傳感器,對不同溫度和折射率下對應的光譜變化進行了測量。結果表明:在15～85 ℃范圍內,所設計的光纖溫度傳感器的光譜隨溫度變化會發生偏移,且波長漂移量與溫度變化呈現良好的線性關系,且DipM-Z溫度靈敏度為11.58 pm/℃,線性相關系數0.91577；DipFBG溫度靈敏度為33.71 pm/℃,是未封裝的2.88倍,線性相關系數為0.96323。在1.333 RIU～1.34235 RIU折射率范圍內,隨著外部折射率的增加,DipM-Z向短波方向發生漂移,折射率靈敏度為-493.51322 nm/RIU,擬合系數為0.98761；而封裝后的DipFBG對折射率變化不敏感,波長無明顯變化。該傳感器具有成本低廉、結構緊湊、制作簡單等優點,能廣泛應用于環境和生物檢測、工業生產相關領域。