基于MZI與DSO的高靈敏度光纖溫度傳感器

王 沛, 江 超,朱熙平, 張 含, 黃會玲, 李 宏

(湖北師范大學 物理與電子科學學院, 湖北 黃石 435002)

0 引言

光纖溫度傳感器因體積小,制作方便,可遠距離傳感及抗電磁干擾等優點而受到廣泛關注。光纖溫度傳感器已廣泛應用于工業生產和科學研究的各方面。在線光纖溫度傳感器主要有光纖干涉儀[1-4]和光纖光柵[5-6]，但其應用受到傳感器靈敏度線性度的限制。近年來高靈敏的光纖溫度傳感器已有報道[7-16]。人們為了獲得高靈敏度光纖溫度傳感器，主要采用的方法有：

1) 光纖干涉儀產生游標效應[7-10]。

2) 熱敏材料與光纖光柵或光纖干涉儀相結合[11-17]。

人們在第二方法中已嘗試采用不同類型的熱敏材料來提高傳感器的靈敏度，包括紫外膠[11]、聚二甲基硅氧烷(PMDS)[12-13]、聚苯乙烯[14]和二甲基硅油(DSO)[15]等。DSO是一種性能優良的熱敏材料，它具有高透明度、良好的導熱性和良好的化學穩定性，可在-50～200 ℃下長期使用，直接用于防潮絕緣、阻尼、減震、潤滑、拋光和熱載體等[16-17]。人們利用DSO與不同光纖干涉儀相結合制作出了一些高靈敏度的溫度傳感器[15-17]。本文利用錐形無芯光纖構成的馬赫-則德爾干涉儀(MZI)與DSO相結合設計了一款新型高靈敏度溫度傳感器，該傳感器結構制作簡單，成本低，重復性好，在工業實踐中具有一定的應用前景。

1 傳感器結構與工作原理

1.1 傳感器的制備

圖1為MZI及MZI+DSO的傳感器結構示意圖與光路圖。制備傳感器的單模光纖與無芯光纖均由武漢長飛光纖光纜公司生產，單模光纖的纖芯、包層直徑分別為?9 μm和?125 μm，無芯光纖的包層直徑為?125 μm。傳感器使用的DSO(型號為H201-50)為一種透明狀液體，其粘度為50 mm2/s，折射率RI≈1.400。

圖1 MZI及MZI+DSO的結構示意圖與光路圖

傳感器的制備過程簡單描述如下：

1) 取一段無芯光纖與一段單模光纖熔接在一起，然后用光纖切割刀把無芯光纖切割成長度約3 cm，再在無芯光纖后面拼接一段單模光纖，構成一個拼接的光纖混合結構。

2) 把拼接好的光纖混合結構放到光纖熔接機正中央，利用熔接機的手動放電方式，對放置在熔接機中央的無芯光纖進行放電，同時用微型電動機向兩邊拉光纖混合結構，使中間形成一個微錐形的無芯光纖結構，構成一個對溫度較靈敏的MZI結構。

3) 把制作好的MZI套入到一段內徑為?0.5 mm毛細玻璃管中，然后將毛細管一端浸入DSO溶液中。由于毛細管效應，DSO被吸入毛細玻璃管中，當毛細玻璃管中充滿DSO后，用AB膠把玻璃管兩邊封裝起來，完成傳感器結構的制作。

圖2為制作的MZI及MZI+DSO結構的透射譜。對比圖2(a)、(b)發現, MZI的透射譜存在2個主要諧振峰；MZI+DSO構成的傳感器透射譜也存在2個主要諧振峰。與MZI相比，MZI+DSO構成的傳感器的諧振峰均向右有小偏移，但第一個諧振峰Dip 1和Dip 2基本對應，峰值波長分別為λ1=1 318.918 nm,λ2=1 332.580 nm。在后面的溫度實驗中，選擇諧振峰波谷Dip 1和Dip 2來測量環境溫度，并且利用它們來對比研究傳感器填充DSO前后的靈敏度變化情況。

圖2 MZI及MZI+DSO的透射譜

1.2 傳感器的工作原理分析

如圖1(a)所示，當光從單模光纖輸入到錐形無芯光纖中時，由于其芯徑不匹配，在無芯光纖中激發出多種模式，可歸類為中心模式與邊緣模式。這兩種模式在光纖中傳輸時產生光程差，它們在單模光纖中輸出時相互疊加產生干涉，形成一個等效的MZI。設錐形無芯光纖中的中心模式與邊緣模式的光強分別為I1、I2，依據光的干涉理論得到總透射光的光強I為

(1)

式中：Δneff為MZI的中心模與邊緣模的有效折射率差；L為MZI的長度；λ為自由空間光波長。

(2)

當環境溫度T增加時，DSO產生熱膨脹和熱光效應，錐形無芯光纖也發生熱膨脹與熱光效應。由于DSO緊貼在錐形無芯光纖的四周，DSO的熱效應主要影響錐形無芯光纖的長度及錐形無芯光纖中邊緣模式的有效折射率的變化。由式(2)可知，在這些變化的共同作用下，將導致MZI透射譜諧振峰波谷波長λm發生漂移，因此，通過監測λm的漂移，能對環境溫度進行測量。依據式(2)，傳感器的溫度響應靈敏度為

(m=1,2,3,…)

(3)

由于DSO的熱膨脹系數與熱光系數均較大，因此填充了DSO的傳感器，其溫度靈敏度得到明顯提高。另外，因為使用的DSO成分較復雜，其熱膨脹系數與熱光系數沒有具體的數字，故此處不做定量分析。

2 實驗結果與分析

2.1 傳感器的溫度實驗裝置

圖3為傳感器的溫度實驗裝置。實驗采用低偏振超寬帶光源(BBS, FL-ASE)作為輸入光源；利用恒溫箱(WHTH-80L)來評估傳感器的溫度特性；利用最小分辨率為0.02 nm的光譜分析儀(OSA,AQ6370D)來記錄傳感器的透射譜。在溫度實驗中，光從BBS發出，經過光纖傳輸到傳感器中，然后經過傳感器的透射光被OSA收集。設傳感器的溫度測量范圍為35～70 ℃，每次溫度變化步長為5 ℃。

圖3 傳感器的溫度實驗裝置圖

2.2 傳感器的溫度實驗結果

為了評估MZI填充DSO后的靈敏度變化圖與擬合圖。先測量了MZI未填充DSO時的溫度特性。選擇MZI透射譜中諧振峰波谷Dip 1來考察溫度的變化情況。圖4為MZI透射譜諧振峰波谷Dip 1隨溫度的變化曲線。由圖可看出，當溫度從35 ℃升到70 ℃時，Dip 1向短波長方向漂移(藍移)，經過線性擬合獲得的溫度靈敏度為-50.1 pm/℃，線性擬合度為0.988 8。

圖4 MZI的透射譜波谷Dip 1隨溫度的變化圖與擬合圖

圖5為MZI+DSO結構的透射譜波谷Dip 2隨著溫度的變化圖與擬合圖，圖中內部的插圖為Dip 2隨溫度上升的變化圖。由圖可看出，當溫度從35 ℃升到70 ℃時，Dip 2向短波長方向漂移(藍移)，但Dip 2的峰值強度先稍變大后越來越小，這一現象可能是DSO的熱效應對光纖引入較大應力，擠壓改變光纖結構，使光在錐形無芯光纖中傳輸時產生了更多倏逝場，使傳輸的光產生更大損耗。如果溫度升到一定高度，使Dip 2的峰值強度變得很小，將無法用于測量，從而影響傳感器對溫度的測量精度和測量范圍。因此，在設計傳感器時盡量保證在測量溫度范圍內使Dip 2具有足夠大的峰值強度。對圖5中Dip 2的中心波長隨溫度的變化數據進行線性擬合，得到線性擬合度為0.971 0，傳感器的溫度靈敏度為-97.7 pm/℃。當溫度下降時，波谷Dip 2的變化過程與升溫時相反，能得到相同的溫度靈敏度。與未填充DSO的MZI結構的溫度實驗相比發現，在兩種情況下波谷漂移方向一致，但漂移大小不同。經計算發現，MZI填充DSO后，溫度靈敏度提高了約1.95倍(97.7/50.1≈1.95)。這說明在MZI表面填充DSO是提高MZI靈敏度的一種有效方法。

圖5 MZI+DSO透射譜中波谷Dip 2隨溫度的變化圖與擬合圖

為了檢驗傳感器測量溫度時的誤差，對傳感器進行了溫度穩定性實驗。設置溫度箱的溫度分別為40 ℃和60 ℃固定不變，然后將傳感器放置到溫度箱中，先保持溫度穩定30 min，然后每隔10 min測量一次Dip 2的峰值波長，在80 min內Dip 2的波長變化情況如圖6所示。由圖可知，在80 min內測得傳感器在40 ℃時Dip 2波長變化與理論值(1 330.587 nm)的最大偏差約為0.047 nm；在60 ℃時Dip 2波長變化與理論值(1 329.080 nm)的最大偏差約為0.10 nm。根據前面測得傳感器在Dip 2的溫度靈敏度-97.7 pm/℃，計算得到傳感器在40 ℃時測量誤差約為0.48 ℃(0.047/0.097 7≈0.48)，在60 ℃時測量誤差約為1 ℃(0.1/0.097 7≈1)。實驗結果表明，傳感器測量溫度誤差較小，傳感器穩定性較好。為了檢驗傳感器在不同時間測量溫度時的一致性，對傳感器進行了重復性實驗。每隔半個月利用傳感器測量1次溫度，檢驗傳感器的性能。圖7為在相同條件下利用傳感器進行3次溫度實驗得到的測量數據。由圖7可看出，3次實驗測得的數據(對應Dip 2)基本一致，說明傳感器具有較好的重復性。

圖6 傳感器的穩定性實驗結果

圖7 傳感器的重復性實驗結果

3 結束語

本文設計了一款MZI與DSO相結合的溫度傳感器。該溫度傳感器的溫度靈敏度相對于單純的MZI提高了1.95倍，改善了MZI測量溫度靈敏度偏低的缺點。該傳感器具有結構簡單，制作容易，造價低及靈敏度高等優點，具有一定的應用前景。