基于Michelson干涉儀的高靈敏度光纖高溫探針傳感器*

楊珅 榮強(qiáng)周 孫浩 張菁 梁磊 徐琴芳 詹蘇昌 杜彥英馮定一 喬學(xué)光 忽滿利

(西北大學(xué)物理學(xué)系,西安 710069)

1 引言

溫度的測(cè)量在生產(chǎn)生活和科學(xué)研究中具有十分重要的作用.在一些特殊領(lǐng)域和環(huán)境下,需要對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)精確測(cè)量,目前傳統(tǒng)的溫度測(cè)量是由貴金屬制成的熱電偶傳感器來完成的,但是這種傳感器在高溫環(huán)境下的抗氧化能力比較差,長(zhǎng)期使用會(huì)產(chǎn)生較大的誤差,特別是在一些特殊環(huán)境下,如高電壓、強(qiáng)電磁和易燃易爆的情況下,難以實(shí)現(xiàn)有效的實(shí)時(shí)測(cè)量.

近年來,光纖溫度傳感器已經(jīng)得到廣泛的研究并應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域.常見的光纖溫度傳感器有光纖布拉格光柵(FBG)傳感器[1-3],該傳感器的優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行分布式的溫度測(cè)量,但是當(dāng)溫度高于300?C左右時(shí),光柵會(huì)被擦除,靈敏度也不高(約為10 pm/?C).長(zhǎng)周期光纖光柵(LPFG)對(duì)溫度有更高的靈敏度(約為100 pm/?C)[4-6],但高溫同樣會(huì)破壞光柵結(jié)構(gòu),并且該光柵對(duì)彎曲的靈敏度也較高,價(jià)格也比較昂貴.基于偏振保持光纖(PMF)的溫度傳感器[7],易于制造、靈活性和穩(wěn)定性較好,但是該傳感器需要偏振控制器等較大的部件,使得傳感結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜.Dong等[8]提出了一種基于單模光纖和光子晶體保偏光纖模場(chǎng)適配形成模式相干的傳感器,該傳感器結(jié)構(gòu)小,但不適用于遠(yuǎn)程和狹小空間的探測(cè).李偉等[9]提出基于藍(lán)寶石光纖的高溫傳感器,可用于高溫測(cè)量;隋成華等[10]利用電子束蒸發(fā)技術(shù),在藍(lán)寶石光纖端面上生長(zhǎng)出ZnO薄膜,利用ZnO薄膜的禁帶寬度檢測(cè)相應(yīng)的環(huán)境溫度.光纖法布里-珀羅(F-P)干涉儀的出現(xiàn),為溫度測(cè)量提供了一種新的方法,非本征的F-P干涉?zhèn)鞲衅鳒y(cè)量溫度一般低于500?C,靈敏度也較低[11].Zhang等[12]提出的基于光子晶體F-P腔的高溫傳感器,測(cè)量范圍從室溫到600?C,靈敏度為0.018 nm/?C.也有人采用光纖布拉格光柵作為F-P腔[13],并對(duì)它的溫度和應(yīng)變特性進(jìn)行了分析.但對(duì)于大多數(shù)的基于F-P干涉的高溫傳感器,制作起來都不容易且一致性也不好.采用多模干涉的方法測(cè)量溫度成為一種新的趨勢(shì)[14,15],Nguyen等[16]提出了基于多模干涉理論的多模-單模-多模(MM-SM-MM)結(jié)構(gòu)的高溫傳感器,該傳感器可以測(cè)量900?C的高溫,靈敏度為0.088 nm/?C,傳感方式為透射式.

在此基礎(chǔ)上,本文提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、易于制作、高靈敏度和高穩(wěn)定性的可用于遠(yuǎn)距離狹小空間溫度測(cè)量的光纖高溫探針傳感器.該傳感器由一段2 mm的多模光纖接一段一端鍍有銀膜的單模光纖構(gòu)成.傳感器在470?C-600?C的范圍內(nèi)具有很好的線性度和靈敏度.

2 傳感器的設(shè)計(jì)與原理

傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示.將一段剝?nèi)ネ扛矊拥膯文９饫w一端切平整,置于鍍膜儀器中,鍍膜儀采用MSP/ED-300C磁控濺射鍍膜機(jī),鍍膜時(shí)間為6000 s,鍍膜厚度為2μm;將端面鍍膜的單模光纖剝?nèi)ネ扛矊?另一端與一段多模光纖熔接,熔接機(jī)采用Fujikura(FMS-60S),放電電流104 mA,放電時(shí)間1.5 s.多模光纖的纖芯與包層的直徑分別為105/125μm,單模光纖的纖芯與包層直徑分別為9/125μm.在這個(gè)結(jié)構(gòu)中,多模光纖充當(dāng)耦合器的作用,將纖芯模耦合進(jìn)單模光纖包層,單模光纖作為傳感臂,銀膜起高反鏡的作用.

圖1 傳感器的結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)光沿著多模光纖傳輸至單模光纖時(shí),由于纖芯失配,多模光纖會(huì)將一部分纖芯傳播的基模(LP01)耦合進(jìn)單模光纖的包層,包層模和纖芯模經(jīng)銀膜的反射后,進(jìn)入多模光纖再次耦合產(chǎn)生干涉圖樣.由耦合模理論可知,干涉譜的傳輸取決于相位匹配條件cos2(kL0)其中k是包層模與纖芯模的耦合效率,L0是多模光纖的長(zhǎng)度.因此,不同長(zhǎng)度的多模光纖會(huì)激發(fā)出不同的包層模,影響熔接端面的場(chǎng)分布,經(jīng)過反復(fù)多次的試驗(yàn),多模光纖的長(zhǎng)度最終定為2 mm,這樣可以獲得相對(duì)更高的消光比、更均勻的干涉圖樣、更加緊湊的結(jié)構(gòu)和低損耗.銀膜作為反射鏡,可以提高反射光的光強(qiáng),減小傳輸?shù)陌鼘幽５膿p耗,改善干涉譜圖樣.

由于單模光纖的纖芯和包層的折射率不同,兩束光分別沿著纖芯和包層傳輸,產(chǎn)生了一定的相位差[17],即

光經(jīng)過銀膜反射后再次通過多模光纖時(shí),兩束光在多模光纖內(nèi)耦合,形成干涉[15].由模式干涉理論可知,在波長(zhǎng)為λm處干涉譜的衰減最大:

兩個(gè)干涉峰之間的間隔表示為

干涉譜的自由光譜范圍可以表示為

由(4)式我們可以看出,當(dāng)傳感臂的長(zhǎng)度L減小時(shí),自由光譜范圍會(huì)增大.

由(5)式可知,干涉譜峰值的漂移量δλm正比于傳感器的長(zhǎng)度Lt和有效折射率的大小.

隨著溫度的升高,傳感器由于熱膨脹的影響,長(zhǎng)度會(huì)有所增加,同時(shí)熱光效應(yīng)引起有效折射率的增加,導(dǎo)致干涉光譜向長(zhǎng)波方向漂移.普通單模光纖的熱膨脹系數(shù)為5×10-7/?C[18],而單模光纖的熱光系數(shù)為6.4×10-6/?C[19],熱光系數(shù)大于熱膨脹系數(shù)一個(gè)數(shù)量級(jí)以上,在此熱光系數(shù)起主要作用,熱膨脹的影響可以忽略不計(jì).

為了驗(yàn)證不同長(zhǎng)度傳感器對(duì)溫度的響應(yīng),分別制作長(zhǎng)度L=4.2,3.2,2.2 cm的傳感器(其中多模光纖的長(zhǎng)度都為2 mm),其不同長(zhǎng)度下的干涉光譜如圖2所示.由(4)式可知,傳感器的探測(cè)范圍受其自由光譜范圍限制,長(zhǎng)度L=4.2,3.2,2.2 cm的自由光譜范圍分別為6.36,8.04和12.3 nm.

圖2 不同長(zhǎng)度的傳感器的干涉光譜圖 (a)L=2.2 cm;(b)L=3.2 cm;(c)L=4.2 cm

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

光從寬帶光源輸出經(jīng)過環(huán)形器到達(dá)傳感器部分,經(jīng)傳感器反射的光輸入到光譜儀,實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示.

3.1 高溫實(shí)驗(yàn)

將傳感器放置于加熱板表面,為了避免外界振動(dòng)的影響,把傳感器用光纖加持器固定在溫控箱的金屬平臺(tái)上,使光纖處于自由伸直狀態(tài).加熱過程中,溫控箱內(nèi)的溫度從470?C逐漸上升到600?C,每隔20?C記錄一次光譜,降溫時(shí)方法不變.

圖3 溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)設(shè)備

圖4 升溫和降溫過程光譜響應(yīng)曲線 (a)升溫;(b)降溫

圖4為長(zhǎng)度為2.2 cm的傳感器在470?C-600?C范圍內(nèi)的升溫和降溫光譜變化圖,隨著外界環(huán)境溫度的不斷升高,干涉譜的峰值波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng),當(dāng)溫度降低時(shí),干涉譜的峰值波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng).實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度升高到接近600?C時(shí),干涉光譜仍然很平滑,沒有出現(xiàn)抖動(dòng),由于受實(shí)驗(yàn)設(shè)備的影響,沒有進(jìn)行600?C以上的高溫測(cè)量.但是從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,該傳感器的高溫測(cè)量上限將高于600?C.

圖5 不同長(zhǎng)度的傳感器升溫和降溫過程的響應(yīng)曲線(a)L=2.2 cm;(b)L=3.2 cm;(c)L=4.2 cm

圖5中,擬合直線的斜率表示溫度每變化1?C的干涉譜峰值波長(zhǎng)的漂移量,即為該傳感器的靈敏度.由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,2.2 cm長(zhǎng)度的傳感器其升溫和降溫時(shí)的靈敏度分別為117 pm/?C和120 pm/?C,擬合直線的線性度分別為0.997和0.999;3.2 cm的傳感器升溫和降溫時(shí)其靈敏度分別為124 pm/?C和128 pm/?C,擬合直線的線性度分別為0.997和0.998;4.2 cm長(zhǎng)度的傳感器在升溫和降溫過程中的靈敏度為 127 pm/?C 和 129 pm/?C,擬合直線的線性度分別為0.998和0.997.隨著傳感器長(zhǎng)度的增加,傳感器的靈敏度略有增大,符合(5)式理論分析的結(jié)果,但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明不同長(zhǎng)度的傳感器對(duì)溫度的靈敏度相差不大.由于采用波長(zhǎng)解調(diào)的方法,傳感器的測(cè)量范圍受其自由光譜范圍的限制,考慮到實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)使傳感器尺寸盡量小,測(cè)量范圍盡量大的原則,因此采用2.2 cm長(zhǎng)度的傳感器.

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,傳感器在升降溫過程中的響應(yīng)有一定的差異,這是由于當(dāng)外界溫度變化時(shí),能量由光纖表面?zhèn)鬟f到光纖纖芯內(nèi)部需要一個(gè)過程,纖芯內(nèi)部的溫度變化始終滯后于光纖表面和外界溫度的變化,導(dǎo)致了測(cè)量溫度的滯后.

圖6 傳感器溫度響應(yīng)的理論值與實(shí)際測(cè)量值之間的誤差 (a)升溫;(b)降溫

圖6為2.2 cm的傳感器溫度響應(yīng)的理論值與實(shí)際測(cè)量值之間的誤差圖,升溫和降溫過程中的最大誤差不超過0.4 nm,即升溫和降溫過程的溫度測(cè)量誤差小于4?C.

3.2 穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

為了測(cè)試該傳感器的穩(wěn)定性,將傳感器置于550?C的溫控箱內(nèi),先將溫度穩(wěn)定30 min,而后每隔5 min測(cè)量一次峰值波長(zhǎng),測(cè)量其在1 h內(nèi)的波長(zhǎng)變化情況,測(cè)量結(jié)果如圖7所示.

由圖可知,在1 h內(nèi),實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論值1552.28 nm的最大誤差約為0.30 nm,傳感器的靈敏度為120 pm/?C,因此溫度測(cè)量誤差小于3?C.

4 結(jié)論

本文提出了一種基于Michelson干涉的光纖高溫探針傳感器,該傳感器由一小段多模光纖連接一段端面鍍有銀膜的單模光纖構(gòu)成,傳感器的長(zhǎng)度約為2.2 cm,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明傳感器在470?C-600?C范圍內(nèi)有良好的穩(wěn)定性,升溫和降溫過程的最大測(cè)量誤差為4?C,恒溫過程的最大測(cè)量誤差小于3?C,線性度為99.7%,溫度靈敏度為120 pm/?C.由于該傳感器靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、制作容易、造價(jià)低和抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn),可適用于狹小空間和復(fù)雜環(huán)境下的溫度測(cè)量,在石油探測(cè)和油氣田開發(fā)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景.

圖7 傳感器恒溫下的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

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