基于兩光斑旋轉(zhuǎn)的光纖傳感器的溫度穩(wěn)定性研究

查媛+吳駿+王華+馬軍山

摘要： 為了研究基于兩光斑旋轉(zhuǎn)的光纖傳感器對(duì)溫度變化的靈敏性，設(shè)計(jì)了一種基于光斑旋轉(zhuǎn)角度調(diào)制的新型光纖傳感系統(tǒng)。在一根光纖上繞制2個(gè)光纖環(huán)，通過(guò)改變光纖環(huán)1的直徑使光纖發(fā)生宏彎損耗獲得2個(gè)光斑，將光纖環(huán)2置于水溫控制箱中，觀察溫度的變化與出射光斑發(fā)生旋轉(zhuǎn)的關(guān)系。為了更好地對(duì)比，還觀察了溫度變化與三光斑角度旋轉(zhuǎn)的關(guān)系。通過(guò)對(duì)光纖宏彎損耗及光纖環(huán)耦合原理的分析，利用MATLAB對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出了兩光斑光纖傳感器具有溫度穩(wěn)定性的結(jié)論。

關(guān)鍵詞： 光纖傳感器； 宏彎損耗； 溫度變化； 光斑旋轉(zhuǎn)角度

中圖分類號(hào)： TP212.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.03.002

文章編號(hào)： 1005-5630（2016）03-0200-05

Abstract： In order to research the temperature sensitivity of optical fiber sensor based on two faculae rotation，a new optical fiber sensor system based on the monitoring of facula rotation angle is designed.Firstly，one fiber is coiled into two fiber loops （Loop 1 and Loop 2）.Then the radius of the Loop 1 is changed to incur macros bending loss and two faculae is realized.Meanwhile，Loop 2 is put into water temperature monitor box and temperature changes are observed relate to facula rotation angles.The experiment also shows how temperature changes relate to three faculae rotation angles for comparison.Finally，the principle of optical fiber macros bending loss and fiber optic ring coupling is analyzed.MATLAB is used to process the collected data of the experiments and the result shows that two faculae optical sensor is thermally stable.

Keywords： optical fiber sensor； bending loss； temperature change； facula rotation angle

引 言

光纖傳感技術(shù)是20世紀(jì)70年代伴隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的新型傳感技術(shù)。光纖傳感器以其高靈敏度、抗電磁干擾、耐腐蝕、可彎曲、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及與光纖傳輸線路相容等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注[1]。如今，光纖傳感技術(shù)日益成熟和完善，可傳感角速度、壓力、溫度、電場(chǎng)、振動(dòng)等物理量，被廣泛地應(yīng)用于遠(yuǎn)程控制以及醫(yī)療、生物、化學(xué)、電力檢測(cè)等方面。其中，利用光纖傳感技術(shù)的溫度測(cè)量也越來(lái)越受到人們的重視[2]。

光纖傳感器可以分為非功能型（傳光型或強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器）和功能型（傳感型光纖傳感器）2類，光纖溫度傳感器是一種新型的溫度傳感器，目前主要的光纖溫度傳感器有分布式光纖溫度傳感器、光纖光柵溫度傳感器、光纖熒光溫度傳感器、干涉型光纖溫度傳感器等[3-4]。

本文介紹一種基于光斑旋轉(zhuǎn)角度調(diào)制的光纖傳感系統(tǒng)，光纖所在環(huán)境的溫度變化會(huì)導(dǎo)致光斑旋轉(zhuǎn)，從而改變出射端的光斑的角度。所以通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的CCD獲得光斑圖像，再經(jīng)過(guò)MATLAB處理獲得所得圖像中的光斑角度，達(dá)到間接測(cè)量的目的。

1 基本原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光纖的宏彎損耗主要來(lái)源于光纖彎曲產(chǎn)生的空間濾波、模式泄露及模式耦合[5]，其中以空間濾波效應(yīng)造成的損耗為主。光纖不同程度的彎曲將伴隨著不同程度的空間濾波。受到光纖彎曲的影響，光纖中的全反射的條件受到破壞，高階模將折射到包層中，較高階模式進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，導(dǎo)致纖芯傳導(dǎo)模式減少。光纖的宏彎損耗主要包括輻射損耗和過(guò)渡損耗[6]，可以表示為：

經(jīng)式（1）、式（2）大量計(jì)算可得，由曲率半徑的改變而引起的過(guò)度損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于輻射損耗[7]。由式（1）可以看出，光纖彎曲程度（R/a）越大，空間濾波效應(yīng)越明顯，輻射損耗也大，纖芯傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)就越少，導(dǎo)致出射光斑數(shù)量的減少。

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，激光器（DH-HN250P）發(fā)出的光經(jīng)過(guò)聚焦透鏡耦合進(jìn)單模傳感光纖中，激光先經(jīng)過(guò)光纖環(huán)1（光纖環(huán)1為單模光纖繞制的一定半徑的單圈光纖環(huán)，起空間濾波作用），再通過(guò)光纖環(huán)2（光纖環(huán)2為單模光纖緊密繞制在一定半徑的圓柱海綿體上形成的光纖環(huán)，作為傳感光纖環(huán)，并放在水溫控制箱中），CCD接收光纖輸出端的激光光斑，最終將光斑圖像傳至PC。

2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

2.1 光斑數(shù)變化

2個(gè)級(jí)聯(lián)的光纖環(huán)：光纖環(huán)1的直徑為20 mm；光纖環(huán)2直徑為20 mm，有6圈且緊密繞在圓柱形海綿體上。初始光斑為4個(gè)，減小光纖環(huán)1的直徑到16 mm后，光斑減少為3個(gè)，繼續(xù)減少光纖環(huán)1的直徑到10 mm，光斑變?yōu)?個(gè)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)觀察得到，縮小光纖環(huán)1的直徑，由于壓縮使光纖結(jié)構(gòu)和光纖傳播常數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致光波模式的耦合、損耗變大，進(jìn)而減少了出射光斑的數(shù)量。