長(zhǎng)周期光纖光柵雙峰諧振效應(yīng)在乳化液濃度檢測(cè)的應(yīng)用

吳清海

廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院,廣東 珠海 519090

乳化液在煤礦的液壓支柱、液壓支架和電牽引采煤機(jī)中應(yīng)用廣泛，被譽(yù)為煤礦液壓設(shè)備的血液。如果乳化液的濃度不符合要求，比如濃度過(guò)小，則支架的穩(wěn)定性、防銹性及潤(rùn)滑性會(huì)受到嚴(yán)重影響，很容易導(dǎo)致液壓缸或者液壓支柱等將由于腐蝕嚴(yán)重而報(bào)廢。我國(guó)每年有相當(dāng)數(shù)量的液壓支柱因腐蝕而損壞。如果濃度過(guò)高，則會(huì)帶來(lái)成本的較大增加且會(huì)降低消泡能力和增大對(duì)橡膠密封材料的溶脹性[1]。所以，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)乳化液的濃度在煤礦生產(chǎn)中有著重要的意義，目前對(duì)于乳化液濃度的檢測(cè)主要采用單片機(jī)或PLC等帶電設(shè)備，但這些電設(shè)備存在著一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

長(zhǎng)周期光纖光柵是光纖傳感領(lǐng)域的一個(gè)重要的傳感器件，它對(duì)溫度、應(yīng)力、振動(dòng)、浸泡液體的折射率等都比較敏感，且由于它是一種非電類(lèi)傳感器，故非常適合于使用在危險(xiǎn)大的環(huán)境中[2,3]中，目前已有報(bào)道的應(yīng)用有應(yīng)力傳感器[4]、振動(dòng)傳感器[5]、折射率傳感器[3]等。長(zhǎng)周期光纖光柵除了具有傳統(tǒng)的機(jī)電類(lèi)傳感器的優(yōu)點(diǎn)外，還具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍寬、不受電磁干擾、本質(zhì)防爆等優(yōu)點(diǎn)，故目前應(yīng)用長(zhǎng)周期光纖光柵作傳感器多有報(bào)道。尤其是在濃度測(cè)量領(lǐng)域，長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器由于其安全可靠靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)正受到越來(lái)越多的研究者的青睞。在本文中，通過(guò)對(duì)鍍膜長(zhǎng)周期光纖光柵的諧振雙峰效應(yīng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)液體濃度變化時(shí)兩諧振峰也跟著變化，此時(shí)可利用兩諧振峰之間的諧振波長(zhǎng)的相對(duì)變化量來(lái)檢測(cè)液體濃度的變化。由于探測(cè)使用的是兩峰之間的漂移來(lái)探測(cè)，故其探測(cè)靈敏度遠(yuǎn)比單峰探測(cè)為高，非常適合于對(duì)乳化液的濃度進(jìn)行在線(xiàn)探測(cè)。

1 長(zhǎng)周期光纖光柵的雙峰諧振現(xiàn)象

由光纖中的模式耦合理論，長(zhǎng)周期光纖光柵中芯層模式和包層模式耦合的相位匹配公式[6]如下由光纖分別為芯層模式和包層模式的傳播常數(shù)，neffco和分別為芯層模式和1階υ次包層模式的有效折射率，Δβ為相位失諧量，為芯層導(dǎo)模的自耦合系數(shù)，Λ為光柵周期，λ為入射光波長(zhǎng)。采用與文獻(xiàn)[7]相同的參數(shù)，研究了芯層模式和1階前21次包層模式耦合的入射光波長(zhǎng)和相位失諧量Δβ的關(guān)系，其結(jié)果如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，長(zhǎng)周期光纖光柵的高階包層模式耦合(比如圖1中>18的包層模式的耦合)時(shí)不存在相位失諧量為0的點(diǎn)，而低階包層模式的耦合的相位失諧量Δβ=0則有兩個(gè)點(diǎn)，而且耦合的模式階次越小這兩個(gè)失諧點(diǎn)之間的波長(zhǎng)距離越大?？紤]到儀器觀察范圍，耦合包層模式階次較小(如包層模式1、2、3等)時(shí)相位失諧量為0的波長(zhǎng)點(diǎn)之間的距離太大使得很難將兩個(gè)相位失諧點(diǎn)同時(shí)觀察得到。而包層模式處于中間(比如17,18次包層模式的耦合)時(shí)的耦合相位失諧點(diǎn)之間的波長(zhǎng)距離則較小，其特性較好觀察。兩個(gè)諧振點(diǎn)的存在意味著同一包層模式與芯層模式的耦合存在兩個(gè)諧振峰，此即為鍍膜長(zhǎng)周期光纖光柵的雙峰諧振現(xiàn)象[7-9]。

圖1 相位失諧量Δβ與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系Fig.1 The relationship between the Δβ and the incident light wavelengths

圖2 HE1,18包層模式耦合的透射譜Fig.2 The transmission spectrum of cladding mode HE1,18 coupling

為了直觀起見(jiàn)，圖2給出了HE1,18(1階17次)包層模式和芯層模式耦合時(shí)雙峰諧振現(xiàn)象的透射譜圖，由圖可以清楚看到該包層模式與芯層耦合時(shí)的諧振雙峰，兩峰之間的距離有約800 nm，這點(diǎn)與文獻(xiàn)[10-12]中研究的結(jié)果一致。

2 長(zhǎng)周期光纖光柵測(cè)液體濃度的原理

當(dāng)長(zhǎng)周期光纖光柵周邊的折射率變化時(shí)，長(zhǎng)周期光纖光柵的透射譜會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，這種現(xiàn)象即為長(zhǎng)周期光纖光柵的折射率特性。典型的，長(zhǎng)周期光纖光柵和環(huán)境折射率的關(guān)系如圖3 所示。由圖可見(jiàn)，當(dāng)包層折射率大于環(huán)境折射率時(shí)，光柵的透射峰隨著環(huán)境折射率的增加向短波處漂移，而且包層折射率越接近環(huán)境折射率，同等折射率的變化引起的諧振波長(zhǎng)的漂移越大。對(duì)待測(cè)液來(lái)說(shuō)，當(dāng)其濃度發(fā)生變化時(shí)，相應(yīng)的折射率也將發(fā)生變化，因此可以通過(guò)測(cè)量折射率的變化獲得濃度變化的信息。這即為應(yīng)用長(zhǎng)周期光纖光柵測(cè)量液體濃度的原理。長(zhǎng)周期光纖光柵的單峰對(duì)乳化液濃度檢測(cè)應(yīng)用廣泛[10,11]，但由于采用的都是單峰檢測(cè)所以靈敏度較低。

長(zhǎng)周期光纖光柵的雙峰諧振的折射率特性，并給出了環(huán)境折射率變化時(shí)1 階17 次包層模式耦合的相位失諧量與光波長(zhǎng)的關(guān)系圖如圖4 所示。由圖可見(jiàn)，當(dāng)環(huán)境折射率增加時(shí)，失諧量曲線(xiàn)向兩邊張開(kāi)，當(dāng)環(huán)境折射率減小時(shí)，失諧量曲線(xiàn)向里面收縮。也即當(dāng)環(huán)境折射率增加時(shí)，諧振雙峰的距離將增大，而當(dāng)環(huán)境折射率減小時(shí)，諧振雙峰的距離將減小。這說(shuō)明了應(yīng)用長(zhǎng)周期光纖光柵雙峰諧振測(cè)量液體濃度的可行性。而且由于采用雙峰諧振時(shí)，由于測(cè)量對(duì)象是雙峰的漂移，故敏感度比單峰探測(cè)更高。

圖3 LPFG 的諧振波長(zhǎng)和環(huán)境折射率的關(guān)系Fig.3 The relationship between resonance wavelengths of LPFG and the ambient refractive indexes

圖4 不同環(huán)境折射率的波長(zhǎng)變化Fig.4 Changes of wavelengths at different ambient refractive indexes

3 鍍膜長(zhǎng)周期光纖光柵的雙峰諧振效應(yīng)測(cè)量乳化液濃度的數(shù)值分析

為便于與單峰測(cè)量時(shí)的敏感度進(jìn)行對(duì)比，下面采用光纖參數(shù)進(jìn)行研究，具體如下：a1=2.5 μm 為光纖芯層半徑，a2=62.5 μm 為包層半徑，光纖芯層折射率為2.178，包層折射率為2.173。光柵參數(shù)為：周期Λ為235 μm,長(zhǎng)度為1 cm，平均折變量δn=5.0×10-4，占空比p=0.5，薄膜厚度350 nm，薄膜折射率為1.52。接下來(lái)，研究HE1,18包層模式與芯層模式的耦合。乳化液采用ME10-5 型乳化油配制，配水液為生活用自來(lái)水，由此得到的乳化液的濃度和折射率的關(guān)系如表1 所示。

表1 乳化液的濃度及其對(duì)應(yīng)的折射率Table 1 The emulsion concentrations and the refractive indexes

表2 諧振雙峰的波長(zhǎng)漂移量和乳化液濃度的關(guān)系Table 2 The relation between the drift of dual resonant peaks and emulsion concentrations

由表2 可見(jiàn)，兩諧振峰隨乳化液濃度的變化而變化。當(dāng)乳化液濃度由0%增加到8%時(shí)，短波段諧振波長(zhǎng)由1214.57 nm 漂移至1207.82 nm，長(zhǎng)波段諧振波長(zhǎng)由1921.51 nm 漂移至1932.09 nm，而兩峰的距離則變化了17.33 nm。

為方便對(duì)比，表3 給出了文獻(xiàn)[12]的應(yīng)用單峰探測(cè)時(shí)諧振波長(zhǎng)隨乳化液濃度的變化情況，其中包層模式采用的是1 階19 次包層模式。

表3 單峰探測(cè)諧振波長(zhǎng)和乳化液濃度的關(guān)系Table 3 The relation between the single peak detection and emulsion concentration

由表3 可見(jiàn)，當(dāng)乳化液濃度從0%增加到8%時(shí)，諧振波長(zhǎng)從1151.2 nm 漂移到1146.73 nm，漂移值為4.47 nm。

理論上1 階19 次包層模式的耦合比1 階17 次包層模式的耦合靈敏度更高，但通過(guò)對(duì)比表2 和表3，可以發(fā)現(xiàn)采用雙峰諧振探測(cè)后，其靈敏度遠(yuǎn)比單峰時(shí)要高。另外，當(dāng)乳化液濃度由2%增加至3%時(shí)，雖然其對(duì)應(yīng)的折射率變化很小，只有0.0005，但對(duì)應(yīng)的諧振波長(zhǎng)的變化卻差不多有1 nm 之多。而在單峰探測(cè)中，這種情形下諧振波長(zhǎng)的漂移基本感覺(jué)不出來(lái)(分析結(jié)果都是1149.7 nm)。更為重要的是，在乳化液的關(guān)鍵濃度5%附近，當(dāng)乳化液濃度從4%變化到6%時(shí)，單峰諧振的波長(zhǎng)漂移只有1 nm，而雙峰諧振的波長(zhǎng)漂移則有4.37 nm。這說(shuō)明采用長(zhǎng)周期光纖光柵的雙峰諧振現(xiàn)象探測(cè)乳化液的濃度具有一定的可行性。

與表2 相對(duì)應(yīng)，圖5 給出了HE1,18包層模式和芯層模式耦合并發(fā)生雙峰諧振時(shí)的透射譜圖。由圖可見(jiàn)，當(dāng)環(huán)境折射率增加時(shí)，兩諧振雙峰中短波段諧振峰向短波方向漂移，長(zhǎng)波段諧振峰向長(zhǎng)波方向漂移，兩者之間的距離增加。通過(guò)探測(cè)兩諧振雙峰之間的距離變化即可實(shí)現(xiàn)對(duì)乳化液濃度的實(shí)時(shí)檢測(cè)。實(shí)際上，除了諧振波長(zhǎng)變化外，兩諧振雙峰的幅度也隨環(huán)境折射率發(fā)生變化，所以可以通過(guò)光電轉(zhuǎn)換以實(shí)現(xiàn)對(duì)乳化液濃度的檢測(cè)。

圖5 HE1,18包層和芯層模式耦合的透射譜在不同濃度的乳化液中的透射譜Fig.5 The transmission spectrum of coupling between HE1,18 cladding mode and core mode in emulsion with different concentration

4 結(jié)論

文中應(yīng)用鍍膜長(zhǎng)周期光纖光柵的雙峰諧振效應(yīng)對(duì)煤礦用乳化液的濃度檢測(cè)進(jìn)行了數(shù)值分析，并和單峰測(cè)探時(shí)的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。對(duì)比結(jié)果表明，同等情況下使用長(zhǎng)周期光纖光柵的諧振雙峰效應(yīng)探測(cè)乳化液的濃度的靈敏度比應(yīng)用單峰探測(cè)的靈敏度高出約3倍。而在5%的乳化液濃度附近，濃度的較小變化即可引起較大的雙峰諧振波長(zhǎng)漂移。這些研究結(jié)果表明，應(yīng)用長(zhǎng)周期光纖光柵的雙峰諧振效應(yīng)能夠有效提高光纖光柵的探測(cè)靈敏度，可以對(duì)乳化液濃度的微小變化進(jìn)行有效測(cè)量。而且，采用長(zhǎng)周期光纖光柵測(cè)量乳化液的濃度時(shí)，由于整個(gè)測(cè)量過(guò)程只有光信號(hào)的傳輸而沒(méi)有電信號(hào)的參與，故可以大大提高煤礦作業(yè)中的安全性。