新型的自参照型POF耦合传感器

付　华，王新鑫，徐耀松

(辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，辽宁葫芦岛　125105)

0　引言

目前，POF(聚合物光纤)已被广泛用于工业、汽车电子业等领域。相比石英光纤，POF特点鲜明，如芯径大(从几百μm到几mm)、数值孔径大、价格低廉、柔韧性好、灵活性强等。它在多接头、多节点的短距离信息传递方面市场潜力巨大，如局域网LAN、用户环路、网络电视等。光纤已经以多种形式应用到液位测量上，许多国家已研制出大量功能齐全、自动化程度高的高精度传感器。而国内研制出的可用于实际应用的测量系统，可靠性、精确性、功能性都比国外低，亟待发展[1]。

光纤依靠光的全反射来传递信号，根据全反射几何原理可知，若外部介质折射率发生变化，该交界面全反射条件也随之改变，光纤内满足全反射的光信号模式数跟着变化，因此光信号的功率损耗随之变化，接收端可测得这一变化，即可反映出外部媒介的变化。

文中引入了耦合传感的理念，使传感器拥有了自参照特性[2-3]。传感器本身变成了一个耦合器，耦合比(K)的变化反映外部媒介不同的折射指数，要特别指出的是，此种传感器的敏感参数K并不受它所在链路或网络的传输功率波动或者不良功率的干扰，在检测时免去了复杂且精度要求很高的光源补偿过程，因此将其命名为自参照型POF耦合传感器。这种传感器可鉴别液体的类型，分辨气液体之间的变化，因此也可作为液位信号器，应用于液位上下限检测和报警等。

1　理想耦合传感原理

光纤的基本结构包括纤芯、包层和保护层三部分。根据纤芯区域折射率径向分布不同，可将光纤分为两类：阶跃型或突变型光纤(SI-POF)；渐变型或梯度型光纤(GI-POF)。文中研究的自参照POF耦合传感器是利用多模SI-POF制作的。

1．1光在SI-POF中的传输特点

阶跃型光纤(SI-POF)的折射率在纤芯和包层交界处突变(图1)，纤芯折射率n1明显高于包层折射率n2，光纤依靠两者的差值Δn工作，使满足全反射条件的光线被限制在光纤中，沿着光纤的方向前进，达到传递信息的目的。

图1　阶跃型光纤结构特点

纤芯与包层的相对折射率差可表示为

(1)

光线受纤芯与包层界面全反射条件的限制存在一个耦合到光纤中的最大入射角θmax，这是入射光线在纤芯中以导模形式传输的必要条件，只有入射角小于θmax的光线才能在光纤中作长距离传输。

最大入射角需满足的全反射条件如式(2)所示：

(2)

式中φc为入射角的临界值。

1．2弯曲和抛光对功率损耗的影响

当光纤弯曲时，接收端所获得的功率损耗会随之增加，大小取决于所选光纤特性。人为改变相对折射率差，也会影响功率损耗的大小。文中利用该原理，将光纤侧面进行部分抛光，削去的这部分包括包层和部分纤芯。将抛光后的光纤置于空气中，此时折射率差变成了n′=(n1-nair)/n1，说明功率损耗发生相应变化，这一变化反映出外部媒介的变化。

首先，考虑将光纤剥去保护层后置入空气中(nair=1)，纤芯中传播的光线在芯包界面会出现2个结果：一种是透过纤芯包层界面折射入包层当中；另一种是经反射继续在纤芯中传播。发生第二种情况需要满足全反射条件，刚好满足该条件的入射角应为αc=arcsin(ncl/nco)，所以入射角α大于αc的光线在纤芯-包层界面上都会发生全反射。在包层-空气界面也有2种光线：一种会折射出包层-空气界面；另一种则在包层-空气界面发生全反射。图2为弯曲的光纤在介质中的情况。

图2　弯曲的光纤在介质中

再将其置于水中，考虑这2个值：光刚好在纤芯-空气界面发生全反射的入射角αc1=arcsin(nair/nco)和刚好在纤芯-水界面发生全反射的入射角αc2=arcsin(nwater/nco)。由nco=1.492，nair=1，nwater=1.33，可得αc1=42.09°，αc2=63.05°，αc1<αc2，说明纤芯-空气界面更易发生全反射，当外部媒介由空气变为水，光在纤芯中传播的模式数减小，功率损耗增加[3]。

1．3理想耦合传感的引入

文中引入了耦合传感的理念，使传感器拥有了自参照特性。耦合方案如图3所示，其中P1是输入端口，P3为备用输入端口，P2和P4分别为直接输出端口和耦合输出端口。

图3　耦合区域示意

图3中T、R和g分别定义为菲涅尔传输系数、应用到传感区域的弯曲半径和耦合区域两种光纤的纤芯之间距离。

该装置的耦合比定义为

K=P2/(P2+P4)

式中P2、P4分别为P2、P4端口所接收的光功率。

在多模光纤中引入一个弯曲，光束在纤芯与外部媒介交界面的入射角增加，使部分光从光纤中折射出来，减少光纤内满足全反射的光的模式数，这部分折射光使得接收端的功率损耗增加。如果纤芯的折射率nco约等于包层折射率ncl，则可认为菲涅尔传输系数T与光纤中折射光束之间的关系如下式：

(3)

式中：θ是光束与芯包面法线之间的入射角；θc是临界角，定义为θc=sin-1(ncl/nco)。

当θ≤θc时，光束在纤芯中发生折射，同时会产生功率损耗。从式(3)可以看出，θc的值越大T就越大[4]。

当传感器处于不同外部媒介中，即外部媒介折射率改变，光纤内满足全反射的光的模式数变化，光功率损耗将随之改变，使得端口P4获得的光功率发生变化，耦合比K随之变化。

油的折射率(noil=1.46)非常接近光纤包层的折射率(ncl=1.417)，所以当所浸入的液体是油时，几乎所有传输的光线都被折射到光纤外部。在这种情况下，T值增加，P4接收到的光功率减小。因此，耦合比K越大，耦合器就越具引导性。随着液体的折射率减小(nwater>nair)，在纤芯内传输的光功率比例也随之增加，当然P4接收到的光功率就增加，K则减小。K的变化是可以测量得到的，因此它可以识别液体的种类，也能区分气液体之间的变化。

2　新型自参照POF耦合传感器的仿真和实验

2．1对拟定传感器的仿真

利用射线跟踪法可将光看成射线，可用于计算经抛光处理的光纤相对不同曲率半径所拥有的系数T，同样也可估算K的变化。因此光可以被看做是在无穷小的截面内沿纤芯传播的平行射线，而另外的辐射损失是由经向射线造成的，在同一个平面内，这些射线的获取决定于纤芯的对称轴和该弯曲的曲率中心。为减少仿真的计算时间，光纤的包层与液体接触面近似成10 μm厚度的包层已得到近似的结果，这样可以直接考虑纤芯与液体的接触面。

图4显示了以水作为环境液体，耦合比K相对不同曲率和抛光深度的仿真结果。上述提到的方法也被纳入了该仿真中(纤芯与液体直接接触面)。A点与制作的模型需要较少计算时间的要求相符合。

图4　仿真过程中耦合比K-抛光深度曲线

2．2耦合传感器的制作

制作该传感器需要2根多模PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)SI-POF(外径为1.00 mm，纤芯内径为0.98 mm，纤芯折射率nco=1.492，包层折射率ncl=1.417，数值孔径为0．467，型号ESKA CK40)，将部分保护层移除，并进行抛光处理(抛光深度ε=(0.23±0.01)mm)。在检测区域的部分用无缝接口粘合在一起。当侧剖弯曲的聚合物光纤时，会在表面形成椭圆形平面，短轴和长轴分别设为2x和2y，见图5。

抛光深度ε与光纤半径a以及弯曲半径R关系为

ε=(a+R)-[(a+R)2-y2]1/2

式中：y是椭圆长轴半径；弯曲半径R由实验而定。

为了适应新时代中国社会主要矛盾的变化，找寻全面建设小康社会、开启全面建设社会主义现代化国家的途径，适应中国经济由高速增长阶段转型为高质量发展阶段，转换发展动能，实现经济发展转型升级，十九大提出了“现代化经济体系”，为了实现建设现代化经济体系的目标，推动产业结构的优化升级，建设现代化产业体系是必不可少的。在乡镇实施产业扶持政策，建立产业园区，由点及面、由小及大，为实现全国范围内的现代化产业体系的建设发挥了重要作用。因此，应该加强对乡镇产业园区的研究，为乡镇地区的现代化产业体系建设提供科学理论支持。

2．3进行液体检测并分析其性能

检测方案设计如图6所示。实验的光源必须满足光纤对光源的谱宽、波长、输出功率和光线发散角的要求，文中选用激光二极管(Roithner，class Ⅲ)调整为λ=630 nm，用来照射输入端口P1，在接受端选用一个双通道光功率计。首先将POF耦合传感器置于空气中进行实验，然后分别浸入装有水和油的容器。

图6　实验装置

实验过程中，每个传感器的配置都进行了5次测试，每个配置取决于应用到该传感器的曲率半径和外部媒介的液体类型。如果将重复率定义为在一定数量的试验周期下的输出参数变化的比例(在相同条件下)，则找到的最差情况是1.02％(R=25 mm、空气作为外部媒介)，这是个很好的结果。所有的实验都在环境温度T=28.6 ℃(平均温度)的情况下进行，最大偏差ΔT=±3 ℃．此外，将不同的弯曲半径(R=60 mm、25 mm、12 mm、7 mm)在光纤传感区域进行尝试应用和研究。

2．4自参照特性测试

自参照特性测试，以证明这个拟定的耦合传感器固有的自参照特性。图7显示了对于不同的弯曲半径和处于不同的外部媒介时耦合比K的测量均值和误差范围。在传感区域的外部液体固定的情况下，K值因不同的弯曲半径而变化。采用适当的控制电路和检测方案，液体的种类是可以被鉴别的，其中当弯曲半径R=25 mm时灵敏度最高。在这个传感器配置条件下，获得以下耦合比：Ka=0.545±0.0014(空气)，Kw=0.563±0.0007(水)，Ko=0.605±0.0017(油)；耦合比增量ΔK1=0.018(从空气到水)，ΔK2=0.060(从空气到油)，ΔK3=0.042(从水到油)。在所有情况下，测量误差都至少低于均值1个数量级。完全可满足识别液体种类和区分气液体间变化的条件。

图7　耦合比K与弯曲半径对应关系

为了将测量值与模拟结果做对比，任选一点，获取1个模拟值K=0.75，与其对应的是ε=0.23 mm，R=7 mm，以水作为外部媒介(见图4中的A点)。由图7可以找到，拥有这些参数配置的传感器的耦合比测量值是K=0.744。仿真和经实验测定的K值是一致的。文中所应用的仿真技术可以帮助优化此类型传感器物理参数的设计。

介于它的自参照特性，对其独立性也进行了测试检验。结果如图8所示，其中假设了4种不同的链接损耗，从1 dB到4 dB．相对于标准耦合比K=0.54，获得的最大的偏差为ΔK=±0.002，其中每个配置6次测试，每0.5 h 1次。

图8　耦合比K与链接损失的关系

3　传感器温度特性研究

3．1传感器的温度特性检验

对于该传感设备的温度特性测试是在一个人工气候室内完成的，温度变化范围是25～50 ℃．图9中显示了在这个温度变化范围内K值的偏差。

图9　耦合比K-温度曲线

该传感器的耦合比偏差与它的标准值相比有1％左右的偏差(ΔK≤0.006)。这个偏差主要来源于传感器的制作过程中所应用的胶。

3．2不同状态POF的温度特性

图10显示了不同状态的聚合物光纤(POF)的温度特性。做了5种测试：“初始POF”(未经任何处理的光纤)，“裸POF”(剥去保护层的光纤)，“抛光POF”(经部分抛光的光纤)，“裸POF+胶层”(剥去保护层并且加上一层胶层)，“抛光POF+胶层”(经部分抛光并且加上一层胶层)。

图10　不同状态POF的温度特性

相对于裸光纤，经抛光处理的光纤会受温度升高的影响更加明显，但从图10可以观察出，当处于同一种状态时，输出光功率的变化主要来源于胶层的影响，因有无胶层引起输出功率的偏差随着温度的升高而增加，在50 ℃时偏差最大。

4　结束语

文中拟定的理想POF耦合传感器与实际制作而成的耦合传感器有着良好的呼应，证实了耦合传感的优势，自参照性得到了充分体现，精确性和稳定性也都达到了相应的要求。发射端和接收端之间任何位置光功率的不良变化都不会影响K的值，因为它同时作用于2个输出端(P2和P4)，而它们之间的比例是不变的。没有必要调整光源来限制环境光带来的影响，免去了复杂的光源补偿等过程，这就可以大大降低整个传感网络的成本。该传感器有2种功能：可鉴别液体类型；由于可分辨气液体间的变化，因此也可作为液位信号器，应用于液位上下限检测和报警等。在以后的工作中还需要对传感器的稳定性、精确性以及外观设计进行研究，尤其是耦合区域的制作处理。

参考文献：

[1]张俊，刘军荣，江山，等．新型光纤传感用角度调谐Fabry-Perot滤波器．半导体光电，2012，33(1)：145-148．

[2]MONTSERRAT F，MANUEL L A．Optical Fiber Networks for Remote Fiber Optic Sensors．Sensors，2012，12(4)：3929 -3951．

[3]SALMAN A Q．Performance Analysis of Different Optical Switching Architectures．Journal of Computer Science，2011，7 (8)：1178-1186．

[4]滕传新，夏洪运，景宁．微/纳米塑料光纤的制备及其折射率传感特性研究．光电子·激光，2013 (1)：1-5．