长周期光纤光栅液体温度传感特性研究

谢 飞，梁丽丽

（河北工业大学信息工程学院，天津300401）

·光纤技术·

长周期光纤光栅液体温度传感特性研究

谢 飞，梁丽丽

（河北工业大学信息工程学院，天津300401）

从长周期光纤光栅温度传感特性的基本原理入手，分析了长周期光纤光栅在液体环境中的温度传感特性，并对其在液体溶液中和空气中的温度特性进行了对比实验研究。实验结果表明，长周期光纤光栅在液体中的温度特性与在空气中的一致，均随着温度的升高，谐振波长向长波长方向漂移，温度降低时，谐振波长向短波长方向漂移，且基本成线性关系。在30℃到90℃范围内，液体环境温度灵敏度约为0.079nm／℃，损耗峰幅值波动不超过2.3dB。

长周期光纤光栅（LPFG）；液体温度传感特性；温度灵敏度；损耗峰幅值

1 引 言

长周期光纤光栅（LPFG）具有插入损耗小、无后向反射、透射光谱带宽较宽、谐振波长对外界环境的变化敏感等优点，抗电磁干扰，能在高腐蚀性危险环境中工作，在传感和通信领域具有广泛的应用，因此LPFG越来越受到人们的重视，相关方面的研究［1－3］一直是热点。在温度传感领域，在B／Ge光纤上用KrF准分子激光器制作LPFG，测得LPFG的温度灵敏度为0.1 nm／℃［4］；用机械微弯变形法在单模光纤上制备LPFG用作温度传感器，所有的谐振波长在0℃到40℃温度范围内，平均温度灵敏度为180 pm／℃［5］。本文采用高频CO2激光器在普通单模光纤上写制的LPFG［6］，研究LPFG在液体环境中的温度传感特性。

2 基本理论

随着温度的变化，LPFG的透射谱也随之发生变化，谐振波长［7－8］和损耗峰幅值［9］随温度的变化可表示为：

式中，λres，Pmax为LPFG的透射谱的谐振波长和损耗峰幅值；为纤芯基模和一次m阶包层模的有效折射率为纤芯基模和一次m阶包层模的有效热光系数；k为模式间耦合系数；L为光栅长度；I为纤芯基模与一次m阶包层模模场在纤芯中的重叠积分；ξco，ξcl为纤芯和包层的热光系数。

在液体环境中与在空气环境中相比，首先，LPFG外界环境的折射率改变了，空气的折射率可以近似认为1，而水的折射率近似为1.33，对于普通单模光纤，纤芯的有效折射率取决于纤芯和包层的折射率，包层的有效折射率取决于纤芯、包层还有外界环境的折射率，所以折射率的改变直接影响着光纤的有效折射率；其次，在一定深度的液体环境下，光纤所承受的外界环境的压强增大，LPFG对外界环境的变化敏感，压强的不同使得LPFG进行温度实验的初始条件不同，会一定程度的影响实验的结果；再次，液体环境对于外界的噪音等震动的传播效果比空气的好，所以相当于液体环境放大了周围环境的干扰因素等。多种外界因素都不同程度的影响LPFG的透射谱性能，也就不同程度的影响着LPFG温度特性。

3 实验装置

本实验均采用高频CO2激光器写制的LPFG进行温度传感测量，其实验装置如图1所示。数显液体温度试验箱控制和实时显示LPFG所在环境的温度值，宽带光源作为输入，光谱分析仪实时观察和记录不同温度对应的透射谱图。为使LPFG保持水平直线状态，LPFG通过液体底部的两个轮轴，一端用光纤夹固定，一端悬挂重物。

图1 LPFG液体温度传感特性实验装置图Fig.1 Experimental setup of LPFG liquid temperature sensing characteristics

进行LPFG温度传感特性实验时，让温度从20℃升温到90℃，每升温5℃等温度稳定后，在接下来的数分钟内不连续的记录多次谐振波长和损耗峰幅值；降温时从90℃降温到20℃，每降温5℃等温度稳定以后，在接下来的数分钟内不连续的记录多次谐振波长和损耗峰幅值。同一个LPFG在空气中用电阻炉改变温度进行温度传感特性试验，采用同样的统计方法，记录不同的温度对应的谐振波长和损耗峰幅值。

4 实验结果及分析

将记录的实验数据进行分析可得谐振波长和损耗峰幅值随液体温度的变化关系，分别如图2和图3所示。

图2 谐振波长随温度的变化关系Fig.2 Resonantwavelength with temperature

图3 损耗峰幅值随温度的变化关系Fig.3 Loss of peak amplitude with temperature

由图2可得，LPFG在液体中的温度传感特性与在空气中的传感特性一致，随着液体温度的升高，谐振波长向长波长方向漂移，随着温度的降低，谐振波长向短波长方向漂移，且基本成线性关系，对谐振波长随升降温的变化曲线分别进行直线拟合。谐振波长随着温度升高时，线性关系式为：λ1＝1574.611＋0.0794T；谐振波长随着温度的降低时，线性关系式为：λ2＝1574.73342＋0.07955T。由此可得，该LPFG在20℃到90℃范围内，在液体中的温度灵敏度约为0.079 nm／℃。同理得到LPFG在50℃到350℃范围内，在空气中的温度灵敏度约为0.104 nm／℃。

由图3可得，随着液体温度的升降，LPFG透射谱损耗峰幅值的波动不大，在20℃到90℃范围内，损耗峰幅值波动不超过2.3 dB。空气中，在50℃到350℃范围内，损耗峰幅值波动不超过1.6 dB。

如图1所示的实验装置，在进行液体温度传感实验时，干扰实验结果的因素很多，主要包括：（1）LPFG与液体温度试验箱直接相连，在加热的过程中，液体温度试验箱由于内部系统的工作会带来一定程度的振动；（2）水溶液在加热到60℃以上时会发生响动并且伴随有气泡的出现；（3）加热过程中，光栅浸在水中所受的水的压力随着水的蒸发发生改变；（4）液体温度试验箱的温度精度为1℃，精度太低；（5）加热的过程相对于降温的过程要快，那么温度上升与温度下降时数显显示为同一温度时记录的透射谱图，可能不是同一个温度点，这就造成升降温曲线吻合不好。LPFG对于外界环境的改变敏感，例如，温度、压力、折射率、震动等，且存在系统误差；（6）裸纤直接与水分子接触容易发生化学反应生成羟基，化学反应方程式如式（3）所示，羟基是光纤固有吸收衰减的主要成因。因此，在以上各因素的综合影响下，谐振波长的温度灵敏度偏低，升降温曲线吻合不是很好，损耗峰幅值随温度的升降波动偏大。

5 总 结

本文搭建了研究LPFG液体温度传感的试验系统，进行了LPFG在空气环境和液体环境中的温度传感特性对比试验，结果表明，LPFG在液体中也具有很好的温度传感特性，液体环境影响因素众多，使得在液体环境中的温度灵敏度和损耗峰幅值的稳定程度都没有在空气环境中的好。随着光纤种类的增多、封装技术和增敏技术的改进、写制技术的发展等，温度灵敏度和温度传感可靠性将不断提高，LPFG在液体传感方面的应用前景必将非常美好。

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［6］ Liang Lili，Liu Mingsheng，Li Yan，et al.The method of one-time writing LPFG using high frequency CO2laser［J］.Laser＆Optoelectronics Progress，to be published.（in Chinese）梁丽丽，刘明生，李燕，等.使用高频CO2激光器一次写入长周期光纤光栅的方法［J］.激光与光电子学进展，待发表.

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Research on long period fiber grating liquid temperature sensing characteristics

XIE Fei，LIANG Li-li
（School of Information Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China）

Based on the temperature sensing characteristics of long period fiber grating，the temperature sensing characteristics in liquid environmentof LPFG are analyzed，and contrastive experiments research on temperature characteristics in the liquid and in the air are completed.Results show that LPFG temperature characteristics in liquid environment are consistentwith those in the air，and the resonantwavelength drifts towards long wavelength with the increase of temperature，the resonantwavelength drifts towards shortwavelength as the temperature falls，and it is basically in linear relationship.Within the range of 30℃to 90℃，the liquid environment temperature sensitivity is about 0. 079nm／℃，and the fluctuation of loss peak amplitude is less than 2.3dB.

LPFG；liquid temperature sensing characteristics；temperature sensitivity；loss peak amplitude

TN253

A

10.3969／j.issn.1001-5078.2014.02.0

1001-5078（2014）02-0200-04

河北省应用基础研究计划重点基础研究项目（No.13960306D）资助课题。

谢 飞（1987－），男，在读硕士研究生，主要从事通信与测控技术方面的研究。E-mail：yiyifei2007＠163.com

2013-06-21；

2013-07-12