基于光斑旋转的光纤温度传感器

王华+查媛+吴骏+马军山

摘要： 设计了一种基于光斑旋转的新型光纤温度传感器，采用在一根光纤上绕制2个光纤环的方法，通过对一个光纤环直径的调节使其发生宏弯损耗，以获得合适出射光斑数；对另一个光纤环置于水温控制箱中，观察温度的变化与出射光斑发生旋转的关系。利用MATLAB对实验数据进行处理，获知光斑角度与控制箱温度存在很好的线性关系，同时实验分析了光纤环的直径、光纤环的紧绕圈数对传感器灵敏度的影响。

关键词： 光纤传感； 宏弯损耗； 温度变化； 光斑旋转； 光斑角度

中图分类号： TP 212.1； TN 253文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.04.007

引言传统温度传感器因易受电磁干扰影响，体积大，使用寿命短和灵活性差等原因，已逐渐被光纤温度传感器替代。当光在光纤中传输时，由于环境温度变化，光的强度、相位等参量也会发生相应变化，这就形成了光纤温度传感。一般光纤温度传感器可分为：分布式光纤温度传感器[1]、光纤光栅温度传感器[2]、光纤荧光温度传感器[3]和干涉型光纤温度传感器[4]。它们利用对光谱或光强的检测，虽然达到了一定的灵敏度与分辨率，但其温度传感结构都较复杂。本文介绍了一种基于光斑旋转角度调制的新型光纤传感系统。光纤环所在环境的温度变化导致光斑旋转，改变出射端光斑的角度。所以通过一个简单的CCD获得光斑图像的角度，可以达到间接测量的图1弯曲波导辐射示意图

Fig.1Radiant diagram of the curved waveguide目的。与其他光纤温度传感器相比，不仅传感结构简单，而且测量灵敏度可调。1基本原理及系统结构光纤的宏弯损耗主要来源于光纤弯曲产生的空间滤波、模式泄漏及模式耦合，其中以空间滤波效应造成的损耗为主。光纤不同程度的弯曲将伴随着不同程度的空间滤波[5]。受到光纤弯曲的影响，光纤中全反射的条件受到破坏，高阶模将折射到包层中，较高阶模式进入截止状态，导致纤芯传导模式减少。光纤的宏弯损耗主要包括辐射损耗（如图1所示）和过度损耗

2.1光斑数变化两个级联的光纤环：光纤环1直径为25 mm；光纤环2紧密绕制5圈，直径为24 mm。通过减小光纤环1的直径，获得图3所示光斑数变化的光斑图。初始光斑4个，减小光纤环1的直径到18 mm后，光斑减少为3个。继续减小光纤环1的直径，通过CCD发现在一定的范围内，光斑数仍然为3。

2.2光斑旋转两个级联的光纤环：光纤环1直径为18 mm；光纤环2紧密绕制6圈，直径为20 mm。逐渐增加水温控制箱的温度获得图4所示光斑旋转的光斑图。图中表现了三光斑绕中心点按特定的方向发生的旋转。通过MATLAB处理分别获得三个光斑的特征点质心，再通过坐标处理可以方便快捷地测出光斑的角度，从而获得光斑旋转角度与传感光纤环所处环境温度的关系。图4中给出了不同温度时各个出射光斑对应的角度。

3.1线性度逐渐增加水温控制箱的温度，当光纤环1直径为18 mm；光纤环2为紧密绕制3圈，直径为20 mm，获得三光斑旋转角度随传感光纤环所处环境温度的变化关系如图5所示（光斑角度经过归零处理）。实验获得的数据经过MATLAB最小二乘法处理获得图5所示的直线：θ=1.149 7T，线性度-0.045 5。综上分析可知三光斑旋转角度跟传感光纤环所处的环境温度有很好的线性关系。

3.2灵敏度图6（a）所示为光纤环2直径均为20 mm，紧密绕制的光圈数分别为3、4、5、6，光纤环1直径均为18 mm的4条光斑旋转角度和水温控制箱温度的线性关系曲线。图6（b）所示为光纤环2紧密绕制的光圈数都为5，直径分别为16 mm、20 mm、24 mm，光纤环1直径均为18 mm的3条光斑旋转角度和水温控制箱温度的线性关系曲线。图6（a）中的数据经过MATLAB处理获得表1中的传感光纤参数（灵敏度、线性度），图6（b）中的数据经过MATLAB处理获得表2中的传感光纤参数（灵敏度、线性度）。

通过表1、表2中的具体参数可知图6（a）、图6（b）的关系曲线都有很好的线性度。表1中看出6圈传感光纤环对应的灵敏度最大，5圈传感光纤环对应的灵敏度次之，其次是圈数为4的传感光纤环对应的灵敏度，对应灵敏度最小的是圈数为3的传感光纤环。说明传感光纤环的圈数直接影响系统测量的灵敏度。表2中看出直径24 mm传感光纤环对应的灵敏度最大，直径20 mm传感光纤环对应的灵敏度次之，对应灵敏度最小的是直径为16 mm的传感光纤环。说明在传感光纤环的圈数一定的情况下，传感光纤环的直径越大，测量的灵敏度越高。实验数据很好地说明了传感器的灵敏度随传感光纤环圈数的增加逐渐变大，传感器的灵敏度也随传感光纤环直径的增加逐渐变大。为此在设计传感光纤环时，为获得比较好的测量效果，需要对传感光纤环选择合适的圈数、合适的直径。4结论本文提出了一种新的光纤温度传感器，分别研究了传感光纤环的圈数、传感光纤环的直径对系统的线性度、灵敏度的影响，得知系统具有比较好的线性度的同时系统灵敏度随传感光纤环参数的变化具有一定的规律。为减小系统体积、质量，增加系统使用的便利性，光源可以更换为半导体激光器。此传感系统结构简单，使用方便，适合温度测量精度要求不高的场合使用。

参考文献：

[1]GUNES Y，SAIT E K.A distributed optical fiber sensor for temperature detection in power cables[J].Sensors and Actuators A：Physical，2006，125（2）：148155.

[2]ALLSOP T，FLOREANI F，WEBB D J，et al.The bending and temperature characteristics of long period gratings written in elliptical core stepindex fibre[J].SPIE，2005，5855：711714.

[3]BAEK S G，JEONG Y C，NILSSON J，et al.Temperaturedependent fluorescence characteristics of an ytterbiumsensitized erbiumdoped silica fiber for sensor applications[J].Optical Fiber Technology，2006，12（1）：1019.

[4]BI W H，WANG X，LANG L Y.The optical fiber FP interferometric temperature measurement[J].Journal of Optoelectronics·Laser，2002，13（12）：13161317.

[5]RENNER H.Bending losses of coated singlemode fibers：a simple approach[J].Lightwave Technology，1992，10（5）：544551.

[6]邹丹丹.基于光纤宏观弯曲损耗的射流压力参量测量技术研究[D].南京：南京理工大学，2008：10

摘要： 设计了一种基于光斑旋转的新型光纤温度传感器，采用在一根光纤上绕制2个光纤环的方法，通过对一个光纤环直径的调节使其发生宏弯损耗，以获得合适出射光斑数；对另一个光纤环置于水温控制箱中，观察温度的变化与出射光斑发生旋转的关系。利用MATLAB对实验数据进行处理，获知光斑角度与控制箱温度存在很好的线性关系，同时实验分析了光纤环的直径、光纤环的紧绕圈数对传感器灵敏度的影响。

关键词： 光纤传感； 宏弯损耗； 温度变化； 光斑旋转； 光斑角度

中图分类号： TP 212.1； TN 253文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.04.007

引言传统温度传感器因易受电磁干扰影响，体积大，使用寿命短和灵活性差等原因，已逐渐被光纤温度传感器替代。当光在光纤中传输时，由于环境温度变化，光的强度、相位等参量也会发生相应变化，这就形成了光纤温度传感。一般光纤温度传感器可分为：分布式光纤温度传感器[1]、光纤光栅温度传感器[2]、光纤荧光温度传感器[3]和干涉型光纤温度传感器[4]。它们利用对光谱或光强的检测，虽然达到了一定的灵敏度与分辨率，但其温度传感结构都较复杂。本文介绍了一种基于光斑旋转角度调制的新型光纤传感系统。光纤环所在环境的温度变化导致光斑旋转，改变出射端光斑的角度。所以通过一个简单的CCD获得光斑图像的角度，可以达到间接测量的图1弯曲波导辐射示意图

Fig.1Radiant diagram of the curved waveguide目的。与其他光纤温度传感器相比，不仅传感结构简单，而且测量灵敏度可调。1基本原理及系统结构光纤的宏弯损耗主要来源于光纤弯曲产生的空间滤波、模式泄漏及模式耦合，其中以空间滤波效应造成的损耗为主。光纤不同程度的弯曲将伴随着不同程度的空间滤波[5]。受到光纤弯曲的影响，光纤中全反射的条件受到破坏，高阶模将折射到包层中，较高阶模式进入截止状态，导致纤芯传导模式减少。光纤的宏弯损耗主要包括辐射损耗（如图1所示）和过度损耗

2.1光斑数变化两个级联的光纤环：光纤环1直径为25 mm；光纤环2紧密绕制5圈，直径为24 mm。通过减小光纤环1的直径，获得图3所示光斑数变化的光斑图。初始光斑4个，减小光纤环1的直径到18 mm后，光斑减少为3个。继续减小光纤环1的直径，通过CCD发现在一定的范围内，光斑数仍然为3。

2.2光斑旋转两个级联的光纤环：光纤环1直径为18 mm；光纤环2紧密绕制6圈，直径为20 mm。逐渐增加水温控制箱的温度获得图4所示光斑旋转的光斑图。图中表现了三光斑绕中心点按特定的方向发生的旋转。通过MATLAB处理分别获得三个光斑的特征点质心，再通过坐标处理可以方便快捷地测出光斑的角度，从而获得光斑旋转角度与传感光纤环所处环境温度的关系。图4中给出了不同温度时各个出射光斑对应的角度。

3.1线性度逐渐增加水温控制箱的温度，当光纤环1直径为18 mm；光纤环2为紧密绕制3圈，直径为20 mm，获得三光斑旋转角度随传感光纤环所处环境温度的变化关系如图5所示（光斑角度经过归零处理）。实验获得的数据经过MATLAB最小二乘法处理获得图5所示的直线：θ=1.149 7T，线性度-0.045 5。综上分析可知三光斑旋转角度跟传感光纤环所处的环境温度有很好的线性关系。

3.2灵敏度图6（a）所示为光纤环2直径均为20 mm，紧密绕制的光圈数分别为3、4、5、6，光纤环1直径均为18 mm的4条光斑旋转角度和水温控制箱温度的线性关系曲线。图6（b）所示为光纤环2紧密绕制的光圈数都为5，直径分别为16 mm、20 mm、24 mm，光纤环1直径均为18 mm的3条光斑旋转角度和水温控制箱温度的线性关系曲线。图6（a）中的数据经过MATLAB处理获得表1中的传感光纤参数（灵敏度、线性度），图6（b）中的数据经过MATLAB处理获得表2中的传感光纤参数（灵敏度、线性度）。

通过表1、表2中的具体参数可知图6（a）、图6（b）的关系曲线都有很好的线性度。表1中看出6圈传感光纤环对应的灵敏度最大，5圈传感光纤环对应的灵敏度次之，其次是圈数为4的传感光纤环对应的灵敏度，对应灵敏度最小的是圈数为3的传感光纤环。说明传感光纤环的圈数直接影响系统测量的灵敏度。表2中看出直径24 mm传感光纤环对应的灵敏度最大，直径20 mm传感光纤环对应的灵敏度次之，对应灵敏度最小的是直径为16 mm的传感光纤环。说明在传感光纤环的圈数一定的情况下，传感光纤环的直径越大，测量的灵敏度越高。实验数据很好地说明了传感器的灵敏度随传感光纤环圈数的增加逐渐变大，传感器的灵敏度也随传感光纤环直径的增加逐渐变大。为此在设计传感光纤环时，为获得比较好的测量效果，需要对传感光纤环选择合适的圈数、合适的直径。4结论本文提出了一种新的光纤温度传感器，分别研究了传感光纤环的圈数、传感光纤环的直径对系统的线性度、灵敏度的影响，得知系统具有比较好的线性度的同时系统灵敏度随传感光纤环参数的变化具有一定的规律。为减小系统体积、质量，增加系统使用的便利性，光源可以更换为半导体激光器。此传感系统结构简单，使用方便，适合温度测量精度要求不高的场合使用。

参考文献：

[1]GUNES Y，SAIT E K.A distributed optical fiber sensor for temperature detection in power cables[J].Sensors and Actuators A：Physical，2006，125（2）：148155.

[2]ALLSOP T，FLOREANI F，WEBB D J，et al.The bending and temperature characteristics of long period gratings written in elliptical core stepindex fibre[J].SPIE，2005，5855：711714.

[3]BAEK S G，JEONG Y C，NILSSON J，et al.Temperaturedependent fluorescence characteristics of an ytterbiumsensitized erbiumdoped silica fiber for sensor applications[J].Optical Fiber Technology，2006，12（1）：1019.

[4]BI W H，WANG X，LANG L Y.The optical fiber FP interferometric temperature measurement[J].Journal of Optoelectronics·Laser，2002，13（12）：13161317.

[5]RENNER H.Bending losses of coated singlemode fibers：a simple approach[J].Lightwave Technology，1992，10（5）：544551.

[6]邹丹丹.基于光纤宏观弯曲损耗的射流压力参量测量技术研究[D].南京：南京理工大学，2008：10

摘要： 设计了一种基于光斑旋转的新型光纤温度传感器，采用在一根光纤上绕制2个光纤环的方法，通过对一个光纤环直径的调节使其发生宏弯损耗，以获得合适出射光斑数；对另一个光纤环置于水温控制箱中，观察温度的变化与出射光斑发生旋转的关系。利用MATLAB对实验数据进行处理，获知光斑角度与控制箱温度存在很好的线性关系，同时实验分析了光纤环的直径、光纤环的紧绕圈数对传感器灵敏度的影响。

关键词： 光纤传感； 宏弯损耗； 温度变化； 光斑旋转； 光斑角度

中图分类号： TP 212.1； TN 253文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.04.007

引言传统温度传感器因易受电磁干扰影响，体积大，使用寿命短和灵活性差等原因，已逐渐被光纤温度传感器替代。当光在光纤中传输时，由于环境温度变化，光的强度、相位等参量也会发生相应变化，这就形成了光纤温度传感。一般光纤温度传感器可分为：分布式光纤温度传感器[1]、光纤光栅温度传感器[2]、光纤荧光温度传感器[3]和干涉型光纤温度传感器[4]。它们利用对光谱或光强的检测，虽然达到了一定的灵敏度与分辨率，但其温度传感结构都较复杂。本文介绍了一种基于光斑旋转角度调制的新型光纤传感系统。光纤环所在环境的温度变化导致光斑旋转，改变出射端光斑的角度。所以通过一个简单的CCD获得光斑图像的角度，可以达到间接测量的图1弯曲波导辐射示意图

Fig.1Radiant diagram of the curved waveguide目的。与其他光纤温度传感器相比，不仅传感结构简单，而且测量灵敏度可调。1基本原理及系统结构光纤的宏弯损耗主要来源于光纤弯曲产生的空间滤波、模式泄漏及模式耦合，其中以空间滤波效应造成的损耗为主。光纤不同程度的弯曲将伴随着不同程度的空间滤波[5]。受到光纤弯曲的影响，光纤中全反射的条件受到破坏，高阶模将折射到包层中，较高阶模式进入截止状态，导致纤芯传导模式减少。光纤的宏弯损耗主要包括辐射损耗（如图1所示）和过度损耗

2.1光斑数变化两个级联的光纤环：光纤环1直径为25 mm；光纤环2紧密绕制5圈，直径为24 mm。通过减小光纤环1的直径，获得图3所示光斑数变化的光斑图。初始光斑4个，减小光纤环1的直径到18 mm后，光斑减少为3个。继续减小光纤环1的直径，通过CCD发现在一定的范围内，光斑数仍然为3。

2.2光斑旋转两个级联的光纤环：光纤环1直径为18 mm；光纤环2紧密绕制6圈，直径为20 mm。逐渐增加水温控制箱的温度获得图4所示光斑旋转的光斑图。图中表现了三光斑绕中心点按特定的方向发生的旋转。通过MATLAB处理分别获得三个光斑的特征点质心，再通过坐标处理可以方便快捷地测出光斑的角度，从而获得光斑旋转角度与传感光纤环所处环境温度的关系。图4中给出了不同温度时各个出射光斑对应的角度。

3.1线性度逐渐增加水温控制箱的温度，当光纤环1直径为18 mm；光纤环2为紧密绕制3圈，直径为20 mm，获得三光斑旋转角度随传感光纤环所处环境温度的变化关系如图5所示（光斑角度经过归零处理）。实验获得的数据经过MATLAB最小二乘法处理获得图5所示的直线：θ=1.149 7T，线性度-0.045 5。综上分析可知三光斑旋转角度跟传感光纤环所处的环境温度有很好的线性关系。

3.2灵敏度图6（a）所示为光纤环2直径均为20 mm，紧密绕制的光圈数分别为3、4、5、6，光纤环1直径均为18 mm的4条光斑旋转角度和水温控制箱温度的线性关系曲线。图6（b）所示为光纤环2紧密绕制的光圈数都为5，直径分别为16 mm、20 mm、24 mm，光纤环1直径均为18 mm的3条光斑旋转角度和水温控制箱温度的线性关系曲线。图6（a）中的数据经过MATLAB处理获得表1中的传感光纤参数（灵敏度、线性度），图6（b）中的数据经过MATLAB处理获得表2中的传感光纤参数（灵敏度、线性度）。

通过表1、表2中的具体参数可知图6（a）、图6（b）的关系曲线都有很好的线性度。表1中看出6圈传感光纤环对应的灵敏度最大，5圈传感光纤环对应的灵敏度次之，其次是圈数为4的传感光纤环对应的灵敏度，对应灵敏度最小的是圈数为3的传感光纤环。说明传感光纤环的圈数直接影响系统测量的灵敏度。表2中看出直径24 mm传感光纤环对应的灵敏度最大，直径20 mm传感光纤环对应的灵敏度次之，对应灵敏度最小的是直径为16 mm的传感光纤环。说明在传感光纤环的圈数一定的情况下，传感光纤环的直径越大，测量的灵敏度越高。实验数据很好地说明了传感器的灵敏度随传感光纤环圈数的增加逐渐变大，传感器的灵敏度也随传感光纤环直径的增加逐渐变大。为此在设计传感光纤环时，为获得比较好的测量效果，需要对传感光纤环选择合适的圈数、合适的直径。4结论本文提出了一种新的光纤温度传感器，分别研究了传感光纤环的圈数、传感光纤环的直径对系统的线性度、灵敏度的影响，得知系统具有比较好的线性度的同时系统灵敏度随传感光纤环参数的变化具有一定的规律。为减小系统体积、质量，增加系统使用的便利性，光源可以更换为半导体激光器。此传感系统结构简单，使用方便，适合温度测量精度要求不高的场合使用。

参考文献：

[1]GUNES Y，SAIT E K.A distributed optical fiber sensor for temperature detection in power cables[J].Sensors and Actuators A：Physical，2006，125（2）：148155.

[2]ALLSOP T，FLOREANI F，WEBB D J，et al.The bending and temperature characteristics of long period gratings written in elliptical core stepindex fibre[J].SPIE，2005，5855：711714.

[3]BAEK S G，JEONG Y C，NILSSON J，et al.Temperaturedependent fluorescence characteristics of an ytterbiumsensitized erbiumdoped silica fiber for sensor applications[J].Optical Fiber Technology，2006，12（1）：1019.

[4]BI W H，WANG X，LANG L Y.The optical fiber FP interferometric temperature measurement[J].Journal of Optoelectronics·Laser，2002，13（12）：13161317.

[5]RENNER H.Bending losses of coated singlemode fibers：a simple approach[J].Lightwave Technology，1992，10（5）：544551.

[6]邹丹丹.基于光纤宏观弯曲损耗的射流压力参量测量技术研究[D].南京：南京理工大学，2008：10