基于两光斑旋转的光纤传感器的温度稳定性研究

查媛+吴骏+王华+马军山

摘要： 为了研究基于两光斑旋转的光纤传感器对温度变化的灵敏性，设计了一种基于光斑旋转角度调制的新型光纤传感系统。在一根光纤上绕制2个光纤环，通过改变光纤环1的直径使光纤发生宏弯损耗获得2个光斑，将光纤环2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。为了更好地对比，还观察了温度变化与三光斑角度旋转的关系。通过对光纤宏弯损耗及光纤环耦合原理的分析，利用MATLAB对实验数据进行处理，得出了两光斑光纤传感器具有温度稳定性的结论。

关键词： 光纤传感器； 宏弯损耗； 温度变化； 光斑旋转角度

中图分类号： TP212.1 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.03.002

文章编号： 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

光纤传感技术是20世纪70年代伴随着光纤通信技术的发展而迅速发展起来的新型传感技术。光纤传感器以其高灵敏度、抗电磁干扰、耐腐蚀、可弯曲、体积小、结构简单以及与光纤传输线路相容等独特优点受到世界各国的广泛关注[1]。如今，光纤传感技术日益成熟和完善，可传感角速度、压力、温度、电场、振动等物理量，被广泛地应用于远程控制以及医疗、生物、化学、电力检测等方面。其中，利用光纤传感技术的温度测量也越来越受到人们的重视[2]。

光纤传感器可以分为非功能型（传光型或强度调制型光纤传感器）和功能型（传感型光纤传感器）2类，光纤温度传感器是一种新型的温度传感器，目前主要的光纤温度传感器有分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、光纤荧光温度传感器、干涉型光纤温度传感器等[3-4]。

本文介绍一种基于光斑旋转角度调制的光纤传感系统，光纤所在环境的温度变化会导致光斑旋转，从而改变出射端的光斑的角度。所以通过一个简单的CCD获得光斑图像，再经过MATLAB处理获得所得图像中的光斑角度，达到间接测量的目的。

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、模式泄露及模式耦合[5]，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。受到光纤弯曲的影响，光纤中的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和过渡损耗[6]，可以表示为：

经式（1）、式（2）大量计算可得，由曲率半径的改变而引起的过度损耗远远小于辐射损耗[7]。由式（1）可以看出，光纤弯曲程度（R/a）越大，空间滤波效应越明显，辐射损耗也大，纤芯传输的模式数就越少，导致出射光斑数量的减少。

实验装置如图1所示，激光器（DH-HN250P）发出的光经过聚焦透镜耦合进单模传感光纤中，激光先经过光纤环1（光纤环1为单模光纤绕制的一定半径的单圈光纤环，起空间滤波作用），再通过光纤环2（光纤环2为单模光纤紧密绕制在一定半径的圆柱海绵体上形成的光纤环，作为传感光纤环，并放在水温控制箱中），CCD接收光纤输出端的激光光斑，最终将光斑图像传至PC。

2 实验现象

2.1 光斑数变化

2个级联的光纤环：光纤环1的直径为20 mm；光纤环2直径为20 mm，有6圈且紧密绕在圆柱形海绵体上。初始光斑为4个，减小光纤环1的直径到16 mm后，光斑减少为3个，继续减少光纤环1的直径到10 mm，光斑变为2个。经实验观察得到，缩小光纤环1的直径，由于压缩使光纤结构和光纤传播常数发生变化，导致光波模式的耦合、损耗变大，进而减少了出射光斑的数量。