基于光纤法布里—珀罗干涉仪的温度传感器*

段丹阳， 程 进， 高 然， 逯丹凤， 祁志美

(中国科学院 电子学研究所 传感技术国家重点实验室，北京 100190)

基于光纤法布里—珀罗干涉仪的温度传感器*

段丹阳， 程 进， 高 然， 逯丹凤， 祁志美

(中国科学院 电子学研究所 传感技术国家重点实验室，北京 100190)

提出了一种基于光纤法布里—珀罗(F-P)干涉仪的温度传感器，传感器的敏感部分是一段两端研磨为平面的单模光纤，它的一端与一根单模传光光纤相接以形成一个反射面，另一端与空气接触形成另一个反射面，这两个反射面与敏感部分光纤形成本征光纤F-P干涉仪(IFPI)。分析了该光纤温度传感器的温度响应特性，制作了传感器原理样机，搭建了测试平台，并对原理样机进行了测试。在25～30 ℃的范围内对传感器进行了标定，测得温度响应灵敏度为21.504·2 πrad/℃，温度分辨率为0.046 ℃。实验结果表明：该传感器对温度有较好的线性响应和较高的灵敏度，且制作工艺简单，成本低，具有良好的应用前景。

光纤温度传感器； 本征法布里—珀罗干涉仪； 单模光纤； 温度响应

0 引 言

自1988年光纤法布里—珀罗(optical fiber Fabry-Pérot,F-P)传感器被Lee C E等人[1]成功制作以来，广泛应用于温度、应变、压力、振动等多种参量的测量[2～4]。这种传感器具有灵敏度高、体积小、响应速度快、抗电磁干扰等优点。根据F-P腔结构形式的不同可以分为本征型F-P干涉仪(intrinsic F-P干涉仪 interferometer，IFPI)光纤传感器和非本征型F-P干涉仪(extrinsic F-P干涉仪 interferometer，EFPI)光纤传感器。其中，IFPI光纤传感器直接利用对外界参量具有敏感能力的光纤作为其腔体；EFPI光纤传感器的腔体为两个反射端面之间的空气隙。

与EFPI光纤传感器相比，IFPI光纤传感器具有更小的插入损耗和更灵活的传感光纤段[5]。IFPI光纤传感器最重要的在于传感探头的制作，目前国内外学者提出了多种制作方法，这些方法主要分为两类：一种是采用镀膜方法制作F-P腔，例如在1988年，Lee C E等人[1]通过磁控溅射的方法在一根单模光纤的两个端面镀上1 400×0.1 nm厚的TiO2膜作为反射镜，并在低电流和短时间的条件下将其2端和另外2根单模传输光纤熔接起来制成光纤IFPI传感器，该传感器可以对温度、应变等进行测量；另一种是利用特殊光纤与普通光纤的折射率差来形成F-P腔，例如在2007年，Rao Y J等人[6～8]将单模光子晶体光纤(EPCF)熔接到普通单模光纤的末端，利用折射率差异成功制作了光纤IFPI传感器。其中镀膜方法涉及复杂的工艺并且薄膜在熔接时易被损坏；采用特殊光纤与普通光纤熔接的方法则需要较高的成本。

针对目前IFPI光纤传感器存在制作工艺复杂的问题，本文提出了一种制作工艺简单的IFPI光纤温度传感器。该光纤温度传感器的敏感部分是一段两端研磨为平面的单模光纤，它的一端采用标准光纤连接器与一根单模传光光纤相接(传光光纤与传感光纤接触的端面也研磨为平面)，另一端与空气接触。结构中，传感光纤在空气中的端面为一个光反射面，传感光纤与传光光纤接触面为另一个光反射面，这两个反射面与传感光纤形成IFPI。本文还给出了该光纤温度传感器的温度响应理论模型，制作了IFPI光纤温度传感器原理样机并对原理样机进行了测试。本文提出的IFPI光纤温度传感器制作工艺简单，无需镀膜和熔接，成本较低，并且有很高的测量灵敏度，因此具有很重要的现实意义。

1 传感器结构与原理

1.1 F-P传感器结构与工艺

本文提出的IFPI光纤温度传感器结构如图1(a)所示。其中F1是传光光纤，F2是传感光纤，P1是传光光纤的一个端面，P2和P3分别是传感光纤的两个端面，其中P1与P2通过光纤法兰盘FL相连。图1(b)是该传感器的原理示意图。图1(c)是该传感器的实物图。

图1 IFPI温度传感器结构、原理及实物图

在图1(a)所示结构中，P1与P2形成的界面为本征FP腔的一个反射面，P3为其另一个反射面。如图1(b)所示，当光从传光光纤入射，部分光在P1与P2形成的界面处反射回传光光纤，另一部分光透射进入传感光纤，并在P3处反射。这束反射光沿传感光纤继续传播并耦合回传光光纤。由于第2束反射光在传感光纤中多传播了一个来回，这两束反射光产生干涉。由于两个界面的反射率都比较低，因此形成低精细度的F-P干涉，该干涉可近似为双光束干涉。

制作本文提出的IFPI光纤温度传感器只涉及端面研磨工艺。采用中心加压的光纤研磨机将光纤端面P1,P2和P3研磨成平面，通过改变研磨砂纸的规格、以及研磨时间，控制形成的两个反射面的反射率，以形成高对比度的干涉光谱。该工艺简单、易实现、重复性好、工艺成本低。

1.2 系统装置和检测原理

基于图1所示的传感器结构搭建了IFPI光纤温度传感器的实验装置，其结构如图2所示。DFB半导体激光器、本征F-P传感模块、光电探测器分别连接到环形器的三个端口。系统中，光的传输路径为：激光器发出单色光1，经环形器进入本征F-P传感模块，从F-P腔(即F2光纤)的两端反射面反射回来的光2和光3汇合后发生干涉，此干涉光经过环形器到达光电探测器。干涉光信号转换成电信号后通过数据采集卡连接到计算机，经过一定的信号处理，得到温度变化信号。

图2 IFPI光纤温度传感器实验装置图

这里，反射光2是作为参考光。设两束相干光波的强度分别为I1，I2，则两束相干光波的光程差和干涉后的光强分别为[9]

δ=2nL

(1)

(2)

式中 L为F-P腔长，n为传感光纤纤芯折射率，φ=4πnL/λ 为两束反射光波的相位差，λ为单色光在自由空间的波长。当系统搭建好以后，I1，I2的值都为定值，则检测的干涉信号是两束干涉光波在外作用下产生的光相位φ的函数。通过获取干涉信号的相位φ的变化，实现该光纤IFPI传感器对外界参量的传感。

2 温度传感基本原理

在光纤中传播的光的相位由以下3个因素决定[10]：光纤波导的物理长度；光纤折射率径向分布；光纤波导的横向几何尺寸。当IFPI传感器置于温度变化的环境中，由于光纤的热光效应和光纤材料的热膨胀效应，会直接引起上面三个因素的变化，从而产生相位变化。由温度变化引起的相位的变化为

Δφ=ΔφL+Δφn+Δφd

(3)

式中ΔφL为光纤长度变化产生的相位变化，称为应变效应；Δφn为光纤折射率变化产生的相位变化，称为光弹效应；Δφd为光纤波导横向几何尺寸变化产生的相位变化，称为泊松效应[11]。

长度变化ΔL时相位变化量为

(4)

折射率变化Δn时相位变化量为

(5)

光纤波导横向几何尺寸变化Δd引起的相位变化量为

(6)

对于单模光纤，泊松效应引起的光纤直径变化所产生波导传播常数的变化很小，故可以忽略不计[12]。

当温度改变ΔT时，相位的变化为

(7)

由式(7)可以看出，相位的变化正比于温度的变化，因此获得相位变化就可以得到待测的温度变化。

3 温度响应实验与分析

3.1 实验系统

IFPI光纤温度传感器的测量系统由Pt100铂电阻、温度采集模块和温控箱组成。

实验中，将IFPI光纤温度传感器的传感光纤部分和Pt 100一同放置于热容量较大、导热快的金属块之中，以保证它们温度相等。再将金属块放在温控箱的中心，如图3所示。在缓慢改变温控箱温度的过程中，计算机通过温度采集模块测量并存储Pt 100感受的温度值；同时，计算机通过数据采集卡得到IFPI光纤温度传感器返回的干涉信号，经过信号处理解调出干涉信号的相位差信息，实现IFPI光纤温度传感器对温度的测量。

图3 IFPI光纤温度传感器温度测量系统

3.2 IFPI光纤温度传感器的标定

搭建好系统以后进行了温度标定实验，将温控箱的温度由25 ℃升到30 ℃。通过光电探测器探测到传感器的输出干涉信号，如图4所示。从图中可以看出：在升温的过程中，干涉条纹随时间快速移动，这表明该传感器对温度变化有良好的响应；干涉光谱的对比度约为0.7，这说明获得的信号信噪比高。

利用条纹计数的方法对图4(d)中采集到的输出信号进行解调，求出升温时间段内干涉信号的相位变化，通过温度采集模块可得到同一时间段内的温度变化。图5给出了升温过程中相位变化和温度变化的关系，拟合的标定曲线为y=21.504x+1.668，线性度达到0.999 2，由此可以得出该传感器的温度响应灵敏度为21.504·2π rad/℃。这意味着要产生一个2π的相位变化，对应需要的温度变化值为1/21.504 ℃=0.046 ℃，也即该IFPI光纤温度传感器的温度分辨率大约为0.046 ℃。

图4 不同时间下与整个升温过程中光电探测到的干涉光强信号

图5 相位变化与温度变化的标定曲线

3.3 IFPI光纤温度传感器的温度测量

完成标定后，利用得到的标定系数就可以实现IFPI光纤温度传感器对温度变化的测量。图6是温度由30 ℃升到35 ℃过程IFPI光纤温度传感器和Pt 100铂电阻的测量结果，横坐标是温度采集模块通过Pt 100测得的温度，纵坐标是IFPI光纤温度传感器测得的温度。从图中可以IFPI传感器测出的温度值与Pt100铂电阻测出的温度值基本吻合，其线性度为0.998 9。

图6 IFPI光纤温度传感器测量结果

4 结 论

实验结果表明:该传感器对温度具有良好的线性响应，测得的温度响应灵敏度为21.504·2π rad/℃，温度分辨率为0.046 ℃，实验测量值与实际温度值基本吻合。该传感器灵敏度高，而且制作工艺简单，成本低，具有潜在的应用前景。

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Temperature sensor based on optical fiber Fabry-Pérot interferometer*

DUAN Dan-yang, CHENG Jin, GAO Ran, LU Dan-feng， QI Zhi-mei

(State Key Laboratory of Transducer Technology,Institute of Electronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)

A temperature sensor based on optical fiber Fabry-Pérot(F-P)interferometer is proposed.The sensitive part of the sensor is a single mode fiber with both ends are grinded to plane.One end of the sensitive fiber is connected with another single mode fiber to form a reflective surface.The other end of the sensitive fiber is exposed to air to form another reflective surface.The two reflective surfaces and the sensitive optical fiber constitute an intrinsic optical fiber F-P interferometer(IFPI).Temperature response characteristics of the optical fiber temperature sensor is analyzed,optical fiber temperature sensor principle prototype is manufactured and test platform is built up,test on prototype is performed.The temperature sensor is calibrated at temperature range of 25～30 ℃.The temperature sensitivity is 21.504·2π rad/℃and temperature resolution is 0.046 ℃.Experimental results demonstrate that this sensor has good linear response to temperature and high sensitivity.This kind of sensor has a good application prospect because of its simple fabrication process and low cost.

optical fiber temperature sensor; intrinsic Fabry-Pérot(F-P)interferometer;single-mode optical fiber; temperature response

10.13873/J.1000—9787(2017)04—0124—04

2016—04—28

国家自然科学基金资助项目(61377064, 61401432,61501425);中国博士后科学基金资助项目(2015M571118)

TP 29

A

1000—9787(2017)04—0124—04

段丹阳(1991-)，男，硕士研究生，主要研究方向为光纤传感技术。

祁志美(1967-)，男，通讯作者，博士，研究员，主要从事纳米光电功能材料、光MEMS技术、集成光波导传感器与系统等方面的研究工作,E—mail:zhimei-qi@mail.ie.ac.cn。