液体填充增敏型法布里-珀罗微腔光纤温度传感器

赵 琼,王 伟,,寇琬莹,陈海滨,黄 盼,栗晓爽

(1.西安工业大学兵器科学与技术学院,陕西 西安 7100021；2.西安工业大学光电工程学院,陕西 西安 7100021；3.西安冠华电子科技有限公司,陕西 西安710089)

1 引 言

光纤温度传感器由于结构紧凑、灵敏度高、耐高温、耐腐蚀、响应速度快、抗电磁干扰、使用灵活等独特优势[1],被广泛应用于高温、高压、强磁场干扰等极端条件下温度传感,为极端条件下的温度测量铸造了良好的基础,受到了学术界与产业界的广泛重视,已有不少光纤温度传感器实用化。

光纤温度传感器根据传感原理可分为非干涉型温度传感器[2-5]和干涉型光纤温度传感器[6],相较于其他光纤温度传感器,干涉型光纤温度传感器具有更加优越的性能特点[7-8]:传感元件尺寸不超过光纤本身,体积更小,系统结构更加紧凑,制作方式简单,测温光谱的变化仅由温度变化而引起等,因此干涉型光纤温度传感器受到了大家的关注。光纤温度传感器其干涉机理主要包括马赫—增德尔干涉效应[9-10]、法布里—珀罗干涉效应[11-12]等,其中法珀光纤温度传感器分辨率高,测量精度高,且具有结构简单、单端输入、单端输出的特点,其灵敏度要比马赫—增德尔光纤温度传感器高,同时法珀光纤温度传感器根据多光束干涉原理采用单根光纤测量温度,避免了马赫—增德尔光纤温度传感器传感测量时两根光纤的匹配问题。

法珀光纤温度传感器又有本征型[13]和非本征型[14-15]之分,其中非本征型法珀纤温度传感器是常用的法珀光纤温度传感器,传统非本征型法珀光纤传感器采用空气为传感腔体,其温度灵敏度很低,不适宜进行温度传感测量,因此在此基础上,对非本征型法珀光纤传感器进行改进是法珀光纤温度传感器研究的热点,具体体现在使用特殊材料代替石英毛细管[16]或高折射率材料填充腔体[17]制作法珀光纤温度传感器,但采用特殊材料制作的法珀光纤温度传感器制作成本较大,对镀膜工艺有很高的要求,故而对低成本、高精度、高灵敏度的非本征型光纤温度传感器的研究得到广泛关注。2016年,张杰等[18]制作了一种简单结构的熔接式全石英非本征法珀光纤传感器,进行温度敏感度测量实验,温度敏感系数约为0.72 nm/℃,2017年,Wu等[19]利用单模光纤和空芯光纤进行熔接制作了非本征法珀光纤传器,其温度灵敏度为1.08 pm/℃,2019年,林启敬等[20]单模光纤和空心光纤进行点胶固化制作了用于航空发动机的光纤FP温度传感器,灵敏度为0.012 nm/℃。

针对传统非本征法珀光纤温度传感器的低温度灵敏度以及使用特殊材料制作非本征法珀光纤温度传感器的高成本、难制作的问题,提出了一种基于液体填充的增敏型法布里-珀罗微腔光纤温度传感器,通过采用二氧化硅毛细管(Glass capillary,GC)和两段单模光纤(SMF)来制作液体填充法珀微腔光纤温度传感器,同时使用高折射率温度系数液体代替空气作为传感腔体,所研究的传感器具有高的温度灵敏度,可进行较大范围的温度测量。

2 结构与制作

所提出液体填充法珀微腔温度传感器,其结构如图1所示。该传感器由一段中空二氧化硅毛细管和两段端面间隔为微米量级的单模光纤穿入其中而构成,其中,在毛细管内部、两单模光纤之间填充有具有较高热膨胀系数的液体以实现温度增敏。在本文中,所填充液体为水。

图1 液体填充法珀微腔光纤温度传感器结构简图

所提出液体填充法珀微腔光纤温度传感器的制作过程如下:去除两根单模光纤的端面附近的涂覆层后,使用光纤切割刀切掉裸光纤的不平整端面,并做抛光处理,保证两个光纤端面绝对平整并严格垂直于光纤轴线；将二氧化硅毛细管一端略浸入待填充液体液面一下,利用毛细效应将填充液体吸入毛细管内部；在光学显微镜下使用一对五维精密调节架将两段单模光纤与精密对准并推送进入二氧化硅毛细管,待两光纤端面距离达到预定的间距后,使用紫外固化胶(UV adhesive)将两段光纤与二氧化硅毛细管粘结固定,形成液体填充法珀微腔光纤温度传感器。

3 液体填充法珀微腔温度传感、增敏与解调原理

对于腔长为L、腔内介质折射率为n的液体填充型法珀微腔光纤温度传感器而言,忽略衍射损耗与介质吸收等因素,对于波长为λ的光波,根据多光束干涉原理,其反射率可以表示为[21]:

(1)

其中,R为法珀微腔两反射端面的反射率。由于所填充液体折射率与单模光纤熔石英材料的折射率通常相差不大,有R≪1,光波在法珀微腔两端面之间的多光束干涉效应可简化为双光束干涉效应,公式(1)通常可近似表示为:

(2)

如果采用宽带光源,如ASE、SLED等照射该法珀微腔,光谱仪上将呈现反射光与光源光的叠加谱,则反射谱上会出现多个反射峰,反射峰波长位置满足关系

(3)

其中,m为反射峰阶次;λm为第m阶反射峰所对应波长。

显然,任意阶次反射峰所对应波长位置为填充液体折射率n和法珀微腔腔长L的函数。由于热光效应与热膨胀效应,温度变化会引起折射率n与法珀微腔腔长L的改变,从而影响反射光谱中反射峰波长位置与反射峰波长间隔。通过对反射光波长位置或反射峰波长间隔及其变化的监测,可以实现温度参量的传感测量。

通常情况下,热光效应所导致折射率变化对波长位置的影响可以忽略,只需要考虑热膨胀效应的影响。如果法珀微腔腔长变化ΔL,则m阶反射峰波长位置变化量为

(4)

由于初始腔长L越小,在光源光谱范围固定的条件下,可以在反射光谱中出现的反射峰的阶次也就越低,即反射峰阶次m的值越小,对于相同腔长变化量ΔL,在确定的反射光谱范围内,短腔长法珀腔的反射峰的移动量大于较长法珀腔反射峰峰值波长的移动量。因此,采用微米量级腔长的法珀微腔本身就有助于提升传感器的温度灵敏度。在此基础上,通过热膨胀系数较高液体的填充,相同温度变化条件下,法珀微腔的腔长变化量ΔL会明显增加,从而显著增加光纤温度传感器的灵敏度,此为液体填充法珀微腔光纤温度传感器的增敏原理[21-22]。

温度传感测量的关键是,由反射光谱精确解算不同温度条件下法珀微腔的腔长,并利用温度与法珀微腔腔长之间的关系反推温度。根据公式(2),法珀微腔的反射光谱功率密度可以所示为:

IFP(λ)=RFP(λ)I0(λ)

(5)

其中,I0(λ)为波长λ位置的光源光谱功率密度。对安设光谱进行归一化处理,考虑通常光谱分析仪输出光谱数据的离散化特性,反射光谱可表示为:

(6)

其中,λk为光谱分析仪所输出第k个离散光谱数据所对应的波长。采用相关解调方法对法珀腔的腔长进行解调。即构建腔长模板函数:

(7)

其中,l为模板法珀腔腔长。将之与反射光谱进行相关运算,有:

(8)

可以证明,该相关函数在l=L取最大值。因此可以通过构造模板函数,并与归一化之后的反射光谱进行相关运算,寻找相关函数最大值的方法,确定法珀腔腔长,并利用腔长温度关系,实现液体填充法珀微腔光纤传感器的解调。

4 实验与分析

根据前文所述制作方法,使用内径为128 μm,外径为320 μm的中孔二氧化硅毛细管与包层直径为125 μm的标准单模光纤制作了法珀微腔光纤温度传感器,填充液体为水。

为了便于参照对比,另在相同实验条件下制作了非填充空气隙法珀微腔光纤温度传感器,为了保证腔长变化造成的光功率变化的单值性[22],两光纤温度传感器腔长优化设计分别为12.140 μm、24.273 μm。

将制作好的传感器连接至图2所示温度传感实验装置,进行温度特性测试表征实验。所采用温度传感实验装置由SLED光源、光纤环行器、高温炉和光谱分析仪构成。其中,光源采用美国Thorlabs公司的SLED宽带光源(S5FC1550S-A2),其中心波长为1568 nm,3 dB带宽约为90 nm,最大输出功率3 mW。其输出光谱为高斯型,见图3。光谱分析仪(OSA)采用日本Anritsu公司生产的高精度光纤光谱分析仪(MS9740A),其光谱测量范围为0.6～1.75,最高波长分辨率可达0.03 nm。使用可编程高温炉(High Temperature Furnace,HTF)进行温度控制和参照测量,其最高温度可到达1200 K。将所制作液体填充法珀微腔光纤温度传感器置于HTF内部,且使传感腔体位于加热炉管中心处进行加热测试。

图2 液体填充法珀微腔光纤温度传感实验装置示意图

图3 SLED输出光谱图

室温下,所制作液体填充法珀微腔光纤温度传感器及对照非填充空气隙传感器的反射光谱如图4所示,由于腔体长度较短,在1475～1675 nm的光谱范围内,只有有限的几个反射峰出现。对液体填充法珀微腔光纤温度传感器进行升温加热实验,可以发现反射峰均向长波长方向移动,如图5所示,这是由于在温度升高的条件下,法珀微腔在液体热膨胀的作用下显著拉伸使得腔长显著变长的缘故,与理论预期相符。

图4 室温下输出干涉光谱

图5 液体填充法珀传感器在不同温度下输出干涉光谱

根据公式(8),构造模板函数,对归一化后的反射光谱数据进行相关处理,所得相关系数C(l)与模板法珀腔腔长关系如图6所示。显然,当l=L时,相关系数C(l)取最大值。利用该方法,可计算得到,所制作液体填充法珀微腔光纤温度传感器室温下的腔长为12.140 μm。我们采用寻找相关系数最大值的方式对所有不同温度条件下的法珀微腔腔长进行解算。

图6 室温下液体填充法珀微腔光纤温度传感器的自相关系数

以室温下24.3 ℃为温度基准点,同时设置高温炉温度以步长10 ℃变化,利用光谱分析仪记录每组温度条件下的光谱数据,根据上述相关解调方法,分别得到在不同温度下的腔长值以及腔长变化量,腔长以及腔长变化量与温度的关系曲线分别如图7、8所示。可以看到,腔长以及腔长变化量与温度整体呈线性关系。通过线性拟合,可得液体填充法珀微腔光纤温度传感器的腔长-温度灵敏度2.18516 nm/℃,线性度为0.94652；作为参照的非填充空气腔温度传感器腔长-温度灵敏度为1.16923 nm/℃,线性度为0.94531。液体填充型法珀微腔光纤温度传感器相比于非填充型,其腔长-温度灵敏度提高了一倍。显然,液体填充的方式对于法珀微腔光纤温度传感器而言,有非常明显的增敏效果。

图7 法珀微腔光纤传感器腔长-温度关系曲线

图8 腔长变化量与温度关系曲线

5 总 结

为了提高法珀腔光纤温度传感器的灵敏度,提出了一种液体填充法珀微腔光纤温度传感结构,并采用相关算法进行了解调。采用标准单模光纤与二氧化硅毛细管制作腔长为微米量级的法珀微腔,并使用热膨胀系数较高的液体进行填充,利用法珀微腔本身的灵敏度以及液体热膨胀的增敏效果,实现了高灵敏度的光纤温度传感器。实验所制作的液体填充法珀微腔光纤温度的腔长变化量-温度灵敏度达到了2.185 nm/℃,增敏效果明显。