长周期光纤光栅双峰谐振效应在乳化液浓度检测的应用

吴清海

广东科学技术职业学院,广东 珠海 519090

乳化液在煤矿的液压支柱、液压支架和电牵引采煤机中应用广泛，被誉为煤矿液压设备的血液。如果乳化液的浓度不符合要求，比如浓度过小，则支架的稳定性、防锈性及润滑性会受到严重影响，很容易导致液压缸或者液压支柱等将由于腐蚀严重而报废。我国每年有相当数量的液压支柱因腐蚀而损坏。如果浓度过高，则会带来成本的较大增加且会降低消泡能力和增大对橡胶密封材料的溶胀性[1]。所以，实时监测乳化液的浓度在煤矿生产中有着重要的意义，目前对于乳化液浓度的检测主要采用单片机或PLC等带电设备，但这些电设备存在着一定的安全风险。

长周期光纤光栅是光纤传感领域的一个重要的传感器件，它对温度、应力、振动、浸泡液体的折射率等都比较敏感，且由于它是一种非电类传感器，故非常适合于使用在危险大的环境中[2,3]中，目前已有报道的应用有应力传感器[4]、振动传感器[5]、折射率传感器[3]等。长周期光纤光栅除了具有传统的机电类传感器的优点外，还具有灵敏度高、动态范围宽、不受电磁干扰、本质防爆等优点，故目前应用长周期光纤光栅作传感器多有报道。尤其是在浓度测量领域，长周期光纤光栅传感器由于其安全可靠灵敏度高等优点正受到越来越多的研究者的青睐。在本文中，通过对镀膜长周期光纤光栅的谐振双峰效应进行研究，发现液体浓度变化时两谐振峰也跟着变化，此时可利用两谐振峰之间的谐振波长的相对变化量来检测液体浓度的变化。由于探测使用的是两峰之间的漂移来探测，故其探测灵敏度远比单峰探测为高，非常适合于对乳化液的浓度进行在线探测。

1 长周期光纤光栅的双峰谐振现象

由光纤中的模式耦合理论，长周期光纤光栅中芯层模式和包层模式耦合的相位匹配公式[6]如下由光纤分别为芯层模式和包层模式的传播常数，neffco和分别为芯层模式和1阶υ次包层模式的有效折射率，Δβ为相位失谐量，为芯层导模的自耦合系数，Λ为光栅周期，λ为入射光波长。采用与文献[7]相同的参数，研究了芯层模式和1阶前21次包层模式耦合的入射光波长和相位失谐量Δβ的关系，其结果如图1所示。由图1可见，长周期光纤光栅的高阶包层模式耦合(比如图1中>18的包层模式的耦合)时不存在相位失谐量为0的点，而低阶包层模式的耦合的相位失谐量Δβ=0则有两个点，而且耦合的模式阶次越小这两个失谐点之间的波长距离越大。考虑到仪器观察范围，耦合包层模式阶次较小(如包层模式1、2、3等)时相位失谐量为0的波长点之间的距离太大使得很难将两个相位失谐点同时观察得到。而包层模式处于中间(比如17,18次包层模式的耦合)时的耦合相位失谐点之间的波长距离则较小，其特性较好观察。两个谐振点的存在意味着同一包层模式与芯层模式的耦合存在两个谐振峰，此即为镀膜长周期光纤光栅的双峰谐振现象[7-9]。

图1 相位失谐量Δβ与入射光波长的关系Fig.1 The relationship between the Δβ and the incident light wavelengths

图2 HE1,18包层模式耦合的透射谱Fig.2 The transmission spectrum of cladding mode HE1,18 coupling

为了直观起见，图2给出了HE1,18(1阶17次)包层模式和芯层模式耦合时双峰谐振现象的透射谱图，由图可以清楚看到该包层模式与芯层耦合时的谐振双峰，两峰之间的距离有约800 nm，这点与文献[10-12]中研究的结果一致。

2 长周期光纤光栅测液体浓度的原理

当长周期光纤光栅周边的折射率变化时，长周期光纤光栅的透射谱会发生相应变化，这种现象即为长周期光纤光栅的折射率特性。典型的，长周期光纤光栅和环境折射率的关系如图3 所示。由图可见，当包层折射率大于环境折射率时，光栅的透射峰随着环境折射率的增加向短波处漂移，而且包层折射率越接近环境折射率，同等折射率的变化引起的谐振波长的漂移越大。对待测液来说，当其浓度发生变化时，相应的折射率也将发生变化，因此可以通过测量折射率的变化获得浓度变化的信息。这即为应用长周期光纤光栅测量液体浓度的原理。长周期光纤光栅的单峰对乳化液浓度检测应用广泛[10,11]，但由于采用的都是单峰检测所以灵敏度较低。

长周期光纤光栅的双峰谐振的折射率特性，并给出了环境折射率变化时1 阶17 次包层模式耦合的相位失谐量与光波长的关系图如图4 所示。由图可见，当环境折射率增加时，失谐量曲线向两边张开，当环境折射率减小时，失谐量曲线向里面收缩。也即当环境折射率增加时，谐振双峰的距离将增大，而当环境折射率减小时，谐振双峰的距离将减小。这说明了应用长周期光纤光栅双峰谐振测量液体浓度的可行性。而且由于采用双峰谐振时，由于测量对象是双峰的漂移，故敏感度比单峰探测更高。

图3 LPFG 的谐振波长和环境折射率的关系Fig.3 The relationship between resonance wavelengths of LPFG and the ambient refractive indexes

图4 不同环境折射率的波长变化Fig.4 Changes of wavelengths at different ambient refractive indexes

3 镀膜长周期光纤光栅的双峰谐振效应测量乳化液浓度的数值分析

为便于与单峰测量时的敏感度进行对比，下面采用光纤参数进行研究，具体如下：a1=2.5 μm 为光纤芯层半径，a2=62.5 μm 为包层半径，光纤芯层折射率为2.178，包层折射率为2.173。光栅参数为：周期Λ为235 μm,长度为1 cm，平均折变量δn=5.0×10-4，占空比p=0.5，薄膜厚度350 nm，薄膜折射率为1.52。接下来，研究HE1,18包层模式与芯层模式的耦合。乳化液采用ME10-5 型乳化油配制，配水液为生活用自来水，由此得到的乳化液的浓度和折射率的关系如表1 所示。

表1 乳化液的浓度及其对应的折射率Table 1 The emulsion concentrations and the refractive indexes

表2 谐振双峰的波长漂移量和乳化液浓度的关系Table 2 The relation between the drift of dual resonant peaks and emulsion concentrations

由表2 可见，两谐振峰随乳化液浓度的变化而变化。当乳化液浓度由0%增加到8%时，短波段谐振波长由1214.57 nm 漂移至1207.82 nm，长波段谐振波长由1921.51 nm 漂移至1932.09 nm，而两峰的距离则变化了17.33 nm。

为方便对比，表3 给出了文献[12]的应用单峰探测时谐振波长随乳化液浓度的变化情况，其中包层模式采用的是1 阶19 次包层模式。

表3 单峰探测谐振波长和乳化液浓度的关系Table 3 The relation between the single peak detection and emulsion concentration

由表3 可见，当乳化液浓度从0%增加到8%时，谐振波长从1151.2 nm 漂移到1146.73 nm，漂移值为4.47 nm。

理论上1 阶19 次包层模式的耦合比1 阶17 次包层模式的耦合灵敏度更高，但通过对比表2 和表3，可以发现采用双峰谐振探测后，其灵敏度远比单峰时要高。另外，当乳化液浓度由2%增加至3%时，虽然其对应的折射率变化很小，只有0.0005，但对应的谐振波长的变化却差不多有1 nm 之多。而在单峰探测中，这种情形下谐振波长的漂移基本感觉不出来(分析结果都是1149.7 nm)。更为重要的是，在乳化液的关键浓度5%附近，当乳化液浓度从4%变化到6%时，单峰谐振的波长漂移只有1 nm，而双峰谐振的波长漂移则有4.37 nm。这说明采用长周期光纤光栅的双峰谐振现象探测乳化液的浓度具有一定的可行性。

与表2 相对应，图5 给出了HE1,18包层模式和芯层模式耦合并发生双峰谐振时的透射谱图。由图可见，当环境折射率增加时，两谐振双峰中短波段谐振峰向短波方向漂移，长波段谐振峰向长波方向漂移，两者之间的距离增加。通过探测两谐振双峰之间的距离变化即可实现对乳化液浓度的实时检测。实际上，除了谐振波长变化外，两谐振双峰的幅度也随环境折射率发生变化，所以可以通过光电转换以实现对乳化液浓度的检测。

图5 HE1,18包层和芯层模式耦合的透射谱在不同浓度的乳化液中的透射谱Fig.5 The transmission spectrum of coupling between HE1,18 cladding mode and core mode in emulsion with different concentration

4 结论

文中应用镀膜长周期光纤光栅的双峰谐振效应对煤矿用乳化液的浓度检测进行了数值分析，并和单峰测探时的结果进行了对比。对比结果表明，同等情况下使用长周期光纤光栅的谐振双峰效应探测乳化液的浓度的灵敏度比应用单峰探测的灵敏度高出约3倍。而在5%的乳化液浓度附近，浓度的较小变化即可引起较大的双峰谐振波长漂移。这些研究结果表明，应用长周期光纤光栅的双峰谐振效应能够有效提高光纤光栅的探测灵敏度，可以对乳化液浓度的微小变化进行有效测量。而且，采用长周期光纤光栅测量乳化液的浓度时，由于整个测量过程只有光信号的传输而没有电信号的参与，故可以大大提高煤矿作业中的安全性。