增敏型级联双参量测量的光纤传感器

彭 进,侯俊勇,陈 刚,陈贞屹,黄馨月

(1.西南石油大学信息学院,四川 南充 637001；2.重庆理工大学材料科学与工程学院,重庆 400054)

1 引 言

光纤传感在恶劣环境监测中具有独特优势,但光纤传感器单参量测量时,易受到非测量因素的干扰,影响测量精度[1-2]。针对交叉敏感问题,通常将对光纤传感结构进行不同设计、制作、加工,并结合灵敏度系数矩阵,实现双参量或多参量的测量,可在一定程度上提高测量精度以及可信度[3]。目前常见光纤双参量传感器有利用光纤中的模间干涉形成干涉峰进行测量的[4]；也有在同一传感结构中选取不同的传感特征参量(强度、波长等)来表征待测量变化实现测量的[5]；还有利用特种光纤构建多个传感器再进行级联实现检测的[6]。可见解决液体折射率检测中温度和折射率交叉敏感问题,提高生产生活中液体折射率检测精度测量是近年来传感器研究设计的热点。

光纤光栅(FBG)与特种光纤构造的马赫-曾德尔(M-Z)干涉仪相结合实现温度、折射率双参量测量是可行有效的方案。Yao Q等人将特种光纤纤芯错位制作的 M-Z干涉仪与FBG级联进行折射率和温度测量,灵敏度别为13.7592 nm/RIU和0.0462 nm/℃,线性度良好,但错位距离的可控性有待提高[7]。曹晔等人将单模光纤制备的球形结构级联FBG制备温度和折射率传感器,灵敏度分别为0.07245 nm/℃和87.65 nm/RIU,理论分析深刻到位但灵敏度有限[8]。温芳芳等人利用大芯径多模光纤与FBG设计并制作了温度和磁场双参量传感器,灵敏度分别为15.9 pm/Oe和-161.7 pm/℃,制作工艺简单,但稳定性有待探究[9]。申佳鑫等人利用FBG与空芯光纤多模干涉级联构造温度和应变双参量传感器,温度灵敏度分别达到10.5306 pm/℃和1.8021 pm/℃,应变灵敏度分别达到0.7207 pm/με和1.2432 pm/με结构简易,但自制FBG刻栅成本高昂[10]。尽管双参量测量工作有一定探索成果,但传感器稳定性、灵敏度等方面还有待提升。灵敏度高、制作简单、稳定性强的FBG与特种光纤构造的M-Z干涉仪级联的传感器仍有较好的优势和应用前景。

本文将单模光纤(SMF)和薄芯光纤(TCF)进行拉锥熔接,通过多次熔接实验,改变相应熔接参数,探究出最佳熔接效果；同时在薄芯光纤(TCF)另一端熔接无心光纤(NCF)制备出微型M-Z光纤干涉仪；最后在无芯光纤末端级联上铝制毛细管增敏封装后的光纤光栅(FBG)完成双参量光纤传感器的制备。通过实验测试了传感器温度和折射率特性,结果表明干涉光谱呈现明显偏移,且波谷偏移量与温度和折射率变化线性度良好,灵敏度也相对较高。该传感器为全光纤结构,稳定性、抗腐蚀性、抗干扰能力得以保障；传感单元通过熔接机级联,工艺简单,可控性高,重复性强；薄芯光纤的拉锥增敏特性[11]以及FBG封装增敏效果,使得传感器灵敏度高、交叉敏感度低。

2 传感器的工作原理及制备

2.1 传感器的工作原理

传感器的基本原理如图1(a)所示,从光源出来的光经过单模光纤(SMF)与薄芯光纤(TCF)熔接的凹锥结构(光纤纤径局部缩小的锥形结构)会发生模场失配现象,进而激发出高阶包层模式。当光到达无芯光纤(NCF)耦合结构处时多种高阶包层模式和纤芯模式发生干涉,其光强I表示为[9]:

(1)

式中,I为干涉信号的强度;Ico为纤芯模式光强;Icl为包层模式光强;φ0为初始相位;Δφ为纤芯模式和包层模式之间的相位差。由于不同模式之间的传播常数不同,在传播相同距离后,不同的模式会产生相位差,纤芯模式和包层模式产生的相位差为[12]:

(2)

式中,L为M-Z干涉结构的长度(从模场失配处到光耦合结构处的几何路径,如图1所示);λ为传输光的波长;Δneff为纤芯和包层有效折射率之差。当相位差满足(Δφ=(2m+1)π,m是正整数)时发生干涉,可得到M-Z干涉峰波长为:

图1 本文完成的双参量光纤传感器Fig.1 Proposed dual-parameter optical fiber sensor

(3)

当外界折射率和温度同时发生变化时,使得M-Z干涉峰发射漂移,干涉峰的相对漂移量可表示为[13]:

(4)

布拉格光纤光栅中心波长满足[14]:

λFBG=2neffΛ

(5)

其中,λFBG为FBG的中心波长；Λ为光栅周期；其中λFBG对温度变化灵敏,对折射率变化不灵敏,其波长随温度的变化可以表示为:

(6)

(7)

式中,Pe为光纤有效弹光系数,Pe=0.22；αs为封装材料的热膨胀系数,以纯铝为套管封装,αs=23.6×10-6/℃。计算出理论FBG的温度灵敏度约为39.06 pm/℃,是未封装增敏的FBG温度传感器的3.34倍。

FBG透射谱中心波长与M-Z干涉波谷对应折射率和温度的灵敏度系数不同,已知监测波长漂移量时,通过实验建立的灵敏度矩阵进行求解可知对应的温度和折射率[10],即为:

(8)

2.2 传感器的制作

该传感器的实验制备材料:普通单模光纤(SMF)、薄芯光纤(TCF)纤芯和包层直径2.5 μm/125 μm、空心光纤(NCF)、型号为FBG190916KZ的光纤光栅(FBG)、3m2144单组份环氧树脂和毛细铝管(内径126 μm,外径1000 μm)；熔接机为古河S178C光纤熔接机；光源为康冠ASE宽带光源；光谱分析仪使用的是横河AQ6370D型光谱分析仪等。

首先,将普通SMF和长为2 cm的TCF剥去涂覆层并将其端面切平,放入光纤熔接机,按照表1参数进行熔融拉锥得到锥区为490.63 μm,锥腰为53.125 μm如图1(b)所示的细锥结构,该细锥可将SMF纤芯基模激发成包层高阶模；然后,将TCF另一端与长约为2 cm的NCF普通熔接,使得TCF中更多的高阶模式耦合进入输出端,增加干涉模式改善干涉条纹可见度,前端M-Z传感单元制备完成；随后,将栅区为10 mm的普通光纤光栅进行封装:先将FBG涂覆层除去并用酒精清洁,再截取长度11 mm的毛细铝管,使用砂纸打磨端面,形成截面规整长度为10 mm的备用毛细铝管,最后将清洗完成的FBG封装入毛细铝管中,再利用197 μL预处理后的环氧树脂(利用活塞增减气压的方式减少环氧树脂内部气泡)注入毛细铝管中,连接并固定铝管与光纤光栅,制作成增敏FBG温度传感器,如图1(c)所示；最后,将FBG一段切平与制备完成的M-Z结构用熔接机普通熔接级联,使传输损耗低于0.02 dB,制备完成增敏型FBG级联M-Z结构的双参量光纤传感器。

表1 熔接拉锥参数汇总Tab.1 Summary of taper welding parameters

3 测量实验与结果

3.1 温度传感测试

温度传感器性能测试的实验装置如图2所示。实验中采用的光源为康冠ASE宽带光源,数据采集为横河AQ6370D型光谱分析仪,温度控制装置为WIGGENS公司生产的WH220-HT数字式加热磁力搅拌器。将传感器固定放置在纯水溶液中,进行温度传感实验。温度范围设定为15～85 ℃(由于实验时室温在25 ℃,用冰块使纯水温度降到15 ℃),每隔10 ℃记录透射谱。

图2 传感器的实验装置示意图Fig.2 Schematic diagram of the experimental device of the sensor

传感结构在15～85 ℃升温测试的光谱如图3所示,可见随着温度的增大,输出光谱FBG透射谱中心波长(DipFBG)与M-Z干涉1544.48 nm监测波谷(DipM-Z)都表现出明显的红移。将波长偏移与温度变化进行线性拟合,如图4所示,升温过程中的M-Z结构的温度灵敏度为11.58 pm/℃,线性相关系数0.91577；FBG的温度灵敏度为33.71 pm/℃,线性相关系数为0.96323,其灵敏度是未封装的2.88倍,与理论计算相差5.35 pm/℃。

图3 透射光谱与温度的关系图Fig.3 Relation between transmission spectra of the sensor and temperature

图4 输出光谱偏移量与温度的关系图Fig.4 Wavelength shift upon the temperature

3.2 折射率传感测试

进行传感器测量折射率性能实验时,通过配制不同浓度的氯化钠溶液(质量分数为 0 %,1 %,2 %,3 %,4 %,5 %)得到具有不同折射率的溶液。利用经验公式进行计算[16]n=1.3331+0.00185c,c为溶质质量分数占比,计算出不同浓度的溶液折射率分别为1.333 RIU,1.33495 RIU,1.3368 RIU,1.33865 RIU,1.3405 RIU,1.34235 RIU。实验过程中,将传感器浸没在折射率溶液中,待透射谱稳定后记录数据。为控制变量,氯化钠溶液体积和温度测试中水域加热的纯水体积一致；为避免残留溶液的影响,每次实验结束后都用去纯水将传感器冲清洗晾干。如图5所示,DipM-Z随着外部折射率的增加,向短波方向发生漂移；而DipFBG对波长无明显变化。将折射率与监测波谷的波长线性拟合如图6所示,DipM-Z折射率灵敏度为-493.51322nm/RIU,拟合系数为0.98761。

图5 透射光谱与折射率的关系图Fig.5 Relation between transmission spectra of the sensor and refractive index

图6 输出光谱偏移量与液体折射率的关系图Fig.6 Wavelength shift upon the refractive index

3.3 测试结果分析

由实验结果可以看出,DipM-Z对温度和折射率都灵敏,DipFBG对温度灵敏．可以利用敏感矩阵得出波长漂移量与温度、折射率之间的关系。将实验中得到的温度灵敏度系数和折射率灵敏度系数代入式(8)可以得到该系统温度和折射率传感的矩阵方程为:

(9)

封装后的FBG未达到理想灵敏度,其主要原因有环氧树脂存在杂质和封装工艺不完善使得应力传递不均匀,毛细铝管厚度不均和表面氧化分别导致啁啾失效和膨胀系数减小。通过灵敏度系数矩阵建立,该传感器能有效解决液体折射率检测中温度和折射率交叉敏感问题,提高测量精度。

4 结 论

本文基于M-Z干涉原理及FBG模场理论,提出并制作了一种增敏型FBG级联M-Z结构的温度、折射率双参量传感器,对不同温度和折射率下对应的光谱变化进行了测量。结果表明:在15～85 ℃范围内,所设计的光纤温度传感器的光谱随温度变化会发生偏移,且波长漂移量与温度变化呈现良好的线性关系,且DipM-Z温度灵敏度为11.58 pm/℃,线性相关系数0.91577；DipFBG温度灵敏度为33.71 pm/℃,是未封装的2.88倍,线性相关系数为0.96323。在1.333 RIU～1.34235 RIU折射率范围内,随着外部折射率的增加,DipM-Z向短波方向发生漂移,折射率灵敏度为-493.51322 nm/RIU,拟合系数为0.98761；而封装后的DipFBG对折射率变化不敏感,波长无明显变化。该传感器具有成本低廉、结构紧凑、制作简单等优点,能广泛应用于环境和生物检测、工业生产相关领域。