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。

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。

图 1

Fig. 1

图 1 传感器实验装置 Fig. 1 The experimental setup

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。

2个级联的光纤环:光纤环1直径为10 mm;光纤环2紧密绕着圆柱形海绵体6圈,直径为20 mm。实验中逐渐降低水温控制箱的温度,获得图 2所示的光斑图(图 2中的(a)至(h)分别表示从90℃每隔10 ℃依次降到20 ℃时两光斑角度变化的光斑效果图),改变水温控制箱的温度,两光斑绕整体中心点旋转的角度基本不变。另一组对比实验中,改变光纤环1的直径为16 mm,光纤环2紧密绕着圆柱体海绵6圈,直径仍为20 mm,PC中显示3个光斑。利用实验装置获得图 3所示的光斑图(图 3中的(a)至(h)分别表示从90 ℃每隔10 ℃依次降到20 ℃时三光斑角度变化的光斑效果图),改变水温控制箱的温度,三光斑绕整体中心点旋转的角度发生了一定的变化。此现象为下面的两光斑位移传感器具有温度稳定性的实验提供了依据。

图 2

Fig. 2

图 2 两光斑温度变化的光斑图 Fig. 2 Diagram of two faculae based on temperature change

图 3

Fig. 3

图 3 三光斑温度变化光斑图 Fig. 3 Diagram of three faculae based on temperature change

将摄像头CCD读取到的视频转化为图片,接着就用MATLAB进行处理。具体过程是先进行灰度化和压缩处理,再对光斑均匀化,接着计算出各光斑的中心点和整个光斑图的中心点,最后再计算光斑的旋转角^[8]。对图 2、图 3各光斑图进行灰度化、压缩和光斑均匀化处理,得到如图 4、图 5所示的光斑图。

图 4

Fig. 4

图 4 两光斑温度变化的二值化光斑图 Fig. 4 Binarization of two faculae based on temperature change

图 5

Fig. 5

图 5 三光斑温度变化的二值化光斑图 Fig. 5 Binarization of three faculae based on temperature change

通过MATLAB处理分别获得2个光斑的特征点质心,再通过变换坐标方式可以方便快捷地测出2个光斑质心相连线与水平位置的角度,从而获得温度变化与特定直径传感光纤环光斑旋转角度的关系,测得数据如表 1所示。三光斑角度的计算与两光斑不同,因为三光斑中心点组成的等边三角形的结构是稳定的,而且三角形中心点是相对固定不动的,通过MATLAB处理分别获得3个光斑的特征点质心,取其中两光斑连线的中心点坐标值,再计算该点和第3个光斑中心点的连线与水平位置的角度,从而获得三光斑旋转角度与传感光纤所处环境温度变化的关系,测得数据如表 2所示。

表 1Table 1)

表 1 两光斑旋转角度与温度变化的关系 Tab. 1 Relationship between two faculae rotation angle and temperature change 温度 T/℃ 角度 θ/(°) 温度 T/℃ 角度 θ/(°) 90 56.547 50 43.682 80 50.278 40 42.610 70 47.753 30 42.544 60 44.390 20 41.779

表 1 两光斑旋转角度与温度变化的关系 Tab. 1 Relationship between two faculae rotation angle and temperature change

表 2Table 2)

表 2 三光斑旋转角度与温度变化的关系 Tab. 2 Relationship between three faculae rotation angle and temperature change 温度 T/℃ 角度 θ/(°) 温度 T/℃ 角度 θ/(°) 90 14.299 50 46.040 80 22.989 40 54.942 70 30.238 30 65.756 60 37.702 20 74.289

表 2 三光斑旋转角度与温度变化的关系 Tab. 2 Relationship between three faculae rotation angle and temperature change

实验获得的数据经过MATLAB最小二乘法处理,得到图 6所示的两光斑旋转角度与温度变化的关系图,对应于表 1中的数据;图 7所示的是三光斑旋转角度与温度变化的关系图,对应于表 2中的数据。

图 6

Fig. 6

图 6 两光斑旋转角度与温度变化的关系图 Fig. 6 The context map of two faculae rotation angle and temperature change

图 7

Fig. 7

图 7 三光斑旋转角度与温度变化的关系图 Fig. 7 The context map of three faculae rotation angle and temperature change

通过图 6与图 7的比较得出,改变传感光纤所处环境的温度,三光斑的旋转角度随着温度的变化而改变,且存在很好的线性关系:θ=0.852 6T,线性度为-3.613 2。然而在一定的误差范围内,改变传感光纤所处环境的温度,两光斑旋转角度基本保持不变,即外界温度参量并不影响两光斑弯曲线性实验的灵敏度,从而证实了基于两光斑旋转的光纤传感器具有温度稳定性。

本文提出了测量温度变化的光纤传感系统,通过实验获得了两光斑旋转角度与传感光纤所处环境变化的关系,得出了基于两光斑旋转角度的光纤传感器具有温度稳定性的结论。此外根据耦合模理论,也可以从理论上分析出两光斑与三光斑低阶模的受温旋转性。此传感系统结构简单、使用方便,还具有很好的重复性。由于光斑旋转方向的特定性,此系统可以用来做温度的测量,此外还可以拓展至频率、重量等多种变量的测量。