传统温度传感器因易受电磁干扰影响,体积大,使用寿命短和灵活性差等原因,已逐渐被光纤温度传感器替代。当光在光纤中传输时,由于环境温度变化,光的强度、相位等参量也会发生相应变化,这就形成了光纤温度传感。一般光纤温度传感器可分为:分布式光纤温度传感器^[1]、光纤光栅温度传感器^[2]、光纤荧光温度传感器^[3]和干涉型光纤温度传感器^[4]。它们利用对光谱或光强的检测,虽然达到了一定的灵敏度与分辨率,但其温度传感结构都较复杂。

本文介绍了一种基于光斑旋转角度调制的新型光纤传感系统。光纤环所在环境的温度变化导致光斑旋转,改变出射端光斑的角度。所以通过一个简单的CCD获得光斑图像的角度,可以达到间接测量的目的。与其他光纤温度传感器相比,不仅传感结构简单,而且测量灵敏度可调。

图 1

Fig. 1

图 1 弯曲波导辐射示意图 Fig. 1 Radiant diagram of the curved waveguide

光纤的宏弯损耗主要来源于光纤弯曲产生的空间滤波、模式泄漏及模式耦合,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^[5]。受到光纤弯曲的影响,光纤中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(如图 1所示)和过度损耗 

根据式(1)、式(2)经大量计算证明由曲率半径的改变而引起的过度损耗远远小于辐射损耗^[6]。根据式(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。

传感器实验装置如图 2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(SMF-28(TM))中去,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的光纤环,置于水温控制箱中,作为传感光纤环),CCD接收光纤输出端的激光光斑,最终将光斑图像传至PC机。

图 2

Fig. 2

图 2 光纤温度传感器实验装置Fig. 2 The experimental setup of the optical fiber temperature sensor

DH-HN250P激光器(He-Na激光器,工作波长632.8 nm)的激光耦合进SMF-28(TM)单模传感光纤。SMF-28(TM)为单模光纤,但由于DH-HN250P激光器为短波长,单模光纤将工作于多模激励状态。通过减小光纤环1的半径,光纤环1的曲率变大,使得空间滤波效应变强,导致出射光斑数量的减少。 2 实验现象

如前所述,采用两个级联的光纤环:光纤环1直径为25 mm;光纤环2紧密绕制5圈,直径为24 mm。经试验观察,通过逐渐减小光纤环1的直径,由于辐射损耗变大,使出射光斑数量减少到3。此时如果逐渐增加水温控制箱的温度,会出现出射光斑数仍然为3。同时,通过CCD观察到三个光斑绕整体中心点按特定方向旋转的现象。单模光纤环具有较强的双折射效应,当温度变化时,将导致光纤环双折射的变化,进而使传输模能量空间分布变化,表现为光斑的旋转,具体机理还有待深入研究。此现象为下面的光斑旋转温度关系的实验提供了依据。 2.1 光斑数变化

两个级联的光纤环:光纤环1直径为25 mm;光纤环2紧密绕制5圈,直径为24 mm。通过减小光纤环1的直径,获得图 3所示光斑数变化的光斑图。初始光斑4个,减小光纤环1的直径到18 mm后,光斑减少为3个。继续减小光纤环1的直径,通过CCD发现在一定的范围内,光斑数仍然为3。

图 3

Fig. 3

图 3 不同直径光纤环1对应的光斑图 Fig. 3 Diagram of different diameters of the coil1

两个级联的光纤环:光纤环1直径为18 mm;光纤环2紧密绕制6圈,直径为20 mm。逐渐增加水温控制箱的温度获得图 4所示光斑旋转的光斑图。图中表现了三光斑绕中心点按特定的方向发生的旋转。通过MATLAB处理分别获得三个光斑的特征点质心,再通过坐标处理可以方便快捷地测出光斑的角度,从而获得光斑旋转角度与传感光纤环所处环境温度的关系。图 4中给出了不同温度时各个出射光斑对应的角度。

图 4

Fig. 4

图 4 对应不同温度的出射光斑旋转图(温度·角度) Fig. 4 Rotating diagram of different temperature(Temperature· Angle)

逐渐增加水温控制箱的温度,当光纤环1直径为18 mm;光纤环2为紧密绕制3圈,直径为20 mm,获得三光斑旋转角度随传感光纤环所处环境温度的变化关系如图 5所示(光斑角度经过归零处理)。实验获得的数据经过MATLAB最小二乘法处理获得图 5所示的直线:θ=1.149 7T,线性度-0.045 5。综上分析可知三光斑旋转角度跟传感光纤环所处的环境温度有很好的线性关系。

图 5

Fig. 5

图 5 出射光斑角度与水温控制箱温度的关系 Fig. 5 The relationship between spots angle and temperature

图 6(a)所示为光纤环2直径均为20 mm,紧密绕制的光圈数分别为3、4、5、6,光纤环1直径均为18 mm的4条光斑旋转角度和水温控制箱温度的线性关系曲线。图 6(b)所示为光纤环2紧密绕制的光圈数都为5,直径分别为16 mm、20 mm、24 mm,光纤环1直径均为18 mm的3条光斑旋转角度和水温控制箱温度的线性关系曲线。

图 6

Fig. 6

图 6 光斑角度和水温控制箱温度的关系曲线 Fig. 6 The relationship between spot angles and temperature

图 6(a)中的数据经过MATLAB处理获得表 1中的传感光纤参数(灵敏度、线性度),图 6(b)中的数据经过MATLAB处理获得表 2中的传感光纤参数(灵敏度、线性度)。

表 1(Table 1)

表 1 传感光纤参数 Tab. 1 The parameters of sensing optical fiber 传感光纤环圈数 3圈 4圈 5圈 6圈 灵敏度/((°)·℃-1) 1.149 7 1.413 2 1.734 1 2.086 5 线性度 -0.045 5 0.065 2 0.051 0 -0.081 5

表 1 传感光纤参数 Tab. 1 The parameters of sensing optical fiber

表 2(Table 2)

表 2 传感光纤参数 Tab. 2 The parameters of sensing optical fiber 传感光纤环直径 直径16 mm 直径20 mm 直径24 mm 灵敏度/((°)·℃-1) 1.210 9 1.734 1 2.146 5 线性度 -0.017 8 0.050 1 0.039 9

表 2 传感光纤参数 Tab. 2 The parameters of sensing optical fiber

通过表 1、表 2中的具体参数可知图 6(a)、图 6(b)的关系曲线都有很好的线性度。表 1中看出6圈传感光纤环对应的灵敏度最大,5圈传感光纤环对应的灵敏度次之,其次是圈数为4的传感光纤环对应的灵敏度,对应灵敏度最小的是圈数为3的传感光纤环。说明传感光纤环的圈数直接影响系统测量的灵敏度。表 2中看出直径24 mm传感光纤环对应的灵敏度最大,直径20 mm传感光纤环对应的灵敏度次之,对应灵敏度最小的是直径为16 mm的传感光纤环。说明在传感光纤环的圈数一定的情况下,传感光纤环的直径越大,测量的灵敏度越高。

实验数据很好地说明了传感器的灵敏度随传感光纤环圈数的增加逐渐变大,传感器的灵敏度也随传感光纤环直径的增加逐渐变大。为此在设计传感光纤环时,为获得比较好的测量效果,需要对传感光纤环选择合适的圈数、合适的直径。 4 结 论

本文提出了一种新的光纤温度传感器,分别研究了传感光纤环的圈数、传感光纤环的直径对系统的线性度、灵敏度的影响,得知系统具有比较好的线性度的同时系统灵敏度随传感光纤环参数的变化具有一定的规律。为减小系统体积、质量,增加系统使用的便利性,光源可以更换为半导体激光器。此传感系统结构简单,使用方便,适合温度测量精度要求不高的场合使用。