引言

光纤测温是20世纪70年代发展起来的一项新兴测温技术, 光纤温度传感器是一种新的测温器件。光纤温度传感器主要可以分为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、基于弯曲损耗的光纤温度传感器^[1-2]。它们虽然相比于传统的温度传感器具有灵敏度高、重量轻、体积小、多用途、对被测介质影响小、抗电磁干扰、耐腐蚀、易于组网等优点, 但是这些温度传感器结构都比较复杂, 成本比较高。

当光在单模光纤中传输时, 光会根据光纤的几何形状与折射率分布以一定的模式进行能量传播^[3], 在光纤末端能够得到一定形状的光斑图形。当外加的信号改变光纤几何形状或者折射率分布时, 例如弯曲光纤或者扭转光纤, 原来的光能量分布状态被打破, 光又会根据新的条件重新进行能量分布, 光纤末端的光斑图形也会随着改变。根据这一特性, 人们可以通过探测光纤末端的光斑图形变化来测量外加的信号。这种基于光纤光斑图形的传感器可以做成测量位移、压力、温度等传感器^[4], 相比于其他传感器此传感器的优点是结构简单, 成本低, 对光源要求低, 测量范围大。本文研究的是一种基于光斑旋转角度调制的光纤温度传感器。

1 实验原理及系统结构

单模光纤在不受外力影响的情况下, 光在光纤中的传输模式由两个偏振方向互相垂直的x向模与y向模组成。但是当光纤发生弯曲时, 光在弯曲部分要保持同相位的电场和磁场在一个平面里, 则越靠近外侧其传输速度就越大, 当传到某一位置时, 其相速度就会超过光速, 这意味着传导模要变成辐射模, 这样, 弯曲光纤中所承载的模式比直光纤中少, 弯曲光纤的曲率半径决定了光纤承载的有效传导模式数量, 且曲率半径越小损耗越大, 其在光纤中传输的模式就越少^[5]。因此单模光纤在正常情况下只有基模传输, 在本实验中将一段光纤绕成一个光纤环, 由于弯曲损耗改变了激光在光纤中传输模式的数量, 通过改变光纤圈直径大小, 可以获得实验所需要的低阶模式, 如LP₀₁模、LP₁₁模和LP₂₁模等。

在获得稳定的光斑模式图像后, 通过控制温控箱从而改变螺旋型传感光纤所在的环境温度。温度对光纤参数的影响主要有3个, 即光纤孔径、光纤长度和折射率, 其中温度对光纤孔径的影响可以忽略不计。单模光纤不受外界环境影响时, 折射率分布具有圆对称分布的特点, 当光纤弯曲时会引起单模光纤双折射率的提高, 而弯曲引起的双折射率对外界温度变化比较敏感^[6], 所以随着温度的变化, 导致螺旋型光纤折射率分布的各向异性, 将产生双折射效应^[7], 使得x方向偏振和y方向偏振的模式具有不同的传输常数, 模式之间发生了能量的转换, 使得激光在光纤中传输光模式发生了变化, 导致出射光斑的分布发生变化, 从而引起出射光斑图像的旋转。当光纤绕成一个恒定半径螺旋型线圈同时光纤的弯曲半径减小到某一临界值时, 光纤的双折射效应就会更明显。温度的变化同时也会使得弯曲损耗发生变化^[8], 进而使得光斑的强度发生变化, 弯曲损耗系数关于温度变化的函数为

(1)

式中:U(ΔT)为归一化横向相位参数; W(ΔT)为归一化横向衰减参数; ΔT为温度的变化量; β为光波传播常数; α为芯区半高度; v为归一化频率; R(ΔT)为光纤的弯曲半径。

随着温度的变化, 使得螺旋型光纤的折射率分布发生变化, 光纤中全反射的条件因此受到破坏, 进而产生双折射效应。由于双折射效应使得光纤各个传输光模式的传输常数发生变化, 导致传输光模式分布的改变, 同时弯曲损耗发生变化, 导致输出光模式的能量发生转移, 最终使得出射光斑图像发生变化。通过检测光斑图像的变化, 可以达到对温度测量的目的。

实验装置如图 1所示, 氦氖激光器发出的光经过聚焦透镜后耦合进入单模光纤(SMF-28(TM)), 激光经过光纤环(光纤环的作用是空间滤波, 选择需要的光模式), 再经过螺旋型调制器(螺距固定为3 mm, 调制器直径可调节), 如图 2所示, 传感光纤绕制在螺旋型调制器(金属丝作用是固定传感光纤)上, 将螺旋型调制器放置在温控箱中, 通过温控箱控制传感光纤的环境温度, 经过传感光纤的光, 通过CCD采集不同温度下的光斑图像, 并将图像传输至计算机端。通过MATLAB软件读取光斑亮度的分布值, 对光斑的旋转角度进行精确的计算, 最后经过MATLAB最小二乘法处理获得光斑角度与温度的拟合曲线。

2 实验现象

按照图 1所示, 将螺旋型调制器的直径设置为20 mm, 传感光纤在螺旋型调制器上绕制5圈, 连接好光纤温度传感器的实验装置, 开启激光器, 调整入射光纤的角度, 使经过聚焦透镜的光更好地耦合进光纤, 经过反复调试可以在计算机上观察到比较清晰的光斑图像。然后不断地减小光纤环的直径, 可以看到光斑的数量在不断减少, 同时由于弯曲损耗的变大, 使得出射光斑的强度也在逐渐变弱, 随后对不同数量的光斑分别进行温度的敏感性实验。

2.1 四光斑随温度的变化

调节光纤环的大小, 当光纤环的直径为40 mm时, 可以通过CCD观察到比较清晰的4个光斑, 逐渐升高水温控制箱的温度, 发现光斑的位置并没有发生明显的变化, 只是各个光斑强度有点微弱的变化, 因此可以看出四光斑对温度的变化不敏感, 图 3给出了不同温度对应的四光斑的出射角度。

2.2 三光斑随温度的变化

当光纤环直径为25 mm时, 通过CCD发现光斑数变为3个, 此时保持其他实验条件不变, 不断升高水温控制箱的温度, 发现3个光斑绕着中心点发生了同方向的旋转, 可以看出三光斑对温度比较敏感。图 4给出了不同的温度所对应的三光斑的出射角度, 可以明显看出随着温度变化, 光斑在绕着顺时针方向发生旋转。

2.3 二光斑随温度的变化

当光纤环的直径为15 mm时, 通过CCD发现光斑数变为了2个, 不断升高水温控制箱的温度, 得到如图 5所示的不同温度对应的光斑角度。可以看出2个光斑的位置并没有发生明显的变化, 只是光斑强度发生了比较微弱的变化。从中可以看出二光斑对温度不敏感。

通过观察不同的出射光斑对温度的反应可知, 出射的4个光斑和2个光斑对温度没有明显的变化, 当出射光斑为3个时, 改变水温控制箱的温度, 3个光斑会绕着中心按顺时针方向不断旋转, 通过MATLAB处理分别获得3个光斑点的质心, 再通过坐标运算可以求出光斑的角度, 得到不同温度对应的光斑角度, 从而实现了对温度的间接测量。

3 实验结果分析 3.1 线性度

光纤环的直径为15 mm, 光纤在螺旋型调制器(直径为20 mm)上绕制5圈时, 改变水温控制箱的温度, 温度变化范围为30~70 ℃, 用CCD采集不同温度下三光斑的旋转图像, 用MATLAB对图像进行灰度处理、二值化处理得到二值图像, 从而可以求得不同温度对应的光斑角度, 并对光斑角度进行归零处理。获得的实验数据经过MATLAB最小二乘法处理可以得到如图 6所示的关系, 由图看出三光斑的旋转角度和温度的变化有很好的线性关系, 因此这种结构的温度传感器线性度比较好。

图 7所示, 光纤环直径为15 mm, 螺旋型调制器的直径为20 mm, 传感光纤在螺旋型调制器上绕制的圈数分别为4圈、5圈、6圈, 得到3条出射光斑的旋转角度与温度变化的线性曲线。图 8所示, 光纤环直径为15 mm, 传感光纤在螺旋型调制器上绕制的圈数都是5圈, 螺旋型调制器的直径分别为15 mm、20 mm、25 mm, 分别得到3条出射光斑的旋转角度与温度变化的线性曲线。

3.2 灵敏度

该系统灵敏度的含义是温度每升高或降低1 ℃, 对应的光斑旋转了多少角度, 即拟合曲线的斜率, 斜率越大, 对应的系统灵敏度越高, 斜率越小, 对应的灵敏度越低。图 7所示, 传感光纤绕制的直径不变, 改变绕制的圈数时, 传感光纤绕制圈数越多, 系统的灵敏度越高, 绕制的圈数越小, 灵敏度越低。图 8所示, 传感光纤绕制的圈数不变, 改变绕制的直径时, 传感光纤绕制的直径越大, 系统的灵敏度越高, 传感光纤绕制的直径越小, 系统的灵敏度越低。

3.3 螺旋型结构和圆环型结构对比

将2根长度相等的传感光纤分别绕制成螺旋型结构和圆环型结构, 绕制的圈数分别为3.5圈和4圈。绕制的直径都为15 mm, 其他实验条件保持一致, 不断改变温度, 分别观察这两种情况下的三光斑图像变化情况, 同前面实验处理方法一致, 根据实验值分别拟合出2条光斑角度与温度的关系曲线, 如图 9所示, 螺旋型结构的灵敏度为1.688 2 (°)/℃, 圆环型结构的灵敏度为1.150 0 (°)/℃, 因此在传感光纤长度一定的情况下, 螺旋型结构比圆环型结构灵敏度更高。

以上实验结果能够很好地说明螺旋型结构比圆环型结构的灵敏度更高, 同时随着绕制在螺旋型调制器上传感光纤圈数的增加, 系统的灵敏度也随着变大, 在绕制圈数相同的情况下, 随着螺旋型调制器的直径变大, 系统的灵敏度也随着变大。因此为了使系统的灵敏度比较高, 我们要合理地设置螺旋型调制器的直径, 同时传感光纤的绕制圈数要选择得比较合适, 那样才能得到比较理想的实验效果。

4 结论

本文提出了一种新型的光纤温度传感器, 通过对系统的线性度和灵敏度的实验, 可以得知该系统具有很好的线性度, 随着温度的逐渐变化, 三光斑绕着中心在不断顺时针旋转。通过改变绕制在螺旋型调制器上光纤的圈数和螺旋型调制器的直径, 可以改变系统的灵敏度。这种结构的温度传感器相比于其他传统温度传感器不仅结构简单, 使用成本也比较低, 而且具有很好的重复性, 因此这种光纤温度传感器会在很多测温场合得到应用。