基于细芯光纤和球形结构的干涉型光纤传感器

光纤通信技术经过长时间发展，其技术逐渐成熟，光纤传感器相对于传统传感器具有成本低，灵敏度高，抗干扰能力强，复用性强等优点[1-5]，被广泛应用于航空航天，土木工程，交通运输，生物医学，石油天然气等领域[6-10].近几年来，光纤传感器研究和应用获得了巨大的发展.其中，干涉式光纤传感器发展最为迅猛，一般采用结构改造的方法形成干涉，现在已报道的结构有错芯熔接[11]、花生锥结构[12]、球形结构[13]、拉锥结构[14]等，更多新结构的传感器不断涌现.2015 年，LI Chao 等人设计并制作了基于无芯光纤结合光纤布拉格光栅的磁场及温度传感器[15]，在实现了对温度和磁场的传感的同时，还实现了动态温度补偿.2016 年，Sun Ming-Ming 等人制作了基于横向偏移和花生形结构的全光纤马赫-曾德干涉仪，实现了液位或曲率测量，灵敏度较高[16].2017 年，Farrell 等人制作了基于葫芦形单模-多模-单模混合光纤结构的应变传感器，实现了对应变的测量[17]，还研究了温度和湿度对测量结果的影响.

本文设计并制作了一种基于细芯光纤和球形结构的干涉式光纤传感器.光从单模光纤进入细芯光纤TCF（Thin-Core Fiber）时被分成两部分，分别进入TCF 的纤芯和包层，激发纤芯模式和包层模式.两种模式的光到达球形结构时，包层模式被耦合回单模光纤的纤芯，与纤芯模式发生干涉.干涉谱对外界温度和压力敏感，通过对干涉波谷的测量实现了对温度和压力的传感.由于两个干涉谷的温度和压力灵敏度分别不同，该结构还可实现温度和压力的双参量的同时测量.

1 传感器结构及传感原理

本文制作的传感器是基于马赫-曾德尔（M-Z）干涉理论的光纤传感器，其结构如图1 所示.将一根单模光纤和一根细芯光纤（长度为2.0 cm）熔接，在另一根单模光纤上制作球形结构，再与上述细芯光纤的另一端熔接，制成传感单元.宽带光源的光从单模光纤进入TCF 时，由于模场直径不匹配，光一部分进入TCF 的纤芯中，激发纤芯模式，另一部分进入TCF 的包层中，激发包层模式.两种模式的光分别在纤芯和包层中传输，当到达球形结构时，包层模式中的光被耦合回纤芯，与纤芯模式中的光发生干涉，形成干涉谱，并在光谱仪上显示出来.当外界物理量（如温度、压力等）变化时，在光谱仪上可以观测到干涉波谷的漂移，通过对其漂移量的测量就可以实现对外界物理量的传感.

图1 传感器的结构
Fig.1 The structure of the sencsor

在干涉型光纤传感结构中，满足干涉条件的光的传播规律是[18]

其中，I1 和I2 分别对应于细芯光纤的纤芯和包层中工作光的强度，为纤芯模式和包层模式之间的相位差.由干涉理论可知[18]

其中，Δn 为TCF 中纤芯和包层之间的有效折射率之差；L 是传感器的有效干涉长度；λ 为工作波长.纤芯中传输的光和包层中传输的光经过球状结构时进行耦合，由于纤芯和包层之间存有一定的光程差，由公式（1）可知满足干涉条件φ=（2m+1）π（其中m 是正整数）时，光强最小，形成干涉波谷.联合公式（2）得干涉波谷的波长为

根据公式（3）可以看出导致自由光谱变化的因素是工作波长，纤芯和包层的折射率之差和传感器的有效干涉长度.当外界温度变化时，由热光效应，Δn 发生改变，又由于热膨胀效应，L 也会发生改变，因而干涉谷会随着温度而发生漂移；当外界压力发生变化时，通过机械传导装置转化为光纤轴向应变的变化，由于弹光效应，Δn 发生变化，由于应变直接导致了L 发生变化，因此干涉谷会随着压力的变化而发生漂移.因此，测量干涉波谷的漂移量就可以实现对温度或压力的传感.

2 实验结果及分析

2.1 传感单元制作

实验中采用熔接机为古河FLTEL-S177.实验中采用的光谱仪（OSA）为横河的YOKOGAWAAQ6370，精度为0.01 nm.细芯光纤为长河公司生产，包层直径为125，在1 550 nm 波长处的模场的直径为4.5，纤芯和包层对应的折射率分别为1.445 7 和1.437 8.单模光纤的纤芯直径为9 μm，将熔接机放电强度和放电时间分别调整为200 bit 和1 300 ms，在一根单模光纤上制作球形结构，如图2 所示.将另一根单模光纤与细芯光纤熔接，再将细芯光纤的另一端与球形结构熔接，制成传感单元.

图2 球形结构
Fig.2 Spherical structure

2.2 温度特性实验

温度传感实验装置如图3 所示，传感结构自由固定于一块洁净的玻璃板上，两侧分别接在宽带光源（BBS）和光谱仪（OSA）上，然后将玻璃板固定于水浴加热槽的正中央，将温度计垂直放置于传感结构旁，以准确的测量温度.

图3 温度传感实验装置
Fig.3 The structure for temperature sensing

实验开始前，设置水浴加热箱的初始温度为30℃，逐渐升高温度，每5 ℃记录一个数据，直至90 ℃.图4 中给出了30 ℃和90 ℃的干涉谱图，两个波谷Dip1和Dip2 的漂移量分3.43 nm 和3.20 nm.经数据拟合可得Dip1 和Dip2 的温度灵敏度分别为0.054 nm/℃和0.056 nm/℃，线性度分别达到0.997 0、0.997 0，如图5 所示.

图4 干涉谷随温度发生漂移干涉谱图
Fig.4 Interference spectra of interference valleys drift with temperature

图5 温度灵敏度响应曲线
Fig.5 Response curve of temperature sensitivity

2.3 压力特性实验

压力传感实验装置如图6 所示，将传感结构的两侧分别接在BBS 和OSA 上，然后将传感结构粘贴在悬臂梁的中央，悬臂梁的一端固定在桌面上，另一端悬空，在自由端悬挂砝码施加压力，悬臂梁发生形变，使传感结构被拉伸，从而干涉谷发生漂移.

图6 压力传感实验装置
Fig.6 The structure of pressure sensing

从0 g 开始增加砝码，每增加100 g 砝码记录一次数据，直至1 000 g 为止.当砝码分别为0 g（0N）和1 000 g（9.8 N）时，对应的光谱图如图7 所示.可见，当压力由0 N 增大到9.8 N 时，Dip1 和Dip2 分别向短波方向漂移了3.87 nm，3.03 nm，由数据分析可知压力灵敏度分别为0.041 8 nm/N，0.030 6/N，线性度分别为0.980 5，0.954 6.如图8 所示.

图7 干涉谷随压力发生漂移干涉谱图
Fig.7 Interference spectra of interference valleys drift with pressure

图8 压力灵敏度响应曲线
Fig.8 Response curve of pressure sensitivity

2.4 实验结果分析

实验结果显示Dip1 和Dip2 对于温度和压力都敏感，当温度和压力同时发生变化时，Dip1 和Dip2的波长与温度和压力的关系如（4）式所示.

其中，ΔT 为温度变化量，ΔF 为压力变化量，KTi 为温度敏感系数，KFi 为压力敏感系数，i=1，2 分别对应Dip1 和Dip2.由（4）式得敏感矩阵方程

由（5）式转置得

其中，D=KT 1KF 2-KT 2KF 1.由此可得，通过实验测得Dip1 和Dip2 对温度和压力的灵敏度，使KT 1、KT 2、KF 2、KF 1 成为已知量后，带入Dip1 和Dip2 的波长漂移量，可以求出温度和压力的变化量.根据实验数据，使KT1、KT2、KF2、KF1 分别0.056 1 nm/℃，0.054 2 nm/℃，0.030 6 nm/N，0.041 8 nm/N.带入（6）式中得

从而，通过代入两个干涉谷的漂移量，利用（7）式，可实现温度和压力的同时测量.

3 结 论

本文设计并制作了一种基于马赫-曾德干涉原理的全光纤传感器.实验中用单模光纤制作球形结构，并和细芯光纤熔接，利用单模光纤和细芯光纤的模场失配以及球形结构的耦合作用实现了模间干涉，干涉谱随外界温度和压力的变化而发生漂移，从而实现传感.实验结果表明，Dip 利用传感器得到的光谱中波谷处的位置及其对应的漂移量来实现对外界温度和压力的测量，实验表明Dip1 和Dip2 的温度灵敏度分S 别为0.056 1 nm/℃和0.054 2 nm/℃，线性度分别为0.997 0，0.997 0；压力灵敏度分别为0.041 8 nm/N，0.030 6 nm/N，线性度分别为0.980 5，0.954 6.该结构能实现温度和压力的双参量测量.