全光纤微型珐-珀干涉式高温传感器

0 引 言

温度是测量科学和过程控制技术等领域的重要物理量，在石油开发、材料成型等工业生产中有重要的用途[1-2]。高而广的温度测量范围、高温度分辨率，以及高可靠性是温度传感器追求的目标，近年来，对温度的测量开始逐渐向准分布式和对微小区域进行测量等方向发展[3-4]。光纤传感器因其精度高、抗电磁干扰能力强而受到人们的青睐[1]。普通的布拉格光纤光栅(FBG)因其本身不耐高温，测量的最高温度350℃，更高温的测量则需要采用辅助材料、运用热传导的方式来实现，这样降低了传感器的集成度[2]。CO2激光写入的长周期光纤光栅(LPFG)在高温下其谱线依然良好[5]，但LPFG由于弯曲会对温度的测量产生交叉影响，从而降低了测量的可靠性[5]。传统的非本征珐-珀(F-P)干涉传感器由于使用光学胶粘工艺制作，其测量温度一般低于500℃。近来报道的采用电弧熔接技术制作的在线型F-P干涉传感器，虽为全光纤结构，但其测量温度一般低于800℃[6]，且温度灵敏度主要取决于SiO2较小的热膨胀系数，灵敏度较小。

文中介绍了一种新型光纤集成式F-P干涉式微温度传感器，该传感器通过在单模光纤SMF28e(康宁公司)后有轴心偏移地熔接一段特种光子晶体光纤MM-HNA-5而成。因为珐-珀腔材料的热光系数比热膨胀系数大两个数量级，因此，这种传感器具有较高的温度灵敏度，且测量温度可达1 200℃的高温，具有结构稳定、抗外界振动、电磁干扰能力强、集成度高和体积小等优点，可以预见：这种温度传感器在国防及民用工业中将具有极大的潜在应用价值。

1 传感器结构及原理

微型光纤F-P干涉式温度传感器的结构如图1(a)所示，用光纤熔接机在单模光纤SMF28e后熔接一段 MM-HNA-5光子晶体光纤 (Crystal fiber,Inc.)，用光纤切割刀切割此光纤，保持切割面平整。MM-HNA-5光子晶体光纤的截面如图1(b)所示，中间为直径约为5.1 μm的实芯，实芯外围有6个直径约为10.5 μm的扇形孔。微型光纤F-P干涉仪的原理如图2所示，SMF28e的纤芯直径为8.2 μm，模场直径约为10.4 μm，大于MM-HNA-5中间的纤芯，SMF28e纤芯的部分区域将处于MM-HNA-5光纤的扇形孔中，与其内的空气相接触，由于空气与SMF28e纤芯材料（纯SiO2）的折射率不同，所以此交界面形成F-P干涉仪的第一个面，部分的入射光将被此面反射回SMF28e；另一部分入射光 （由于SMF28e的纤芯和 MM-HNA-5都是纯SiO2材料，两者熔接面的反射率很小，可以近似认为没有形成反射面）会耦合进入MM-HNA-5中心实芯部分继续向前传播，在MM-HNA-5中心实芯部分的尾端发生反射（尾端与外界空气相接触处存在折射率差，形成的F-P干涉仪的第二个面），由这两束反射光形成干涉。

图1 微型光纤 F-P干涉仪结构及MM-HNA-5光子晶体光纤截面图
Fig.1 Configuration of miniature fiber F-P and cross section of MM-HNA-5 PCF

图2 微型光纤F-P干涉仪的原理图
Fig.2 Principle of the miniature fiber F-P

MM-HNA-5光子晶体光纤是一种多模光纤，运用商业化软件OptiBPM得其基模场直径w1约为4 μm，由此可得由SMF28e耦合进入MM-HNA-5中心实芯部分的光强为：

式中：，为 光 由 SMF28e 进入MM-HNA-5中实纤芯部分的耦合效率，δ为两光纤中心轴偏移距离；I0为SMF28e的初始入射光强。由第二反射面反射回去的光强为：

式中：β为光在MM-HNA-5中实纤芯部分传播的传播耗损；R为端面的反射率。由第一个面反射回去的光强为：

由于I1，I2存在2nL的光程差，这两束光将发生干涉，其干涉谱的强度为：

对比度K为：

由公式(5)可知：当 I1=I2，即 η=1/(1+β2)时，全光纤微型F-P将获得最大对比度。不同的η可以在熔接光纤时通过调整两光纤中心轴偏移δ来获得。由于MMHNA-5光纤在1 550 nm波长附近的传输损耗仅为0.008 dB/m，因此，这种结构的F-P干涉仪的腔长可以较长，有利于大容量、准分布传感[8]，图3是不同长度MM-HNA-5光纤F-P干涉仪的干涉谱线。

图3 微型F-P干涉仪干涉谱线
Fig.3 Interference spectrums of miniature fiber F-P

当温度改变时，公式(5)中的相位项，即全光纤微型F-P的光程差将会发生改变，干涉谱线也会随之改变，通过光谱仪探测干涉谱线的变化便可得到温度的改变量。温度变化引起全光纤微型F-P腔的光程差变化，主要是由于MM-HNA-5光纤材料(纯 SiO2)的热光效应引起的折射率n和热膨胀效应引起的长度L的变化，其中纯 SiO2热光系数约为 ξ=1.45×10-5/℃，热膨胀系数 α=5.5×10-7/℃[8]，由于 ξ远大于 α，因此，引起微型光纤F-P干涉仪的光程差改变量主要由SiO2的热光效应所引起。在100～1 200℃的温度范围内，温度引起微型光纤F-P干涉仪的光程差改变量为：

式中：n0=1.444，为 25 ℃下纯 SiO2的折射率；L0为 25 ℃下 MM-HNA-5 光纤的长度；2L0(n0α+ξ)为全光纤微型F-P测量温度的灵敏度系数；ΔT为相对于25℃的温度变化量。

2 实验及讨论

测量温度的实验装置如图4所示，从光谱分析仪SI720(工作波长为 1 520～1 570 nm，波长分辨率为2.5 pm)发出的光通过1×2耦合器进入置于温度实验设备内的光纤F-P干涉式温度传感器，反射回来的干涉光通过1×2耦合器进入光谱分析仪，用电脑采集处理干涉谱数据。实验设备为图4中Lenton LTF1200管式高温炉（产生最高温度为1 200℃），光纤F-P温度传感器悬挂在贯穿于管式高温炉的钢丝上，钢丝的两端固定在三维微动台上。分别对腔长为0.557 mm，3.46 mm的两支珐-珀高温传感器进行实验，每次改变的温度为50℃，在100～1 200℃之间做重复往返实验。

图4 温度实验系统图
Fig.4 Schematic of temperature experiment system

利用离散腔长变换(DGT)算法[9]对珐-珀干涉谱进行信号解调，可得到两个F-P温度传感器多次往返实验中光程差随温度的变化关系，如图5、图6所示。可见，这种基于纯SiO2热光效应的微型光纤F-P干涉式温度传感器在100～1 200℃具有良好的重复性、线性度和回滞小，且与理论一致。其中使用L=3.46 mm长的珐-珀高温传感器测量温度的光程差灵敏度约为103 nm/℃，线性度约为0.995 7。珐-珀腔的腔长越长，其测量温度的灵敏度越高，这也是与公式（6）中的温度灵敏度系数是一致的。另外，由于纯SiO2的软化点约为1 600℃[10]，而掺杂SiO2的软化点远低于纯SiO2的软化点(低于900℃)，基于MM-HNA-5光纤的F-P温度传感器在温度高于掺杂SiO2的软化点而低于纯SiO2的软化点的温度时，虽然MM-HNA-5包层与SMF28e包层的熔接处软化，但没有气压的作用，且MM-HNA-5纤芯与 SMF28e纤芯的熔接处未发生软化，成为稳固的支撑物，所以F-P的两个纯SiO2反射面依然完好，传感器依然有效。

图5 L=0.575 mm的F-P传感器光程差与温度的关系，以及高温实验值与理论值的对比
Fig.5 Relationship between the optical path difference and the temperature， comparison between measured and theore-tical values at L=0.575 mm

图6 L=2.978 mm的F-P传感器光程差与温度的关系，以及高温实验值与理论值的对比
Fig.6 Relationship between the optical path difference and the temperature,comparison between measured and theoret-ical values at L=2.978 mm

3 结 论

介绍了一种全光纤F-P干涉仪，并将其应用于温度测量。由于传感器测量温度材料的热光系数比热膨胀系数高两个数量级，因此，该温度传感器具有很高的温度灵敏度。分析了这种F-P干涉仪的形成机理及光学原理。并在100～1 200℃的温度范围内对这种传感器进行了实验研究，实验表明：这种传感器可以用于1 200℃的高温测量，且得到当干涉腔长为3.46 mm时，其光程差灵敏度约为103 nm/℃。这种结构简单、稳定性好、体积小、灵敏度高、测量范围广的光纤F-P干涉微温度传感器在国防和工业领域将具有极大的潜在应用价值。