基于温敏液体封装的高灵敏光纤多模干涉温度传感器*

蔡伟勇余时帆陈哲敏胡朋兵李国水张建锋杨菁怡王新淮董新永

(1. 浙江省计量科学研究院，杭州 310013； 2. 中国计量学院，杭州 310018)

0 引言

温度是表征物体冷热程度的物理量，是工农业生产、自动化控制、结构监测、生物医疗等众多领域中需严格控制的重要参数之一。温度的测量与监控直接影响材料的性能及产品的质量，从而最终影响整个现代化生产的进程。随着生产的发展和科技的进步，新的领域、新的技术的出现对温度的测量提出了更高的要求，传统的测温技术已不能适应新的要求。由于尺寸小、质量轻、制作简单、灵敏度高、耐腐蚀及抗电磁干扰等优点，光纤温度传感器已被广泛研究，并逐步在石油化工、电力系统(强电压、强电流)、桥梁大坝、生物医学等领域取代了传统温度传感器。因此，研究光纤温度传感理论及其测量装置成为当前最为迫切的任务之一。

目前，常见的光纤温度传感器包括光纤光栅温度传感器[1]、光纤分布式温度传感器[2]和光纤干涉型温度传感器[3, 4]等。它们均有各自的优势及特点，其中，基于光纤多模干涉结构温度传感器由于结构简单、制作方便、成本低、灵敏度高等特点越来越受到广大学者们的青睐，相关研究及报道也逐步开始出现。已报道的光纤多模干涉温度传感器大多数仅仅利用SMS结构自身的热光系数及热膨胀效应引起的传播常数变化来实现温度的测量[5]。因此，其温度测量灵敏度低，和光纤光栅传感器具有同数量级的温度灵敏系数。近年来，研究者采用不同的方法，如使用光纤级联SMS结构[6]、弯曲光纤SMS结构[7]、特殊包层多模光纤[8]及温敏液体封装[9]等来提高其温度灵敏度。前两种方法对温度的灵敏度提高不多，但制作成本相对较低。特殊包层多模光纤需要厂家特殊制作，不利于批量生产，而且测量光谱差。基于温敏液体封装方法制作的温度传感器采用辐射膜进行测量，虽然具有极大的温度灵敏度，但其测量动态范围受到了限制，不利于实际场所的应用。

本文提出了一种基于多模干涉的光纤温度传感器，其基本原理是基于多模干涉传感器的折射率测量。实验结果表明，在10～90℃范围内获得的最大灵敏度为-3.15nm/℃。

1 传感器制作及工作原理

光纤传感器的结构如图1所示，包括SMS传感结构、温敏液体和毛细钢管。其中，SMS传感结构是采用一段无芯光纤与单模光纤进行无偏熔接而成。据相关报道，此结构的温度灵敏度低(约10pm/℃)，然而对高折射率的测量却比较有优势。为实现此结构的温度增敏，使用折射率温敏液体覆盖其表面，并用毛细钢管对其进行无缝封装。

图1 光纤多模干涉温度传感原理图

图2 光纤多模干涉结构内部光强分布示意图

假设光源发出的光为单纵模光，则经过单模光纤并接近无芯光纤前端面时，光束依然保持着原有的特性。由于单模光纤与无芯光纤的模场不匹配，单纵模光在进入无芯光纤时将被激发出多个模式的光并继续向前传输。由于不同模式的光之间产生耦合，导致无芯光纤内部出现能量的叠加或削弱现象,并沿光纤轴向呈周期性分布，即出现了自映像效应。图2显示了1550nm的光在SMS结构中的光强分布，无芯光纤的长度和折射率分别为40mm和1.457，与实际传感器参数相同。由图可见，光在无芯光纤中激发出了多个模式，且在纤芯处形成了两次相交叠加，出现了自效应现象。因此，当输入光为宽带光或者扫描激光时，在输出单模光纤端将形成稳定的干涉光谱输出。不妨假设无芯光纤中两种不同的传导模式分别为LP0m和LP0n(m，n为正整数)，则它们之间的相位差可表示为：

(1)

由干涉理论可知，当相位差满足(2k+1)p 时，干涉光谱将达到能量的极小值点，其中k为整数。

(2)

图3 实验装置图

2 实验结果与讨论

实验装置如图3所示，由宽度光源、传感器、光谱分析仪、标准温度计及恒温槽组成。传感器中无芯光纤的长度为40mm，直径与单模光纤相同，温敏液体的折射率大小约为1.450，在-7～138℃范围内稳定、无挥发，且热光系数(约3.91×10-4K-1)高。其中，宽度光源(THORLABS,SLD1550S-A1)的中心波长为1550nm、3dB带宽为100nm。传感器输出光谱的波长漂移通过光谱分析仪(YOKOGAWA,AQ6370C)来直接监测，光谱分析仪的波长分辨力为0.02nm。棒式标准温度计(FLUKE, 1552AEx)为液体恒温槽提供实时的温度测量，可消除温度读取错误带来的测量误差，测量准确度为0.01℃。

实验将传感器固定在玻璃管侧面，尽可能减少水的搅动给测量带来的误差。测量温度间隔为10℃，每次测量前，需等待标准温度计显示不变，确保所记录的数据真实、可靠。传感器在不同温度条件下的输出光谱如图4所示。由图可见，随着温度的增加，整个光谱发生了明显的短波长漂移。但是，光谱的消光比却增大了，这使得光谱谐振波长的确定更加容易，利于温度的准确测量。另一方面，光谱的漂移量随着温度的增大却逐渐减小，表明了传感器的响应并非线性，且在低温度范围内具有更高的灵敏度。以上现象可解释为：当温度增加时，所填充的温敏液体的折射率变小，并逐步远离无芯光纤的折射率，导致SMS结构的折射率灵敏度降低，最终降低了传感器的温度灵敏度。并且，折射率的变小有效地抑制了无芯光纤中的高阶模式的泄漏，降低了干涉模式之间的幅度差，达到了增强干涉的效果。在实验中，使用光纤光栅(FBG)作为环境温度的参考，可以消除环境温度对传感器带来的交叉敏感。由于整个实验过程处于恒温条件下，所以FBG中心波长未发生漂移。

图4 不同温度条件下传感器的输出光谱

图5给出了传感器的干涉光谱的谐振波长随温度变化的关系。在温度从10℃增加到90℃时，谐振波长从1565.99nm漂移到1471.02nm，波长漂移量达91.97nm。整体上看，波长与温度成较好的单调函数关系，且在40～90℃内可近似为线性关系。对数据进行局部拟合可知，10℃时传感器的温度灵敏度可近似为-3.15nm/℃；90℃时传感器的温度灵敏度可近似为-0.33nm/ ℃，显然，比未封装前的SMS结构传感器的灵敏度高300倍[5]。

图5 输出光谱的谐振波长随温度的变化

为了考察传感器的重复性及可逆性，实验分别研究了传感器的温度上升和下降情况。由图5可知，在40～90℃内传感器的重复性及可逆性较好，最大波长波动约为0.97nm(温度波动约为0.4℃)；而在10～40℃内传感器的重复特性及可逆性较差，最大波长波动约为3.03nm(温度波动约为1℃)。但是，传感器的整体响应趋势一致，其波动原因可能为恒温槽水的流动引起的波长波动、温敏液体的泄漏及封装的缺陷造成的波长漂移等。

图6 输出光谱的谐振波长随时间的变化

图6显示了不同温度下传感器的谐振波长随时间的变化。显而易见，光谱谐振波长随时间呈现出稳定的变化趋势。经数据分析得出，在10℃温度下，传感器的稳定性较差，波长波动约为0.37nm；而在90℃温度下，传感器具有较好的稳定性，波长波动仅约为0.007nm。基于已得到的灵敏度，相应的温度波动可计算为0.12℃和0.02℃。这种波动性差异主要产生于传感器灵敏度对温度的依赖性，在低温下高的灵敏度导致了较大的温度波动。

以上实验结果表明，基于温敏液体填充的光纤多模干涉温度传感器具有非常高的温度灵敏度和较好的工作稳定性。据光谱分析仪的波长分辨力0.02nm，其温度分辨力可算为0.006℃。通过对数据插值和滤波处理或采用高精度解调装置，可进一步提高温度分辨力(<0.001℃)。由于受实验条件的限制，实验的测量温度仅为10～90℃。实际上，此传感器可适用于-7 ～138℃的温度测量(由折算率液体工作范围决定)。

3 结论

提出并研究了一种基于温敏液体填充的高灵敏光纤多模干涉温度传感器。通过结合折射率温敏液体和毛细钢管对SMS结构进行封装，有效地提高了传感器的温度灵敏度。实验测得的灵敏度高达-3.15nm/℃，是普通光纤SMS传感器的300倍。通过提高封装技术和选择最优温敏液体，可以进一步完善该传感器的各项性能。由于其高的温度灵敏度和分辨率，该温度传感器具有巨大的应用潜力。

参考文献

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