基于弯曲损耗的光纤环路温度传感器

魏亚辉，张敏娟，李 晓

(1.驻马店职业技术学院，河南驻马店 463000; 2.中北大学山西省光电信息与仪器工程技术研究中心，山西太原 030051)

基于弯曲损耗的光纤环路温度传感器

魏亚辉1，张敏娟2，李 晓2

(1.驻马店职业技术学院，河南驻马店 463000; 2.中北大学山西省光电信息与仪器工程技术研究中心，山西太原 030051)

为实现高精度光纤温度传感，本文对新型光纤环路温度传感器进行研究。该传感器通过折射率的改变感知环境温度变化，并直接影响到光在光纤中的传输损耗。通过分析温度、弯曲半径对折射率的影响，即弹光效应和热光效应。给出了传输损耗、测温范围与弯曲半径的关系，并依此进行了测温精度和稳定性实验，实验结果表明，功率型光纤环路温度传感器具有精度较高、成本低、易于集成等优点。

温度传感器;弯曲损耗;折射率;弯曲半径

1 引 言

光纤传感技术是通过调制光纤中的传输光信号实现对外界环境参量的传感，如:振动、压力、折射率、温度等。其具有灵敏度高、易于集成、成本低、不受电磁环境干扰等优点［1－4］，是研究人员一直青睐的传感器设计方案，并且许多光纤传感技术已经应用到电力［5］、力学结构［6］、医疗卫生等领域，且在其他领域也有潜在的应用前景。我国在光纤传感技术研究方面起步较晚但发展速度快，目前国内许多高等院校和科研机构都在从事光纤传感技术的研究［5－6］。

光纤传感器一般可分为功能型和功率型，功能型光纤传感器一般是调制光信号的频率、相位、偏振等信息实现传感功能。功能型光纤传感器以光纤光栅为典型代表得到广泛的研究，其一般具有测量精度高、分辨率高的优点，但测量范围小，成本较高，且需要使用光谱分析设备。为了克服这些缺点，本文提出一种新型功率型光纤温度传感器，具有高精度、高分辨率、低成本的优点，在医疗、环境监测领域具有潜在的应用价值。

2 功率型光纤传感器测量原理

2.1 光纤折射率的变化机理

光在光纤中传输时，由于外界环境的变化引起光纤折射率的变化，从而导致传输光的频率、相位、功率等发生变化。通过测量这些变化量，可实现对外部环境的测量。而功率型光纤温度传感器则是利用测量传输光功率的衰减实现对环境温度的测量。且在光纤温度传感器中光纤的材质影响传感器的测温范围［7－8］。本文采用聚合物包层光纤PCS(Plastic Clad Fiber)，其芯层和包层的热光系数相反，当温度变化时，内外层的折射率变化是相反的，可有效地提高温度测量精度。

在功率型光纤温度传感器中，光纤的折射率主要是由材料的本征折射率、光纤的弯曲半径以及环境的温度决定。而本征折射率在光纤选定后是不能改变的，因此，有必要研究弯曲半径和环境温度对光纤折射率的影响。

2.2 光纤弯曲对折射率的影响分析

光纤弯曲对折射率的变化主要有两个方面的影响:弹光效应和几何效应。由弹光效应引起的折射率改变称之为本地折射率，几何效应是光纤的几何形变使本来延直线传输的光被迫沿弯曲的圆弧型传输，如图1所示，这种折射率称之为有效折射率。本地折射率真实地改变了光纤的折射率，而有效折射率其实是一种几何变换，并没有对材料的折射率有真正的改变，但却对其中传输的光线造成客观的影响。因此，有必要对弹光效应进行分析。

图1 光纤环路Fig.1 Optical fiber loop

在直角坐标(x－y)中，弹光效应引起的折射率变化在光纤横截面上的表示为:

这里，n0为未发生弯曲时材料的折射率;R为光纤弯曲半径;P11，P12分别为光纤材料的弹光系数;v为材料的杨氏模量。

由公式(1)可知，光纤发生弯曲时折射率呈线性梯度分布，且当弯曲半径R增大时分布梯度也随之增大。

几何路径的改变对折射率的影响可以通过保角变换来描述，电场E在光纤中传输满足亥姆霍兹方程。这样弯曲部分的折射率分别可以等效为:

其中，－ρ＜r＜ρ。

结合弹光效应可以求出有效弯曲半径表达式:

这里Pij为材料的弹光系数结合，对应聚合物材料Reff/R≈1.28。光纤折射率分布如图2所示。

图2 弯曲光纤折射率变化示意图Fig.2 Schematic diagram of refractive-index change of bent fibers

最终，结合两种折射率改变效应后光纤折射率的表达式为:

其中，n210和n220分别为芯层和包层的本征折射率;表示为光纤的方位角。这样，当环境温度改变时，由于热光效应会引起光纤芯层和包层的折射率变化，从而改变光纤中光的传输行为。因此，可以利用该现象检测周围环境相关参数。这里我们注意到对于纤芯为硅而包层为聚合物的光纤来说，当环境温度升高时，由于光纤内外层热光系数恰好相反(聚合物材料热光系数为负)，使得光纤内外层的折射率向相反的方向变化，其差值会比普通光纤要大很多，即会大大提高测量的分辨率。

光纤内外层折射率的差用数值孔径表示，数值孔径大代表携带光的能力强，相反则弱。根据公式(1)～(5)数值孔径表达式为:

3 利用聚合物包层光纤进行温度测量

3.1 光功率与温度变化分析

由公式(6)可知，NA值是一个与光纤折射率、芯径、弯曲半径相关的函数;而环境折射率与光纤折射率可以通过热光效应得到，所以建立NA函数非常重要。

在这里选取阶跃折射率光纤 PCS200，直径200μm，芯径材料为Silica，包层材料为Silicone，折射率n和热光系数K见表1，可以看到PSC200光纤的最大特点为芯层和包层材料的热光系数相反，n1和n2随温度变化的曲线的斜率相反，NA的变化率增大。

表1 PCS光纤相关参数Tab.1 The related parameters of the PCS fiber

图3 光纤数值孔径与弯曲半径变化Fig.3 The Relationship of fiber NA to the bending radius

图3是在常温下NA随弯曲半径的变化关系，可见，当R增大时，NA也随之增大，并趋近于直光纤的NA(0.4);当R减小时，NA逐渐减小，且这种趋势越来越大，直至R=0，出现奇点。

3.2 测温范围

由以上分析可知，功率型光纤测温技术是由温度变化引起光纤参数变化进行温度测量的，这样就存在两个温度测量临界点Tc1、Tc2，Tc1、Tc2分别为光纤传感器的测温上限和下限，它们分别是由折射率和数值孔径来决定。由于K1、K2符号相反，在温度Tc1时，芯层和包层的折射率相等;当温度和弯曲半径的对数值孔径的影响也是反号的，所以也存在温度Tc2使得在弯曲半径R下的数值孔径与未弯曲(R=∞)时的数值孔径相等。测温范围由公式(11)、(12)计算，其随弯曲半径变化曲线如图4所示。

图4 温度测量范围Fig.4 The range ofmeasuring temperature

图4表明功率型光纤测温范围与光纤弯曲半径有关，当弯曲半径减小时，光纤的测温上限提升;光纤弯曲半径增大时，测温上线和下限同时下降，并趋近于R=∞的测温范围。在理论上如果光纤环的半径过小(与光纤直接可比拟)会产生奇点，即测温下限反而高于上限，但实际上是不会发生的。

4 功率型光纤温度传感器测温实验

4.1 实验条件和装置

功率型光纤温度传感器测温实验示意图如图5所示，由输入设备、测量设备和标定设备等组成。在实验装置中，采用632 nm激光器作为入射光源，探测器采用Thorlabs公司的可见光硅探测器s120作为实验探测器，测量光功率，采用FuyuanHFY-101低温黑体作为标准进行温度定标。

632 nm的激光器产生的激光经过耦合装置入射到PCS，PCS在温度传感区域弯曲成半径为R= 5mm的环，激光经PCS再入射到功率探测器，该测量光路设为I1。为进行光强对比将PCS通过消逝场与另外一路PCS耦合，因此，可以引出对比光路I0，同样入射到光功率探测器上。但要求对比光路与测量光路的耦合点位置必须在温度传感区域以外，而不能在温度传感区的I2路。

在实验中，l0和l1路的探测信号用来做光强对比。虽然l2路的数值孔径也发生了变化(随温度升高而变大)，但其内部传输的功率并没有发生改变，仍然和l0路是相同的。由于实际测量是对功率测量，可以将l1路和l2路的功率值进行对比。

图5 功率型光纤温度传感器工作示意图Fig.5 The schematic diagram of the power fiber temperature sensor

4.2 功率型光纤传感器的测量精度

在实验中利用HFY-101黑体作为标准温度源，调节黑体的温度从室温(20℃)到测温下限(－60℃@R=5mm，－20℃@3mm)，再调节到测温上限(60℃@R=5mm，80℃@3mm)，最后恢复到室温状态。每隔10℃测量温度。经过多次反复测量后，使用最小二乘法对数据进行校正，校正后结果如图6所示。

图6 传感器准确度实验Fig.6 The experiments of the sensor’s accuracy

从图6中可以看出，由PCS200构成的光纤环形温度传感装置，在R=5 mm或R=3 mm时，在测温极限范围内的测量精度都达到了0.1℃。

4.3 新型功率型光纤传感器的稳定性实验

为了验证功率型光纤传感器测温的稳定性，在实验中调节低温黑体HFY－101的温度从－60℃逐步升高到40℃，且在每10℃停留20 min，对传感器测量温度的稳定性进行验证，其实验结果如图7所示。

图7 传感器测温稳定性实验Fig.7 The experiments of the sensor’s stability at themeasuring temperatures

从实验结果可以看出，功率型光纤温度传感器的稳定性比较高，测温稳定性可以达到0.3℃/h。

5 结论

通过对光纤的弹光效应和热光效应的研究，分析了功率型光纤温度传感器的测温原理，即光纤损耗随温度和曲率的变化关系，给出了传感器的测温范围和测量精度。并利用PCS200光纤内外层材料热光系数相反的特点提高了测温精度。实验表明该功率型光纤温度传感器的测温精度达到0.1℃。并且测量的稳定性达到0.3℃/h。由于这种温度传感器采用以光纤为核心的光电测量系统，使其具有抗电磁干扰、易于与微机连接、长时间自动化工作，在医疗卫生、环境监控等领域有很好的应用价值。

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Fiber temperature sensor based on bent loss

WEIYa-hui1，ZHANG Min-juan2，LIXiao2
(1.Zhumadian Vocational and Technical College，Zhumadian 463000，China;
2.Engineering and Technology Research Center of Shanxi Provincial for Optical-Electric Information and Instrument，North University of China，Taiyuan 030051，China)

In order to achieve high precision temperature sensing，a new fiber temperature sensor is studied.The change of the environment temperature is perceived through the refractive index change，and this directly affects the transmission loss of light propagating in optical fiber.The influence of temperature and bent radius on refractive index is analyzed，namely the photoelastic effectand thermo-optic effect.The relationship between transmission loss，temperature range and the bending radius is obtained.Based on this，the accuracy and stability experiments of themeasuring temperature is done，the experiment results show that the power optical fiber temperature sensor has a high accuracy，low cost，ease of integration，and so on.

fiber temperature sensor;bent loss;refractive index;bent radius

TN29

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2014.05.015

1001-5078(2014)05-0549-05

山西省国际合作项目(No.2012081029)资助。

魏亚辉(1980－)，男，理学学士，讲师，研究方向为数字信号处理。E-mail:yhwei1980@163.com

2013-09-04;

2013-10-22