基于空芯光纤的复合双腔光纤法珀盐度传感器

牛慧莉，王 伟,，申佳鑫，黄 盼，栗晓爽

（1.西安工业大学 兵器科学与技术学院，陕西 西安 710021；2.西安工业大学 光电工程学院，陕西 西安 710021；3.西安冠华电子科技有限公司，陕西 西安 710089）

引 言

盐度是重要的水体参数之一，也是监测水质的重要因素。盐度测量在化学和生物分析、海洋环境监测、生产过程控制、季节性气候预测、生态系统保护和许多工业领域等[1-3]都起着重要的作用。

研究者与工程技术人员已提出多种测量盐度的方法和技术，较为成熟的方法有折射率法[4]、电导率法[5]、表面等离子共振法[6]、硝酸银滴定法[7]等。这些方法应用范围广泛，经过多年的发展，具有响应时间短、测量精度高、信号易于处理和控制等优点。但是，这些方法也存在着长期稳定性和互换性差的缺点，且表面等离子共振法的测量系统结构复杂、成本费用较高，硝酸银滴定法需要实验室分析或对环境参数敏感，电导率法会易受到电磁干扰的影响[8-9]。

近年来，光纤传感技术快速发展，与传统电学传感技术相比有很多不可替代的优势，如结构紧凑、灵敏度高、耐高温、耐腐蚀、响应速度快、抗电磁干扰、稳定性好、适用恶劣环境、使用灵活等[10]。光纤传感技术也被提出用于盐度测量，目前光纤盐度传感测量技术主要为剥层光纤法和光纤光栅法：剥层光纤法是用一根多模光纤（单模光纤也可以，多模光纤会更好），剥去包层和保护层，形成弯弧，浸入溶液中，通过测量折射率间接测量出盐度[11]；光纤光栅也可用于盐度测量[12]，光纤光栅作为传感器是利用应力-透射/反射光谱特性，即在应力作用下，光纤光栅周期发生伸长或缩短，从而引起反射光谱中心波长改变，实现传感，当将光纤产生应力的敏感器件由盐度敏感的材料做成，即为光纤光栅法盐度测量传感器。基于这些光纤盐度传感测量技术原理，不同类型的光纤盐度传感器也相继被提出[13]，Cong等[14]制作了基于drogel涂层光纤布拉格光栅盐度传感器，Liu等[15]通过蚀刻涂覆层优化了相同的结构，获得了约10.4 pm/%的灵敏度，并且制造复杂。2019年，Sun等[16]提出了基于光纤布拉格光栅（FBG）盐度传感器的实验研究并获得了-0.035 8 nm/%的灵敏度。尽管FBG传感器具有简单的结构并适合于长期测量过程，但它们的灵敏度非常低。2020年，Lin等提出了一种基于单模光纤-单模光纤-无芯光纤-单模光纤-单模光纤（SSNSS）结构的光纤盐度传感器，通过测量溶液折射率达到测量盐度值，其灵敏度可以为-3.42 nm/%[17]，此方法测量盐度的灵敏度有了一定的提高，但是存在制作复杂的问题。因此，研究一种制作简单、灵敏度高的盐度传感器具有重要意义。

本文提出并设计了一种基于空芯光纤的单模光纤-空芯光纤-单模光纤（SMF-HCF-SMF）复合双腔法珀光纤盐度传感器，由于通过HCF段空气腔与SMF段介质腔所对应的反射光谱干涉信号的振幅之比对盐度进行测量，故可有效剔除光源功率起伏以及其他外部干扰的影响，实现盐度的高灵敏度测量。

1 结构与制作

所提出的基于空芯光纤的SMF-HCF-SMF复合双腔法布里-珀罗光纤盐度传感器，由一段SMF、一段HCF和一段一定长度的SMF构成，如图1所示。其中，R1为SMF段后端面与HCF段空气腔前端面的界面反射率，R2为HCF段空气腔后端面与一定长度SMF段介质腔前端面的界面反射率，R3为一定长度SMF段介质腔后端面与NaCl溶液的界面反射率。HCF部分长度为几十微米量级，其两端的SMF端面相互平行构成一个空气腔，HCF右侧SMF长度为百微米量级，其两个端面平行且垂直于SMF轴线，构成一个介质腔。

图1 基于空芯光纤的复合双腔法布里-珀罗光纤盐度传感器结构简图Fig.1 Structure diagram of composite dual-cavity Fabry-Perot fiber salinity sensor based on hollow core Fiber

SMF-HCF-SMF结构的复合双腔法珀光纤盐度传感器的基本制作流程如下。

步骤一：去除两根单模光纤以及空芯光纤的端面附近的涂覆层后，使用光纤切割刀切除裸光纤的不平整端面，并做抛光处理，保证光纤端面绝对平整并严格垂直于光纤轴线；

步骤二：使用熔接机将一根切平端面的SMF与切平端面的HCF熔接；

步骤三：在光学显微镜下使用五维精密调节架精准调节熔接之后的HCF在光纤切割刀刀口上的位置，切割出所需长度空芯光纤；

步骤四：将此结构再与另一根切平端面的SMF熔接，在显微镜下使用光纤切割刀切割得到所需长度的SMF，形成SMF-HCF-SMF结构的复合双腔法珀光纤盐度传感器。

根据上述制作方法，使用内径为75 μm，外径为125 μm的空芯光纤与包层直径为125 μm的标准单模光纤制作了基于SMF-HCF-SMF结构的法布里-珀罗光纤盐度传感器，如图2所示，其中HCF部分构成的空气腔长度为39 μm，SMF部分介质腔腔长为560 μm。

图2 基于空芯光纤的复合双腔法布里-珀罗光纤盐度传感器显微图Fig.2 Micrograph of compoud dual-cavity Fabry-Perot fiber salinity sensor based on hollow core fiber

2 盐度传感原理

复合双腔法布里-珀罗光纤盐度传感器三个界面的反射率分别为

式中：nSMF为单模光纤折射率；nair为空芯光纤空气腔折射率；nNaCl为NaCl溶液折射率。由于nSMF为1.468 2，nair为1，常温下nNaCl通常介于1.33～1.38之间，故由式（1）和式（2）知复合双腔三个界面的反射率远小于1，因此两个法珀腔均可视为低细度法珀干涉仪。如果光谱功率密度为Ii(λ) 的宽带光照射进入该传感器，干涉光可近似为

其中，

式中：I0(λ) 代表了基底光谱功率密度，其光谱形状与光源一致；IHCF(λ) 、ISMF(λ) 和IHCF+SMF(λ)分别代表HCF段空气腔、SMF段介质腔以及HCF与SMF两段所组成法珀腔前后界面的FP干涉信号光谱功率密度，F-P干涉信号均为幅值固定的余弦信号。式（5）与式（6）中IHCF(λ) 与ISMF(λ)的光谱功率密度振幅比为

由于nHCF和nair为常数，显然，光谱功率密度振幅之比 η 仅为NaCl溶液折射率nNaCl的函数，与光源光谱无关，也不受光强扰动的影响，并且在nNaCl变化较小时，与nNaCl成正比。参考前人研究所得NaCl溶液盐度与其折射率nNaCl的正比关系[18]

式中S为盐度。可知 η 是NaCl溶液盐度S的函数， η 的变化量与盐度S变化量成正比关系。因此，通过获取该复合双腔法珀传感器的反射光谱，计算得到HCF段介质腔与SMF段空气腔对应光谱功率密度振幅比 η ，可以实现盐度传感测量。该测量结果不受光源功率起伏或外部扰动引起光强变化的影响。

但是，由于复合双腔法珀盐度传感器的反射光谱信号较为复杂，很难通过直接获取光谱功率密度振幅的方式得到其比值 η ，为此结合傅里叶变换与滤波的方法进行信号处理。首先，将由光谱仪获取的反射光谱信号由波长域变换至频域，并通过插值处理，使之成为等频率间隔的离散信号；然后，采用带通滤波和反傅里叶变换分别获取HCF段空气腔和SMF段介质腔对应的频域干涉信号；最后，获取两个频率干涉信号的幅值，并计算得到其振幅比 η 。

3 实验与分析

为验证并测试所提出复合双腔光纤盐度传感器的性能，搭建了如图3所示的盐度实验测量系统，该系统由宽带光源、光纤环行器、复合双腔光纤盐度传感器以及光谱分析仪（OSA）构成。其中，宽带光源为超辐射发光二极管（SLD），最大输出功率5.7 mW，中心波长1 568 nm，3 dB带宽约为90 nm，输出光谱为高斯型，如图4所示。光谱分析仪（OSA）采用日本Anritsu公司生产的高精度光纤光谱分析仪（MS9740A），其光谱测量范围为0.6～1.75 μm，最高波长分辨率可达0.03 nm。复合双腔光纤盐度传感器，通过光纤夹持器固定于机械升降台上，并垂直伸入盛放于玻璃烧杯中不同配比的NaCl溶液里。实验中，NaCl溶液盐度范围为0%～24%。

图3 复合双腔法布里-珀罗光纤盐度传感实验装置示意图Fig.3 Schematic diagram of compound dual-cavity Fabry-Perot fiber salinity sensing experimental system

图4 SLD光源输出光谱Fig.4 Output spectrum of the SLD

SLD光源发出的宽带光，通过光纤环行器后，照射进入复合双腔光纤盐度传感器，其中部分光被传感器空气腔和介质腔的三个界面反射并发生干涉，该部分反射光由光纤环形器2端口返回，并由3端口出射至光谱分析仪。通过光谱分析仪获取的复合双腔的反射光谱，进行分析处理，获取空气腔和介质腔光强对比度之比，从而得到盐度信息。

室温下，对盐度间隔为3%、范围为0%～24%的9组不同盐度的NaCl溶液进行了测量，盐度为0%、12%、24%时的归一化反射光谱如图5所示。该反射光谱表现出了明显的复合双腔的光谱特征，为一个收到快速振荡信号调制的缓变多峰干涉光谱。其中，缓变的多峰值干涉光谱来源于腔长较短的HCF空气腔，快速振荡的光谱调制信号来源于腔长较长的SMF介质腔。可以看出，光谱峰峰间隔不受盐度变化影响，盐度变化影响主要体现在快速振荡的光谱调制信号的幅值，即主要影响介质腔的对比度大小，这与理论预期相符。通过测量介质腔的光谱信号对比度，可以实现对盐度的监测。

图5 盐度为0%、12%和24%时复合双腔F-P盐度传感器的归一化反射光谱Fig.5 Normalized reflection spectra of the dual-cavity F-P salinity sensor for three different salinity of 0%, 12%, and 24%.

不同盐度NaCl溶液的反射光谱进行傅里叶变换结果如图6所示，共存在三个峰。峰1、峰2和峰3分别对应39 μm的HCF段空气腔、560 μm的SMF段介质腔以及HCF与SMF共同构成的F-P腔。从图中亦可明显观测到NaCl溶液盐度变化对反射光光谱功率密度振幅的影响。通过滤波处理并进行反傅里叶变换，分别得到峰1和峰2对应的干涉光谱信号，如图7所示。显然NaCl盐度的变化，只影响光谱振幅，不改变干涉光谱的相位。通过获取不同盐度条件下，图7（a）和（b）两组干涉光谱的幅值并计算得到振幅比 η ，振幅比 η 与盐度之间的关系曲线如图8所示，两者之间有着良好的线性关系，并且随着盐度的增大，振幅比 η 线性增大。通过线性拟合，可得其盐度测量的灵敏度为0.101 %-1，对应线性度R2为0.985 6。

图6 传感器空间频域光谱Fig.6 Spatial frequency spectrum of the sensor

图7 反傅里叶变换后余弦信号Fig.7 Cosine signal after inverse Fourier transform

图8 基于空芯光纤的复合双腔法布里-珀罗光纤盐度传感器光强幅值比与盐度关系曲线Fig.8 The relationship curve of light intensity amplitude ratio and salinity of composite dual cavity Fabry-Perot fiber salinity sensor based on hollow core fiber

4 结 论

本文提出了一种基于空芯光纤的SMF-HCFSMF复合双腔法珀光纤盐度传感器，利用不同盐度NaCl溶液引起的折射率变化对反射光谱干涉信号的影响，以及两信号幅值之比与盐度的线性关系，实现盐度测量。采用精密切割与光纤熔接技术制备了HCF空气腔长度为39 μm和SMF介质腔长度为560 μm的复合双腔法珀光纤盐度传感器，并进行了盐度测量实验。结合傅里叶变换、带通滤波与反傅里叶变换的方法对光谱信号进行处理，在0%～24%的盐度范围内获得了反射光谱信号振幅比与盐度的良好线性关系，其测量灵敏度达到了0.101 %-1，该SMF-HCF-SMF复合双腔法珀光纤盐度传感器具有易于制造、结构紧凑、灵敏度高和抗干扰能力强的优点。