長周期光纖光柵強度型溫度傳感研究

1、第28卷第4期1999年4月ACTA光子學(xué)報PHOTONICASINICAVo1128No14April1999長周期光纖光柵強度型溫度傳感研究劉云啟葛春風(fēng)趙東暉劉志國郭轉(zhuǎn)運董孝義(南開大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)研究所,天津300071)譚華耀(,摘要對長周期光纖光柵,測得的溫度靈敏系數(shù)為01086nm ,812倍1以LPG作為傳感,研究了LPG的強度型溫度傳感特性,在,激光透射光強的對數(shù)與待測溫度的關(guān)系具有良好的線性和重復(fù)性溫度測量的分辨率可達(dá)0111關(guān)鍵詞長周期光纖光柵;強度測量;溫度傳感器0引言近年來光纖光柵在光傳感1方面的研究越來越引起人們的重視,光纖光柵傳感器可以分為兩類:布喇格光柵(FBG)型和

2、長周期光柵(LPG)型,到目前為止,絕大部分的研究工作都集中在FBG型傳感器方面1但是FBG型傳感器由于存在溫度和應(yīng)力靈敏性較低、需要復(fù)雜的波長解調(diào)技術(shù)等缺點,在實際應(yīng)用中具有一定的局限性,而LPG型傳感器則可以很好地解決這些問題,因2此,自從1995年A1M1Vengsarkar等人在光纖中成功地寫入長周期光柵以來,有關(guān)長周期光柵的研究工作引起了廣泛的關(guān)注,國外已有多篇有關(guān)LPG型傳感器的研究報道351V1Bhatia等人3感測量的重復(fù)性良好,進(jìn)一步提高性能則可成為一種實用的傳感設(shè)計方案11LPG強度傳感原理長周期光柵是一類新型的光纖光柵,它的周期一般大于100m,其基本的傳光原理是將前向傳

3、輸?shù)幕ｑ詈现燎跋騻鬏數(shù)膎階包層模中,在傳輸一段距離之后被衰減掉1當(dāng)光纖包層模與外界環(huán)境相互作用時,環(huán)境因素的變化將對光纖的傳輸特性進(jìn)行調(diào)制,從而使LPG的透射譜線發(fā)生漂移,探測LPG透射譜的變化,即可得出被測量的變化1但是檢測波長漂移一般需要價格昂貴的光譜儀作為解調(diào)儀器,或者采用復(fù)雜的解調(diào)技術(shù)1本文采用了一種強度型溫度傳感方案,只需要利用光電探測器檢測光源經(jīng)LPG后透射光強的變化,就可以推知待測溫度的變化1我們所使用的長周期光柵的透射譜特性如圖1所示,圖中分別給出了1315和3615情況下LPG的光譜特性1由圖可知,長周期光纖光柵透通過研究指出,LPG型傳感器可以采用強度傳感方案,直接檢測輸

4、出光強的變化不僅技術(shù)簡單,而且比檢測波長漂移具有更高的靈敏度1我們對長周期光纖光柵的溫度特性進(jìn)行了實驗研究,并且利用其具有較高溫度靈敏度的特點,以LPG作為傳感元件,以可調(diào)諧摻鉺光纖環(huán)形腔激光器作為光源,研究了LPG的強度型溫度傳感特性,傳感器光源具有較好的輸出穩(wěn)定性,激光透射光強的對數(shù)與待測溫度成良好的線性關(guān)系,傳射譜在其透射峰0兩側(cè)各有約7nm的近似線性范圍(一般的長周期光纖光柵透射譜都具有一段國家自然科學(xué)基金資助項目收稿日期:1999-01-264期劉云啟等1長周期光纖光柵強度型溫度傳感研究357近似線性的區(qū)域),在這段區(qū)域內(nèi),LPG透射光強的對數(shù)值lgI與波長位置的變化成近似的正比關(guān)系

5、,用公式可以表示為lgI(1)為FBG型傳感器的典型溫度響應(yīng)曲線6,由圖可知,LPG的溫度靈敏系數(shù)kT=01086nm ,約為FBG型傳感器的812倍1由LPG的溫度靈敏系數(shù)和其線性區(qū)范圍可知,這種強度型傳感器的溫度測量范圍約為801如果選擇線性區(qū)較大的LPG,還可以取得更大的測量范圍1圖1Fig11onoflong2periodatdifferenttemperature圖2長周期光柵(實線)和布喇格光柵(虛線)傳感器的溫度響應(yīng)曲線Fig12Temperatureresponseoflong2period(solidline)andBragg(dashedline)fibergrating由

6、文獻(xiàn)3的分析可知,LPG透射波長的漂移與待測溫度的變化T成線性關(guān)系,即=kTT(2)強度傳感測量的實驗裝置示意圖如圖3所示,式中kT為透射波長的溫度靈敏系數(shù),是一個與光纖熱光系數(shù)和熱膨脹系數(shù)有關(guān)的常數(shù)1由圖1可知,當(dāng)溫度升高時,雖然LPG的透射峰向長波方向漂移,但其透射峰形狀基本不變,所以由式(1)和(2)可得,LPG透射光強的對數(shù)值lgI與待測溫度變化T之間的關(guān)系可以表示為lgI=kT(3)圖3長周期光柵傳感測試實驗裝置圖Fig13SchematicdiagramofexperimentalsetupforLPGsensormeasurement式中k為僅與LPG特性有關(guān)的常數(shù)1由式(3)可

7、知,對于線性區(qū)的特定波長而言,LPG透射光強的對數(shù)與溫度的變化量成正比關(guān)系,基于這一特性,我們選擇中心波長在0附近的激光器作為光源,以LPG作為傳感元件構(gòu)成強度型傳感器,通過測量透射光強的變化,推知待測溫度的變化1由于溫度升高時,LPG的透射峰向長波方向移動,因此當(dāng)溫度升高時,這種強度型傳感器的激光透射強度的對數(shù)將隨著溫度的升高而線性地升高1這一傳感方案要求光源具有較高的功率穩(wěn)定性,光纖的連接損耗對系統(tǒng)的性能也有一定的影響,因此實際應(yīng)用中應(yīng)該設(shè)法進(jìn)行補償1其中光源采用可調(diào)諧摻鉺光纖環(huán)形腔激光器,其中EDF為摻鉺光纖,WDM為波分復(fù)用器,PI2ISO為光隔離器,以980nm半導(dǎo)體激光器作為泵浦光

8、源,摻鉺光纖作為增益介質(zhì),光纖布喇格光柵(FBG)作為激光器的一個反射鏡,激光由3dB耦合器耦合輸出1我們采用懸臂梁應(yīng)力調(diào)諧技術(shù)對FBG進(jìn)行調(diào)諧,當(dāng)FBG中心反射波長發(fā)生變化時,光纖激光器的輸出波長也相應(yīng)發(fā)生變化,其波長調(diào)諧范圍為1557186nm1564150nm1圖中IMG為折射率匹配液,PD為光電探測器,用于探測經(jīng)過LPG以后激光透射光強的變化1在實驗過程中,激光器輸出強度具有良好的穩(wěn)定性,激光輸出光強基本不隨時間而發(fā)生變化,因此實驗中不再設(shè)計參考光路,實際應(yīng)用中可以在環(huán)形腔激2實驗與分析我們采用光譜分析儀(ADVANTESTQ8383型)作為波長檢測儀器,對LPG的溫度特性進(jìn)行了研究,

9、其溫度響應(yīng)曲線如圖2所示,圖中的虛線358光子學(xué)報28卷光器耦合輸出處加入?yún)⒖脊饴?以補償光源起伏等因素對強度測量的影響1實驗中,我們在1488的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行溫度測量,由圖2可知,這一溫度范圍對應(yīng)的LPG透射峰的波長變化范圍為1558166nm1565103nm,因此我們將激光器輸出波長調(diào)至1558nm附近,以保證這一波長在整個溫度變化達(dá)到011dB,因此這種強度型傳感器測量溫度的分辨率可達(dá)011,選擇更好的探測器還可以得到更高的測量分辨率1由于實驗條件所限,我們所使用的長周期光纖光柵的近似線性范圍較小,如果選用性能更好的光纖光柵,還可以得到更大的溫度測量范圍1過程中,始終處于LPG透射譜的

10、線性部分1實驗所用的激光輸出的光譜特性如圖4所示,由圖可圖5長周期光柵強度傳感器兩次不同測量的溫度響應(yīng)曲線1實驗1(),實驗2()Fig15Temperatureresponseoflong2periodfibergratingintensitysensorfortwodifferenttrails,Trail1(),trail2()圖4摻鉺光纖環(huán)形腔激光器激光輸出光譜圖Fig14SpectrumofEr2dopedfiberringlaseroutput知,激光輸出的中心波長為1558131nm,半寬度為0115nm,輸出光強可達(dá)1170mW1實驗測得的損耗(透射光強的對數(shù))與溫度的變化曲線

11、如圖5所示1實驗中多次傳感測量都具有較好的重復(fù)性,圖中只給出了其中兩次不同測量的實驗曲線,由圖可知,損耗與待測溫度成良好的線性關(guān)系,R2值可達(dá)019995,與理論分析的結(jié)果一致1由數(shù)據(jù)擬合的結(jié)果可知,這種傳感器的溫度靈敏系數(shù)為0189dB ,對于我們所使用的激光光源、傳感系統(tǒng)和光電探測器而言,光強測量的分辨率很容易參考文獻(xiàn)3結(jié)論本文以可調(diào)諧摻鉺光纖環(huán)形腔激光器作為光源,以LPG作為傳感元件,研究了LPG的全光纖強度型溫度傳感特性,在74的溫度變化范圍內(nèi),損耗與待測溫度的關(guān)系具有良好的線性和重復(fù)性,測量溫度的分辨率可達(dá)0111如果選用近似線性范圍較大的長周期光纖光柵和更好的光電探測器,還可以取得

12、更大的溫度測量范圍和更高的測量分辨率11KerseyAD,DavisMA,PatrickHJ,etal1Fibergratingsensors1JLightwaveTechnol,1997,15(8):144214632VengasarkarAM,LemairePJ,JudkinsJB,etal1Long2periodfibergratingsasband2rejectionfilters1in:TechDigConfOpt:FiberCommun,SanDiegoCA,postdeadlinepaper,1995:PD4223BhatiaV,VengsarkarAM1Opticalfiber

13、long2694periodgratingsensors1OptLett,1996,21(9):6924JudkinsJB,PedrazzaniJR,DiGiovanniDJ,VengsarkarAM1Temperature2insensitivelong2periodfibergratings1inTechDigConfOpt:FiberCommun,SanJoseCA,postdeadlinepaper,1996:PD1215PatrickHJ,WilliamsGM,KerseyAD,etal1HybridfiberBragggrating longperiodfibergratingse

14、nsorforstrain1225temperaturediscrimination1IEEEPhotoTechLett,1996,8(9):12236XuMG,ReekieL,ChowYT,DakinJP1Opticalin2fibergratinghighpressuresensor1ElectronLett,1993,29(4):3983994期劉云啟等1長周期光纖光柵強度型溫度傳感研究359LONG-PERIODFIBERGRATINGTEMPERATURESENSORBASEDONINTENSITYMEASUREMENTLiuYunqi,GeChunfeng,ZhaoDonghui,

15、LiuZhiguo,GuoZhuanyun,DongXiaoyiInstituteofModernOptics,NankaiUniversity,Tianjin300071TamHYDepartmentofElectricalEngineering,HongKongPolytechnicUniversity,HongKReceiveddate:1999-01-26AbstractItisinvestigatedthetemperaturepropod(LPG)1Theh8eshigherthanthetypicalmeasuredtemperaturecoefficientis01086val

16、ueforanormalfiberB.IttemperaturesensingpropertiesofLPGbasedoninpodfibergratingassensorelementandusingtunableerbiumasticalsource.Inthetemperaturerangeof74,theloss(logarithmofintenislinearwiththemeasuringtemperatureandthelinearitycanberepeated.Theresolutionoftemperaturemeasurementis0111wellKeywordsLongperiodfibergrating;Intensitymeasu