光纖溫度傳感器

關(guān)于光纖溫度傳感器強(qiáng)度調(diào)制型光纖溫度傳感器原理總長(zhǎng)度為J。，有N個(gè)刻紋段的刻紋光纖(如圖1)受軸向應(yīng)變力拉伸時(shí)，刻紋光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)輸出功率P對(duì)軸方向的應(yīng)變相當(dāng)敏感，很容易測(cè)量出光信號(hào)輸出功率減少，其原因是由于刻紋段光纖被拉仲時(shí)纖芯折射率nco，。及纖芯半徑a變化的結(jié)果[2,3]，且紋段與未刻紋段將發(fā)生大小不同的應(yīng)變。具有N個(gè)刻紋段光纖的輸出功率_P與其軸向應(yīng)變的關(guān)系為[2]

第2頁(yè),共18頁(yè)，2024年2月25日，星期天式(2)中：plL和p12為各向同性物質(zhì)的彈光系數(shù)；口為泊松比；b。和b。為刻紋段和未刻紋段包半徑；L。為每個(gè)刻紋段的長(zhǎng)度。第3頁(yè),共18頁(yè)，2024年2月25日，星期天對(duì)石英光纖n毛(p11—2apl2)+1的數(shù)值約為

1．06[，1?？梢?jiàn)，G的數(shù)值由刻紋光纖的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)決定：刻紋段數(shù)目N越多、刻紋段長(zhǎng)度L。越短，刻紋深度越深(即6。／6。的數(shù)值越小)，則G的數(shù)值越大。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明[“：刻紋光纖中輸出的光功率P雖然對(duì)軸方向的應(yīng)變相當(dāng)敏感，但其對(duì)環(huán)境溫度￡變化的響應(yīng)很小，數(shù)量級(jí)IdPIPdt=10-6／℃，所以刻紋光纖不適于直接用于溫度傳感器。這樣，在研究傳感器性能時(shí)，完全可以不考慮由于環(huán)境溫度的變化而引起的光纖纖芯折射率”。及纖芯半徑a的變化。

第4頁(yè),共18頁(yè)，2024年2月25日，星期天但如果給刻紋光纖敷上金屬膜層后，情況就不同了。當(dāng)外界環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，由敷在刻紋光纖外表面上的金屬敷層將隨環(huán)境溫度的變化而熱脹冷縮，使光纖同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)沿光纖軸方向的托伸應(yīng)變從而引起光纖內(nèi)傳輸?shù)墓庑盘?hào)變化，這種變化將導(dǎo)光纖輸出光功率P發(fā)生改變。假設(shè)溫度為0℃時(shí)，金屬敷層光纖段假設(shè)溫度為0℃時(shí)，金屬敷層光纖段的長(zhǎng)度為L(zhǎng)。，而L是濕度為‘℃時(shí)金屬敷層光纖段的長(zhǎng)度，a為敷層金屬的線脹系數(shù)。則：第5頁(yè),共18頁(yè)，2024年2月25日，星期天式中：P。為初始溫度￡。時(shí)光纖巾輸出的光功率數(shù)值。由式(4)可知：當(dāng)溫度t增加時(shí)，光纖輸出的光信號(hào)功率P將減小，G的數(shù)值越大，敷層金屬材料的線脹系數(shù)a越大，光功率P將減小得越快。這樣．通測(cè)量輸出信號(hào)光功率P的變化就可得到溫度的變化。第6頁(yè),共18頁(yè)，2024年2月25日，星期天光纖溫度傳感器的制備傳感器的制備包括如下過(guò)程：根據(jù)劃紋光±r的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在玻璃板}i做成掩膜，通過(guò)旋轉(zhuǎn)光纖使除去塑料套層后的光纖段(長(zhǎng)度為j。)涂卜一層光刻膠，再將其放入烘箱中烘烤以增加膠膜與裸光纖的粘附，溫度般在75℃左右，時(shí)間為10--20rain．然后將經(jīng)過(guò)}：述處理過(guò)的光纖放在紫外光下進(jìn)行曝光，再將其浸八丙酮巾。由十未被感光的部分能破丙酮溶解，被感光的部分就被保留下來(lái)用作腐蝕時(shí)的保護(hù)膜。第7頁(yè),共18頁(yè)，2024年2月25日，星期天顯影后，再把光纖放入烘箱中烘烤，這樣使留下來(lái)的膠膜較牢固地粘附在光纖上，同時(shí)也可增加膠膜本身的抗腐蝕能力．至此．待刻紋部分的圖案就清晰地呈現(xiàn)在光纖上。使用氫氟酸作為腐蝕溶液，待光纖腐蝕到所需的半徑時(shí)，從溶液中取出，放在濃硫酸中，除去已刻紋的光釬外層，然后用去離子水洗凈。最后，在真空鍍膜機(jī)巾對(duì)刻紋段光纖鍍上金屬膜層。第8頁(yè),共18頁(yè)，2024年2月25日，星期天結(jié)構(gòu)參數(shù)和金屬材料種類(lèi)對(duì)傳感器輸出光功率

P的影響實(shí)驗(yàn)中對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和不同金屬敷層材料的傳感器的溫度響應(yīng)進(jìn)行了測(cè)試，如圖2所

結(jié)果表明：傳感器具有很好的溫度響應(yīng)。其輸出光功率隨溫度t增加而減小。對(duì)于不同傳感器，具有不同的溫度響應(yīng)特性：N越大、L．越短、刻紋深度越深

(即6。／6。的數(shù)值越小)、金屬敷層材料線脹系數(shù)a的數(shù)值越大，隨溫度f(wàn)的增加輸出光功率減小得越快

第9頁(yè),共18頁(yè)，2024年2月25日，星期天

結(jié)構(gòu)參數(shù)和金屬材料種類(lèi)對(duì)傳感器靈敏度

在理論上，刻紋光纖溫度傳感器靈敏度與傳感器本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)、敷層材料的種類(lèi)以及溫度f(wàn)有關(guān)。對(duì)于任一傳感器，其靈敏度雖然隨溫度z增加而減小，但減小的幅度卻相當(dāng)小。這主要是由于金屬敷層材料銀和鋁的線脹系數(shù)a的數(shù)量級(jí)為10。5／℃，所以在幾百c溫度測(cè)量范圍內(nèi)，靈敏度隨溫度的變化是很小的，可近似地認(rèn)勾靈敏度不變，所以實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)量傳感器在初始溫度“時(shí)的靈敏度即可。因此可認(rèn)為：敷層刻紋光纖溫度傳感器靈敏度H與傳感器本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)和敷層材料的種類(lèi)有關(guān)，與溫度f(wàn)幾乎無(wú)關(guān)。即：

第10頁(yè),共18頁(yè)，2024年2月25日，星期天通過(guò)對(duì)具有不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和不同金屬材料種類(lèi)的傳感器的溫度響應(yīng)靈敏度研究發(fā)現(xiàn)：傳感器具有很高的靈敏度dPl／Pdt．其值可達(dá)100／℃數(shù)量級(jí)．和刻紋光纖未鍍金屬敷層時(shí)相比，數(shù)值上大了3個(gè)數(shù)量級(jí)“I。對(duì)于不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的傳感器，具有不同的溫度響應(yīng)靈敏度：N越大、L。越短，刻紋深度越深(即6。／6。的數(shù)值越小)，靈敏度將越高；同時(shí)，如果選擇線脹系數(shù)n數(shù)值大的金屬作為敷層材料，那么傳感器將具有更高的靈敏度。如表1所示。第11頁(yè),共18頁(yè)，2024年2月25日，星期天微型F—P腔干涉／強(qiáng)度調(diào)制型光纖溫度傳感器

第12頁(yè),共18頁(yè)，2024年2月25日，星期天基本工作原理為：1)由于構(gòu)成F-P腔傳感頭的光纖與毛細(xì)管的熱膨脹系數(shù)不同，傳感頭感受到的溫度與F—P腔的空隙長(zhǎng)度d有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。如果溫度的改變使得d的變化范圍在多光束干涉強(qiáng)度變化的一個(gè)極大值和極小值之間，則溫度與干涉強(qiáng)度之間有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。2)利用兩束不同干涉特性的光在傳感頭溫度改變時(shí)的不同響應(yīng)特性和相似的傳輸特性，進(jìn)行自補(bǔ)償運(yùn)算，消除光纖傳輸損耗和光源功率變化對(duì)溫度測(cè)量的影響。由圖1可以看出，傳感信號(hào)來(lái)自于F—P腔多光束干涉的反射光，由于入射光石英玻璃光纖端面上的菲涅耳反射率僅為

3．5％，可以將多光束干涉近似為雙光束干涉[5]，如圖2所示，對(duì)于光功率為j。一P(A)的入射光，由F—P腔反射回的光強(qiáng)J，為第13頁(yè),共18頁(yè)，2024年2月25日，星期天其中8—4積d／A，為產(chǎn)生干涉的相鄰光束的相位差，d為F—P腔長(zhǎng)度，取空氣折射率卵一1，R為光纖端面的反射率；L為耦合器C。到傳感頭的光纖長(zhǎng)度，口(A)為光纖的損耗系數(shù)；M。，為耦合器C。由入射端1到出射端1的分光比，在光源光譜范圍內(nèi)，可認(rèn)為耦合器的分光比與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。發(fā)光二極管發(fā)光屬于自發(fā)輻射，光譜的線型近似于高斯型，其輸出光功率按頻率分布可表示為第14頁(yè),共18頁(yè)，2024年2月25日，星期天第15頁(yè),共18頁(yè)，2024年2月25日，星期天這是一種反射式的探頭，紫外光經(jīng)輸入光纖照射到前方的熒光粉上，熒光粉受激激發(fā)的可見(jiàn)光光譜的某些譜線的強(qiáng)度會(huì)隨著熒光粉所處溫度的變化而變化［!］，因此，只要測(cè)出某條發(fā)射光