a于FP腔的干涉强度调制型光纤温度传感器.docx
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a于FP腔的干涉强度调制型光纤温度传感器
第32卷第2期2005年2月
中国激光
CHINESEJOURNALOFLASERS
V01.32,No.2
February,2005
文章编号:
0258—7025（200502—0228一04
基于F—P腔的干涉/强度调制型光纤
温度传感器
张桂菊,于清旭,宋世德
（大连理工大学物理系,辽宁大连116024
摘要介绍了一种基于非本征F-P腔的干涉/强度调制型光纤温度传感器。
宽谱光源发光二极管（LED发出的光经过2×2耦合器C。
传给F_P传感头,传感头返回光信号再次经过耦合器C,及c。
后分成两路,一路直接传给光电探测器D。
另一路经过窄带滤光片再传给D:
光信号经光电转换及放大后由计算机采集处理。
给出了采用不同谱宽的两路光信号进行自补偿运算和温度测量的理论模型,并简单分析了影响这一温度传感器长期稳定性的原因。
实验中利用Levenberg-Marquardt非线性拟合得到与理论模型符合很好的温度定标曲线。
该传感器在20~200℃量程内,温度变化最小分辨率达到o.1℃,长期测量精度达到±o.2℃。
关键词光纤光学;光纤温度传感器;F_P腔;干涉/强度调制;自补偿
中图分类号TN253文献标识码A
FiberopticTemperatureSensorBasedonF—PCaVity
Interferometric/IntensityModulationMechanism
ZHANGGuHu,YUQing—xu,SONGShi—de
（P^ysifsDP户口r￡ⅢP村f,Dnzi口九U‰iuPrsi￡yo,Pofy￡Pf^”ozogy,Dn2inn,Lino”i”g,116024,C^i”n
AbstractAfiberoptictemperaturesensorbasedonextrinsicFabry—Perot（F—Pcavityinterferomet“c/intensitymodulationmechanismisdescribed.Thelightfromalight—emittingdiode（LEDiscoupledintoa2X2multimode
fibercouplerC1andpropagatestotheFLP
sensorhead.Thelightreflected
fromtheF—PcavityisrecoupledintoCl,andthenthroughanotherfibercouplerC2the1ightisdividedintotwobeams.（nepropagatestooptoelectronicdetectorDlandanotherthroughnarrowfilterpropagatestodetectorD2.Thetwosignalsaretransportedtothecomputerthroughtheoptoelectronicconversionandamplifiercircuit.Atheoreticalmodelforthetemperaturecalculationandself—compensationhasbeenworkedout。
whichgivesoutthecompensatedintensityexpressionontheFLPcavity1ength,spectralwidthofthe1ightsourceandbandpassfilter.Thetemperaturecalibrationcurvewasobtainedbyfittingtheexpe“mentdatatothetheoreticalmodelwithLevenberg—Marquardtalgorithm.Aminimumtemperatureresolutionof0.1℃andlongtermaccuracyof±O.2℃wereobtainedoveratemperaturemeasurementrange
of20~200℃.
Keywordsfiberoptics;fiberoptictemperaturesensor;F—Pcavity;interferometric/intensitymodulation;sel卜comDensatiOn
1引言
光纤温度传感器具有抗电磁干扰、电绝缘性能好等优点,适用于传统温度传感器难以胜任的某些恶劣环境下的温度测量。
近十年来,各种类型的光纤温度传感器相继出现‘1￣…,但多数存在着结构复
收稿日期:
2003—11一lo;收到修改稿日期:
2004一08—30
基金项目:
国家自然科学基金海外青年学者合作研究基金（60028505资助项目。
作者简介:
张桂菊（1977一,女,江西上饶人。
大连理工大学物理系应用物理所光学工程专业博士研究生,主要从事光纤传感器与光电器件方面的研究。
E-mail:
peterssd@
万方数据
2期张桂菊等:
基于F—P腔的干涉/强度调制型光纤温度传感器229
杂、测量精度低、易产生长期漂移等问题,难以满足实际应用的要求。
基于非本征F—P干涉仪的白光干涉型光纤传感器研究近年来有实质性的进展,能够达到很高的测量分辨率和精度一],但其复杂的波长解调装置使得系统的制造成本十分昂贵。
本文从实际应用需要出发,设计研制了一种基于非本征F—P腔的干涉与强度调制结合型光纤温度传感器,对该传感器的信号解调制和自补偿机理进行了深入的研究。
2系统组成与工作原理
2.1系统组成
基于F—P腔的干涉/强度型光纤温度传感器系统如图1所示。
系统由四部分组成:
宽谱发光二极管（LED光源及其恒温、恒流控制电路,PIN光电探测放大电路和计算机信号采集处理系统,传光光路及感知温度信号的微型F—P传感头。
光源发出的光经过2×2耦合器C,和200m长的光纤传给F—P腔传感头,由传感头反射回的信号再次经过C。
后传至2×2耦合器C:
C:
两路输出中的一路直接送给探测器D。
另一路经过一窄带滤光片后送到探测器D。
光信号经D。
D:
转换放大后由计算机采集处理。
传感头采用非本征型F—P腔结构,利用激光微加工技术将两根多模光纤与石英毛细管熔接在一起,两根光纤的垂直端面和空气隙形成F—P腔。
系统采用发光二极管作为宽谱光源,其中心波长为850nm,半峰全宽（FWHM约50nm,最大输出功率约100”w。
图中干涉滤光片中心波长与光源相匹配,输出光谱宽约8nm。
图l基于F_P腔的干涉/强度型光纤温度传感器系统Fig.1Schematicdiagramoftheinterferometric/
intensity-basedF—Ptemperaturesensingsystem
2.2温度测量和自补偿原理
微型F—P腔干涉/强度调制型光纤温度传感器的基本工作原理为:
1由于构成F-P腔传感头的光纤与毛细管的热膨胀系数不同,传感头感受到的温度与F—P腔的空隙长度d有一定的对应关系。
如果温度的改变使得d的变化范围在多光束干涉强度变化的一个极大值和极小值之间,则温度与干涉强度之间有一一对应关系。
2利用两束不同干涉特性的光在传感头温度改变时的不同响应特性和相似的传输特性,进行自补偿运算,消除光纤传输损耗和光源功率变化对温度测量的影响。
由图1可以看出,传感信号来自于F—P腔多光束干涉的反射光,由于入射光在石英玻璃光纤端面上的菲涅耳反射率仅为3.5%,可以将多光束干涉近似为双光束干涉[5],如图2所示,对于光功率为j。
一P（A的入射光,由F—P腔反射回的光强J,为
,一2Rf、P（AMlllo叫^‘（1一cos艿m,（1其中8—4积d/A,为产生干涉的相邻光束的相位差,d为F—P腔长度,取空气折射率卵一1,R为光纤端面的反射率;L为耦合器C。
到传感头的光纤长度,口（A为光纤的损耗系数;M。
为耦合器C。
由入射端1到出射端1的分光比,在光源光谱范围内,可认为耦合器的分光比与波长无关。
发光二极管发光属于自发辐射,光谱的线型近似于高斯型,其输出光功率按频率分布可表示为
P（叫一P。
exp[一（叫一叫。
2/B2],（2其中B—y/（2￣/ln2,圆频率叫一2耵/A,叫。
为中心频率。
对于谱宽为从的输入光,半峰全宽y一2觚从/（Ai一从2。
图2光纤F—P腔模型
Fig.2SchemeofthefiberF—Pcavity
耦合器C:
的其中一路光经过一窄带滤光片到达探测器D:
滤光片的透过光谱呈高斯型分布,峰值透过率为F;半峰全宽为y1。
引入叩,,啦分别为探测器D,和D。
的光电响应率与对应电信号放大率的乘积。
由于光纤损耗系数以及光电探测器响应在光源光谱范围内是波长的缓变函数,可作为常量处理。
由此可以得到宽谱通道U和窄谱通道V:
两路电压信号分别为
V1—2RPoIexp[一（∞一∞o2/B2]10q“%儿×
√Ⅲ
・
MllMl2N11扔[1一cos（2卅/c]幽,（3V2—2RP。
IFexp[一（叫一∞。
2/B;]10_2“%儿×
万方数据
230
中国激光32卷
M11M12N12啦Ll—cos（2捌/fJ幽,（4
式中B;一（器’Bl_yl/（2湎.M㈨N1l
和N。
。
分别指光由传输光纤经C。
耦合回到2端的分
光比以及C:
耦合器1端分别到输出端1和2的分光
比。
计算（3,（4两式的积分,得到两路电压信号
的表达式
V。
=叫,一exp（_卯cos（等],㈣
V。
=玩[・一eXp（叫ms（等],㈣
其中
¨一2B腼P。
10嘞‘‰¨M。
M12N--叩-（∞。
（7
玑一282√iFRP010一2a‘‰’‘M1lMl2N12啦（∞o,
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d2丌2猷2
面汜再i歼了’
（8
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q2一掣,（10q。
一面’。
1u’耻净一川u
式中志为与光源功率及光纤损耗无关的常数,图3茸嚣阢酊仄万==二习
墨o.2[————。
——————————。
—————.—一聪啜砬透巫磁《薰匦砬丑皿盈
图3两路干涉光强及其比值的理论图像Fig.3Normalizedintensityandintensityratiova“ation
withF—Pcavitylengthd
（a△^一50nm;（b△^2—8nm;（cnormalizedR。
（c给出（11式的理论计算图像,由图中可以看到,只要选取适当的初始F—P腔长,宽谱信号的干涉现象就会趋于消失,此时,宽谱信号与窄谱信号的比值可以简洁地表示成余弦函数
R。
一是1+志2cos（志3丁+志4,（12其中（尼。
T+愚。
为传感头感应外界温度变化导致的相位差,最。
为初相位,由初始腔长决定。
常系数是,,最。
取决于光源的中心波长、光源与滤光片的谱宽、耦合器的分光比等参数,这些参数的微小漂移问题可以通过选择低温漂器件或者采取恒温控制解决（恒温控制器件与电路控制部分同做在一个机箱内,作为二次仪表;志。
走。
不仅与光源的中心波长有关,还取决于F—P腔初始腔长及其准直毛细管的热膨胀系数、激光熔接长度等参数,当中心波长一定、传感头制作完成后,系数志。
是。
就是确定的。
显然,R。
不受光源功率和光纤损耗变化的影响。
系数值通过实验来标定,利用Levenberg—Marquardt非线性拟合求得。
由式（12可见,强度比值R。
是温度丁的余弦函数,只要d随温度变化在R。
变化的一个极大值和极小值之间,R。
和T就有唯一的对应关系,因而可以实现温度的绝对测量。
在传感头制作过程中,精确控制F—P腔长度和毛细管熔接点间的长度,可以得到不同测量范围和灵敏度的温度传感器。
图4给出了测温量程为室温到约200℃的R口一T标定曲线以及非线性拟合得到的系数。
1.5
l4
1.3
1.2
￡
1.1
1.O
O.9
0.8
20406080100120140160180200
Calibrat讪gtempc!
ra柚lre/℃
图4传感器温度标定曲线
Fig.4Temperaturecalibratingcurveofsensor
3实验结果和分析
解调方法和自补偿计算机理可以在很大程度上抑制光源功率和光纤损耗变化对温度测量结果的影响,图5给出了改变光纤传输损耗,从而改变信号强度的情况下,测得的宽、窄谱信号比值R。
。
由图可见
万方数据
2期张桂菊等:
基于卜P腔的干涉/强度调制型光纤温度传感器
当信号下降到初始强度的一半时,R。
的变化小于0.06%。
Wide-bandoutputvalue/v
图5比值随光纤弯曲损耗变化曲线
Fig.5PlotofthesystemouputR。
asfiberloss
waschangedthroughbendingofinputfiber
O153********0105
Nomaltemperaturc/℃
图6光纤F—P腔传感器与电传感器温度测量比较Fig.6ComparisonofFLPsensorresultswith
PtlOOsensorresults
实际上,影响传感器长期测量精度的主要因素是发光二极管光源中心波长的漂移。
当发光二极管的驱动电流和环境温度变化时,其光谱分布和中心波长将产生漂移;实验结果表明,发光二极管结温上升时,谱带中心波长以o.2~0.3nm/℃的比例向长波方向移动。
由前面的分析可以看出,光源的中心波长和光谱宽度的改变将使公式（12中的标定系数改变,直接影响传感器的长期测量精度。
因此该传感器系统对发光二极管进行了高精度的恒温恒流控制,电流长期稳定度为±o.02mA,温度控制精度达到±O.01℃。
传感器系统的温度测量范围和分辨率主要取决于微型F~P传感头的激光熔接间距及F—P腔间隙初始位置d。
的选择,通过选取不同的参数,在实验
中制作出一20~180。
C,20~200℃,100~300℃等不同测温范围的传感器,温度测量分辨率达到0.1℃。
经过准确定标后的温度传感器在测温过程中显示出良好的温度测量重复性和稳定性。
图6给出了该传感器经定标后,温度测量值与标准铂电阻Ptloo温度计测量值的比较曲线,横坐标记录的是Ptloo的测量结果,纵坐标是光纤F—P传感器测量值,结果表明在全量程范围内温度测量偏差仅为±0.01℃。
实验中还对该系统进行了一周以上的长期稳定性考核,结果表明该系统长期温度测量精度达到±O.2℃。
4结论
对基于非本征F—P腔干涉/强度调制机理的光纤温度传感器进行了理论和实验研究。
该传感器具有解调方法简单,对光源功率和光纤损耗变化能够自补偿的优点。
利用激光熔接的F—P传感头结构小巧、温度测量重复性好、长期稳定性好。
实验表明,在温度测量范围为20~200℃时,测量分辨率达到O.1℃,长期测量精度达到±0.2℃。
由于该传感器的小巧、耐高温、高精度和抗干扰的特点,在诸如深油井下、大型电力装置等特殊环境的温度测量中将有广阔的应用前景。
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