基于光纤光栅的温度传感器的设计

基于光纤光栅的温度传感器的设计

作者：刘学 覃翠 王淑强 何圆 刘鑫鹏 来源：《现代信息科技》2018年第11期

摘 要：系统阐述了光纤光栅的测温原理，包括温度和应力对光纤光栅反射谱的影响，研究了光纤光栅温度传感模型，对光纤光栅温度传感原理和模型进行分析。根据仿真设计出实验模型，对光纤光栅进行应力补偿封装，从而消除应力的影响。把封装好的传感器放在水浴箱中，改变水浴温度，测试光功率在不同温度下的变化情况。把光功率计换成光谱仪，测试在不同温度情况下反射光谱发生的变化，得出温度-波长曲线，从而设计出光纤光栅温度传感器模型。

关键词：光纤光栅传感器；温度传感器；光谱仿真；光纤传感

中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）11-0001-04 Design of Temperature Sensor Based on Optical Fiber Bragg Grating LIU Xue，QIN Cui，WANG Shuqiang，HE Yuan，LIU Xinpeng

（Department of Communication Engineerings，Nanjing Institute of Technology，Nanjing 211167，China）

Abstract：The temperature measurement principle of fiber grating is systematically described，including the effect of temperature stress on the reflection spectrum of fiber grating. The fiber grating sensing model is studied and the temperature sensing model of fiber grating is analyzed. An

experimental model was designed based on the simulation to stress-compensate the fiber grating to eliminate the influence of stress. Place the packaged sensor in a water bath，change the temperature of the bath，and measure the change in optical power at different temperatures. The optical power meter was replaced with a spectrometer to measure the changes in the reflected spectrum at different temperatures，and the temperature-wavelength curve was obtained. Thus，a fiber grating temperature sensor model was designed.

Keywords：fiber bragg grating sensor；temperature sensor；spectral simulation；optical fiber sensing 0 引 言

随着技术的发展，现在光纤光栅价格低廉，且不易受电磁干扰，从而在通信以及传感领域得以被大量使用。在传感领域，由于光纤光栅具有体积小、耐腐蚀、抗干扰、灵敏度高、精度高、可复用等优点，被广泛用于航空航天、医学、建筑学等领域[1-3]。

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随着现在计算光纤光栅参数各项理论依据的逐步完善和光栅制作刻写方法的逐渐成熟，光纤光栅已经从早期只有均匀周期的光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅可以使用、研究，发展到现在各种非均匀周期、具有特殊光谱特性的光栅相继出现，从而可以满足不同领域的不同需求。随着科技的发展，将来会有更多的特殊光纤光栅被研制出来。

1978年，加拿大的Hill发现掺锗光纤中光致折射率变化的现象，使芯内光栅得以问世[4]。1989年联合技术研究中心的Morey首次报道将光纤光栅用于传感，由此开始光纤光栅从单纯光通信器件拓展到了光纤传感器件的制作中，从光纤光栅传感器中获取各种参数。 现在人们逐渐意识到了光纤光栅传感技术极具潜力，越来越多的科研机构投入巨额资金和极大的精力来研发光纤光栅传感技术，并把这项技术运用到实际应用中来。现在光纤光栅传感技术是最热门的研究课题之一，目前国际上普遍认为现在光纤光栅传感技术的主要研究重点已经变成了推进光纤光栅传感器使用的实用技术的发展，从而实现更多领域的进步。

以光纤光栅为传感单元在此基础上研发制作而成的新型传感器，其传感过程可以认为是外界物理参数对光纤光栅的中心波长、带宽进行调制改变，然后对波长、带宽的改变进行解调从而得出对应的物理量。 1 光纤光栅传感基本原理

光纤光栅实际上是光纤的纤芯中因为光感导致的折射率产生变化，折射率的变化在纤芯中发生周期性的调制从而产生的一种空间相位光栅。对于一个确定长度为l的均匀光纤光栅，在纤芯内部的折射率分布大体上可以用式（1）进行描述。 （1）

其中n0是光纤纤芯中的折射率，v是折射率调制条纹可见度的变化，Δneff是光纤光栅的折射率调制中所有的直流分量，所以由上面的两个量可以了解到vΔneff是折射率调制中间的交流分量，z是折射率变化时所对应z轴上面的相位，它表示着光纤光栅的特性中的相应的相移特性或啁啾特性。 1.1 光纤光栅的理论模型

光纤是一种可以引导光在其中产生全反射从而传播光束的介质，属于介质光波导的一种类型，这种波导具有如下特点：无自由电荷，无传导电流，线性各向同性。因此，在光纤中传播的光波可以使用光的电磁理论即麦克斯韦方程组来求解，求解的方程可用式（2）表示。 ε表示介电常数，E和H分别表示光场中间的电矢量和磁矢量，μ0代表着在真空中的磁导率。

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光纤光栅是利用光敏光纤的对于特殊波长的光照射纤芯使得折射率产生变化进行调制写入的特性制作出来的。其方法是把光敏光纤放置于由特殊光形成的空间干涉条纹中进行曝光、调制，即可使纤芯中间的折射率发生改变，在相对应的空间形成相位光栅。

此方法制作出的光纤光栅的原理是：光纤纤芯的折射率发生了不同变化，进而导致光波在光纤纤芯内部的传播方式发生了改变，使得特定波长的光可以在光纤光栅内部发生耦合，此时耦合模可以求解出对应的光纤光栅传输特性。

所以在对应的曝光区内，光纤光栅的折射率分布的变化基本可以写成式（3）的样子，此时光纤光栅的纤芯半径、包层半径分别是α和β。

非均匀性主要是在Z轴上面产生渐变规律，或者在横截面上面进行折射率调制产生非均匀的分布。可以使用对光栅传播常数进行对应修正相关的修正函数ϕ（z）和表示相应的折射率调制的非均匀调制函数Δn（r）来进行分析。

这些分析可以使用傅里叶级数对折射率产生的周期变化和准周期变化进行分析，分析所得到的一般形式可写作式（4）。

可以分析求出光栅的实际折射率分布，表示应该为式（5）。

式（5）为光纤光栅的折射率调制函数，它代表着在光纤光栅传输光时的传输理论模型，是分析光栅特性和进行光栅传输计算的理论基础。 1.2 光纤光栅耦合模计算

在理想情况的光纤光栅中，光场的横向模场可表示为式（6）[4]。 （6）

其中，Am（Z）和Bm（Z）分别代表Z轴两个不同方向上的第m个模的振幅。 传播常数β的取值用式（7）表示。 （7）

λB是理想情况下的光栅描述函数，可以用式（8）描述均匀光纤光栅的布拉格方程。 （8）

1.3 光纤光栅传输矩阵

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根据上一节对于耦合模的研究，可以知道在普遍情况下使用模耦合理论进行计算分析会较为复杂，在大多数情况（例如计算均匀布拉格光栅）下，这个计算分析的过程都可以得到适当的简化[5]。除了使用模耦合理论进行计算分析之外，我们还可以利用传输矩阵计算不同的光纤光栅（均匀、相移、啁啾、超结构等）的传输特性或者使用不同光纤光栅进行级联后这一段系统所具备的传输特性。 1.3.1 光纤光栅传输矩阵理论

对均匀的光栅，传输矩阵应该具有分段不变特性，就是把均匀的光纤光栅作为一个整体进行计算时和分解成不同的个体分析计算时所得到的计算结果应该是一致的。分段计算时，可看成很多段均匀光栅计算分析，前一段光栅所求解出的输出就是后一段光栅当前的输入。该方法可以分别用模耦合方法求出每段的解，然后一起合并求出整段光栅的解。 1.3.2 光纤光栅传输的级联方法

和传输矩阵法计算光纤光栅相类似，级联是光源所发出的光先通过一段光纤光栅后，不是进入下一段光纤光栅而是先通过了一段正常的光纤（没有写入光栅），然后再通过下一段光纤光栅，此时的光纤光栅可以是不同的。所以利用传输矩阵计算级联光栅时不能直接使用上面章节所用的传输矩阵，而是需考虑正常光纤产生的作用对光纤光栅产生的结果有无影响。级联光栅的计算方法在光栅的分布式复用中需要使用。根据文献[5]所知级联光栅的计算因素和普通光纤的因子无关。

2 光纤光栅温度传感仿真模型

2.1 通过RSOFT软件进行光纤光栅反射波谱仿真

RSOFT软件是著名的光学仿真软件，给使用者提供了一套完整的光学解决方案。此软件提供了一系列的仿真套件，其中就有GratingMOD这个简单的光栅仿真工具。我利用这个工具很容易地生成一段光纤光栅。仿真结果如图1所示。

更改Symble之后，仿真图更加清晰直观，结果如图2所示。 2.2 MATLAB仿真实验 2.2.1 MATLAB反射波谱仿真图

定义默认室温为0摄氏度，初始的温度设定为0摄氏，每隔10摄氏度绘制一张光纤光栅的反射波谱。从0摄氏度开始，此时绘制出的曲线如图3所示，50摄氏度时候的反射曲线如图4所示，100摄氏度时候的反射曲线如图5所示。 2.2.2 MATLAB仿真分析

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可以很明显地看出波峰发生了偏移。随着温度的逐渐升高，波长慢慢在向长波长方向偏移。由此可以通过一个中心波长计算出温度-波长敏感曲线随着温度的逐渐升高，波长慢慢在向长波长方向偏移。由此可以通过一个中心波长计算出温度-波长敏感曲线，把所有中心波峰数据收集起来，数据如表1所示，绘制曲线如图6所示。 3 不同温度下温度传感测量 3.1 光纤光栅温度传感器的封装

管式封装是用光纤光栅埋入毛细管，并且施加预应力，接下来用环氧树脂进行封口，然后固化一段时间后封装完成，封装完成后的传感器应当如图7所示。

光纤光栅穿过毛细钢管内部，并且预先施加一些初始应力，两端使用环氧树脂进行固定封装，环氧树脂固化后，剪去某一端的光纤。根据文献[6]所述，此封装即为应力补偿型封装。 3.2 温度-光功率实验 3.2.1 实验平台的设计和搭建

由于测试的都为反射波谱，所以需要一个光环形器进行分光调制，光环形器可以使任何一个端口输入的光波，都能按说明书所标示的数字顺序从下一端口以极小的损耗输出（理想情况为0损耗），而该端口通向其他所有端口的传输损耗极大，以此构成了不相通端口，即输入光环形器的光只会从下一个端口输出，对上一个端口的输出不产生影响。

根据光环形器的相关特性，搭建实验平台，设计的平台框架应当如图8所示。

根据框图搭建实验平台进行测试，调整光衰减器到合适的光功率读数，然后打开水浴箱加热，每隔5摄氏度读取一次光功率数据，并且记录下来，最后汇总并绘制成温度-光功率曲线。

3.2.2 实验数据的处理和分析

由于室温较高加上水浴箱的降温比较慢，我取了从95℃下降到60℃的8组数据进行统计对比，从8组数据中选取符合相关曲线的一组，数据如表2所示，绘制曲线如图9所示。 3.2.3 温度-波长实验数据和MATLAB仿真结果对比分析

对光纤光栅温度传感器进行了测试，并且分析了测试结果，使用MATLAB对光纤光栅在温度影响下的波长变化进行了仿真分析，得出的图都是一条平滑的直线，最后曲线方程的斜率比仿真的大，这也就意味着实际封装的传感器灵敏度比仿真时的要高。

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光纤光栅在受热后会发生长度形变和波导改变，进而导致光栅相位和折射率发生改变，从而实现了信息的调制输入。 参考文献：

[1] 董孝义，袁树忠，开桂云，等.全光纤光子集成器件及系统 [J].物理学进展，2001（3）：303-316.

[2] 倪凯.光纤光栅制备及传感应用研究 [D].杭州：浙江大学，2011.

[3] 苏福根.光纤布拉格光栅在传感中的应用研究 [D].北京：北京邮电大学，2013. [4] HILL KO，FUJII Y，JOHNSON DC，et al. Photosensitivity in optical fiber waveguides：Application to reflection filter fabrication [J].Applied Physics Letters，1978，3（10）：647-649. [5] 曾祥楷，饶云江.Bragg光纤光栅傅里叶模式耦合理论 [J].物理学报，2010，59（12）：8597-8606.

[6] 张自嘉，王昌明.光纤光栅传输矩阵研究 [J].光子学报，2007（6）：1073-1077. 作者简介：刘学（1997-），男，汉族，黑龙江齐齐哈尔人，本科。研究方向：光电信息科学与工程。