硬塑料包层光纤构成的多功能光纤传感器

梁诗琪，龙鑫悦

1.北京师范大学，广东珠海，519087；
2.北京科技大学，北京，100083

光纤传感器属于新型传感器，具有体积小、抗腐蚀等多种性能，可以进行分布式测量，易于多用复用。光纤传感器在现代科学技术的快速发展下，功能越来越多，其构成原理为Mach-Zehnder干涉，这类传感器可以对环境温度与折射率进行同时测量，且能对折射率的交叉敏感问题予以解决。因此，对于硬塑料包层光纤构成的多功能光纤传感器的研究具有重要的理论与实践意义。本文就硬塑料包层光纤构成的多功能光纤传感器展开分析，探讨其具体原理与构造，并能指出优势，为其有效应用提供支持。

硬塑料包层光纤（HPCF）的纤芯直径相比于普通单模（SMF）的纤芯直径要大，一般为200μm，HPCF在连接过程中在与SMF耦合时更具容易，损耗在传输过程中较低。同时包层在HOCF外面，厚度仅仅为30μm，当在外界环境中暴露HPCF的包层时，外界温度与折射率的变化将更为敏感。在本文研究中，所研究的光纤传感器精度更高，且结构相对比较简单。SMFHPCF-SMF纤芯构成的传感器，其纤芯失配问题在SMF与HPCF耦合时产生，这样就会让MZI形成，所以在测量温度与折射率时可以使用干涉仪构成的光纤传感器同时进行。

1.1 原理

输入SMF、HPCF等共同构成光纤传感器，输入SMF输入到HPCF时，就会由于二者的直径不匹配，从而在HPCF的不同方向中传播光。在HPCF纤芯内，不同光模式传播路径不同，光程差的产生也会不同，干涉图谱就会在输出端形成。输出谐波谷对应的特征波长可以按照光学基本原理进行计算[1]。

光纤中传播光时，既有纤模也会有包层模存在。HPCF的纤芯相对较大，包层厚度较薄，包层模倏逝场在塑料包层中，包层外的介质中特别容易延伸出倏逝场，包层的有效折射率会受到环境折射率变化的影响，从而影响纤芯的有效折射率。对于输出光谱的谐振峰值波长随外界折射率的变化关系如下：

外界环境温度变化但其他量不变时，在光纤弹光与热光效应下，光纤纤芯与包层的有效折射率会随和温度的变化发生变化[2]。HPCF的包层薄，但是纤芯较厚，这时纤芯的有效折射率会受到外界环境温度的影响，而包层的有效折射率会受到更大的影响。光谱谐振峰值波长在外界环境温度的变化下所呈现出的关系为：

对上面公式进行整合，可以得到传感器的测量系数矩阵：

按照光的干涉理论，干涉仪中谐振峰波谷的波长在满足相应条件时，可以使用下面的公式进行计算：

光纤纤芯与包层之间的应变差可以使用下面的公式进行计算：

纤芯与包层的有效折射率差可以使用下面的公式进行计算：

式中：k为应变折射率系数。

干涉仪中谐振峰波谷的波长可以表示为：

同时，也要确定传感器的光强传感参数，具体为：

1.2 传感器的制作与透射谱测量

光纤为国内某个公司生产的，选择普通标准SMF，其中纤芯直径、包层直径分别为8.2μm、125μm；
HPCF选择HP2140-A，纤层直径、包层分别为200μm、30μm。HPCF在电噪声环境中适应性较强，其构成如图1所示[3]。

图1 HPCF结构图

在制作光纤传感器期间，要输入SMD与一段较长的HPCF与输出SMF正对熔接在一起，采用的熔接机为智能光纤熔接机[4]。在宽带光源上介入输入光纤，在光谱分析仪上介入输出光纤，对输出的光谱进行仔细观察。当输出光谱不够理想时，将位于输出端的HPCF切掉一部分，然后再将输出SMF重新熔接上[5]。通过多次试验操作，得到透射光谱较好的部分。图2为得到的传感器透射光谱，会有两个谐振dip1与dip2出现，且二者的对应特征波长分别为1357nm、1562nm，峰值的强度分别为14.5dB、14.1dB。HPCF在传感器中的长度为1.5m，传感器长度并不长[6]。

图2 不同折射率下传感器的透射光谱

将制作好的传感器输入端与BBS在室温下链接，并连接输出端与OSA。采用SLD作为BBS的光源，波长的输出范围为650～1650nm。选择日本横河公司生产的额型号为AQ6370D光谱分析仪，波长的测量范围、最小分辨率分别为600～1700nm、±0.1nm。在实验时要求将传感器光纤拉直，采用的设备为可移动夹具，为对其进行固定可以使用支架台[7]。在水槽中浸入传感器部分，将不同浓度的NaCl加入水槽中，对NaCl溶液的浓度进行改变，然后对传感器周围折射率值的改变进行模拟。水槽中NaCl进行逐渐改变，并让浓度维持15min，然后对传感器的透射光谱进行测量，将波谷波长与环境折射率之间的变化关系予以明确[8]。

通过实验得到外界折射变化引起的波长波谷变化，其中dip1的线性拟合度R2、dip2的线性拟合度R2分别为0.996、0.991。波谷波长与外界环境折射之间的线性关系较好，波谷波长在外界折射率变化时也会变化，且变化较大，说明具有较高的灵敏度，波谷dip1、dip1的折射率测量灵敏度分别为39.18nm·（RIU）-1、52.56nm·（RIU）-1。

BBS、OSA等共同组成温度试验装置，合肥科晶公司生产的型号为GSL-1600X的温度炉，其能将温度精度控制在±1℃。先在温度炉内将传感器部分放入，传感器光纤需使用固定平台与移动平台拉紧与固定牢固，避免传感器光纤水平出现弯曲，BBS与SMF相连，输出光纤与OSA相连。炉内温度可以使用控制器进行控制，温度从15℃提升到120℃，然后再降下来。传感器的透射谱数据需间隔10℃记录一次。波谷在温度提升过程中，会出现红移现象，且比较明显。波谷波长变化是由外界环境温度变化引起的，dip1的线性拟合度R2为0.977、dip2的线性拟合度R2为0.970。dip1、dip2的温度灵敏度分别为12.0pm·℃-1、13.3pm·℃-1。外界环境温度与折射量在测量时，可以使用波长调制法，这样就可以得到dip1的折射率灵敏度为39.18nm·（RIU）-1，dip2的折射率灵敏度为52.56nm·（RIU）-1。测量矩阵可以通过矩阵理论得到，具体如下：

测量的折射率与温度值可以通过逆矩阵获取。

全光纤结构Mach-Zehder干涉仪光纤传感器是由SMF-HPCF-SMF熔接构成，外界环境折射率与温度会对传感器透射谱的两个谐波振峰值波长产生影响，折射率和温度测量时可以利用波长调制法与矩阵理论同时进行测量。在实验后得到的结果如下：dip1和dip2的温度分别为12.0pm·℃-1、13.3pm·℃-1；
dip1的折射率灵敏度为39.18nm·（RIU）-1，dip2的折射率灵敏度为52.56nm·（RIU）-1。因为传感器的体积小、制作方便，且成本相对较低，所以得到了广泛的运用，主要运用场景为医学、生物等领域。