基于螺旋式光纤环输出光斑旋转的温度传感器

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1、基于螺旋式光纤环输出光斑旋转的温度传感器　　摘要：采用将传感光纤绕制在螺旋型调制器上的方法，设计了一种基于光斑旋转角度调制的新型光纤温度传感器。根据螺旋型调制器所处环境温度的变化会使传感光纤产生双折射效应，从而使出射光斑发生旋转变化的原理，通过CCD获得不同温度下的出射光斑图像的变化情况以及利用MATLAB对所得数据进行处理，可以探测出温度变化与出射光斑旋转角度的关系，达到对温度间接测量的目的。实验证明，光斑旋转角度与温度变化在一定范围内有很好的线性关系，而且该传感系统灵敏度也比较高。　　关键词：光纤传感；双折射效

2、应；温度变化；光斑旋转　　中图分类号：TP212.1文献标志码：Adoi：10.3969/j.issn.1005-5630.2017.02.006　　文章编号：1005-5630（2017）02-0034-05　　引言　　光纤测温是20世纪70年代发展起来的一项新兴测温技术，光纤温度传感器是一种新的测温器件。光纤温度传感器主要可以分为分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、光纤荧光温度传感器、干涉型光纤温度传感器、基于弯曲损耗的光纤温度传感器[1-2]。它们虽然相比于传统的温度传感器具有灵敏度高、重量轻、体积小、

3、多用途、对被测介质影响小、抗电磁干扰、耐腐蚀、易于组网等优点，但是这些温度传感器结构都比较复杂，成本比较高。　　当光在单模光纤中传输时，光会根据光纤的几何形状与折射率分布以一定的模式进行能量传播[3]，在光纤末端能够得到一定形状的光斑图形。当外加的信号改变光纤几何形状或者折射率分布时，例如弯曲光纤或者扭转光纤，原来的光能量分布状态被打破，光又会根据新的条件重新进行能量分布，光纤末端的光斑图形也会随着改变。根据这一特性，人们可以通过探测光纤末端的光斑图形变化来测量外加的信号。这种基于光纤光斑图形的传感器可以做成测量位

4、移、压力、温度等传感器[4]，相比于其他传感器此传感器的优点是结构简单，成本低，对光源要求低，测量范围大。本文研究的是一种基于光斑旋转角度调制的光纤温度传感器。　　1实验原理及系统结构　　单模光纤在不受外力影响的情况下，光在光纤中的传输模式由两个偏振方向互相垂直的x向模与y向模组成。但是当光纤发生弯曲时，光在弯曲部分要保持同相位的电场和磁场在一个平面里，则越靠近外侧其传输速度就越大，当传到某一位置时，其相速度就会超过光速，这意味着传导模要变成辐射模，这样，弯曲光纤中所承载的模式比直光纤中少，弯曲光纤的曲率半径决定了

5、光纤承载的有效传导模式数量，且曲率半径越小损耗越大，其在光纤中传输的模式就越少[5]。因此单模光纤在正常情况下只有基模传输，在本实验中将一段光纤绕成一个光纤环，由于弯曲损耗改变了激光在光纤中传输模式的数量，通过改变光纤圈直径大小，可以获得实验所需要的低阶模式，如LP01模、LP11模和LP21模等。　　在?@得稳定的光斑模式图像后，通过控制温控箱从而改变螺旋型传感光纤所在的环境温度。温度对光纤参数的影响主要有3个，即光纤孔径、光纤长度和折射率，其中温度对光纤孔径的影响可以忽略不计。单模光纤不受外界环境影响时，折射率

6、分布具有圆对称分布的特点，当光纤弯曲时会引起单模光纤双折射率的提高，而弯曲引起的双折射率对外界温度变化比较敏感[6]，所以随着温度的变化，导致螺旋型光纤折射率分布的各向异性，将产生双折射效应[7]，使得x方向偏振和y方向偏振的模式具有不同的传输常数，模式之间发生了能量的转换，使得激光在光纤中传输光模式发生了变化，导致出射光斑的分布发生变化，从而引起出射光斑图像的旋转。当光纤绕成一个恒定半径螺旋型线圈同时光纤的弯曲半径减小到某一临界值时，光纤的双折射效应就会更明显。温度的变化同时也会使得弯曲损耗发生变化[8]，进而使

7、得光斑的强度发生变化，弯曲损耗系数关于温度变化的函数为　　式中：U（ΔT）为归一化横向相位参数；W（ΔT）为归一化横向衰减参数；ΔT为温度的变化量；β为光波传播常数；α为芯区半高度；v为归一化频率；R（ΔT）为光纤的弯曲半径。　　随着温度的变化，使得螺旋型光纤的折射率分布发生变化，光纤中全反射的条件因此受到破坏，进而产生双折射效应。由于双折射效应使得光纤各个传输光模式的传输常数发生变化，导致传输光模式分布的改变，同时弯曲损耗发生变化，导致输出光模式的能量发生转移，最终使得出射光斑图像发生变化。通过检测光斑图像的变化

8、，可以达到对温度测量的目的。　　实验装置如图1所示，氦氖激光器发出的光经过聚焦透镜后耦合进入单模光纤（SMF28（TM）），激光经过光纤环（光纤环的作用是空间滤波，选择需要的光模式），再经过螺旋型调制器（螺距固定为3mm，调制器直径可调节），如图2所示，传感光纤绕制在螺旋型调制器（金属丝作用是固定传感光纤）上，将螺旋型调制器放置在温控箱中，通过温控箱控制传感