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2013级，光学工程，林晓露
摘要：本文讲述一种成本低，且具有很高温度灵敏度的光纤传感器，带有涂覆层的单模光纤被弯曲成“液滴”状后，当光经过该段弯曲光纤，部分光会进入涂覆层，由于涂覆层的折射率高于外界空气和光纤包层，所以进入涂覆层的光中可以满足全反射原理，部分进入涂覆层的光以高阶模式的形式在涂覆层中传播，最终与纤芯的基模干涉产生干涉条纹。由于纤芯的材料与涂覆层的材料之间具有很大的热光系数差异，导致该传感器呈现出较高的温度灵敏度。同时由于涂覆层本身就具有对光纤的保护作用，所以也使得该传感器较一般的裸光纤传感器 较为结实耐用。
关键词: 单模光纤;光纤传感;温度测量
温度是冶金、钢铁、焊接、化工等行业进行质量控制和确保顺利生产的重要参数。传统的测温方法有热电偶法和光学高温计法。热电偶法是接触式测温，如用铂铑热电偶，钨铼热电偶等，探头置于被测环境中，温差电压经电路转换后在仪表上直接显示温度，高温烧结炉多用这种方法。这些温度传感器尽管操作方便，性能稳定，但是因为接触式测温，热电偶冷热端距离远，体积大，而且采用稀有的贵重金属，造价昂贵，使用寿命短。光学高温计法是接触式测温，通过比较辐射源的温和灯丝温来测定温度，或者发射一激光束，通过被测体的反射束来测温。而光纤温度传感器较其它测温仪具有测量精度高，抗电磁干扰，体积小，可自由弯曲等优点，可应用于易燃易爆，空间狭小，直接瞄准有困难的场合，因而受到了广泛地重视
1 光纤温度传感器现状
随着光纤传感领域的研究不断深入，目前出现了许多基于光纤的温度传感，光纤本身的优
势也让光纤温度传感被广泛关注和研究。目前所知的光纤温度传感器主要基于以下几类光纤：（1）经飞秒激光器微加工的光纤；（2）细芯及普通单模光纤；（3）多模光纤；（4）光纤光栅；（5）光子晶体光纤等。对于用飞秒激光器加工的光纤，由于加工所用的飞秒激光加工系统本身的各种指标要求较高，且成本较高，所以其实现的难度和普及程度都给实验带去了不少的困难，文献[1]所描述的该类传感器的灵敏度只能在150pm/里氏木霉℃以下，多模光纤通过与单模光纤“串联”而成的，利用激发出的包层模与纤芯基模之间形成的干涉用于温度传感，文献[2]中所述其灵敏度一般都在100 pm/℃以下，且传感器的结构很脆弱容易被破坏。光纤光栅中的布拉格光纤光栅温度灵敏度仅有10 pm/℃左右，长周期光纤光栅温度灵敏度可以达到100 pm/℃左右，然而它对外界折射率也很敏感，即有较高的交叉灵敏度。普通的裸单模光纤的话，目前所知灵敏度也仅在100 pm/℃以下，至于光子晶体光纤本身对温度不敏感，最近所从事的研究通常是通过在光纤中灌入酒精等，高热光系数的液体来提高其温度灵敏度，目前可达几个甚至几十纳米每摄氏度[3,4]。 伸缩杆2 uuu16基于宏弯带涂覆层单模光纤的温度传感器
2.1 传感头制作
如图一所示，将一段普通单模光纤弯曲成“液滴”状，然后在光纤
的缠绕部分用胶水粘合即可。但是光纤的弯曲程度上有一定的要求，弯
区过少和过渡都会因涂覆层中的干涉模式能量过少或传输损耗过大，且
纤芯能量过低而引起干涉峰对比度小而无法进行实验。图一中所示的传
感头为后续实验中所用，其半圆环曲率半径约为3.6mm。粘合所用胶水
图一、传感器实物图
这里选用了固化较快，硬度较高的502胶。2.2 实验原理与结果。
如图二所示为实验示意图，从制作完成的传感头的一个光纤端输入宽带光，在另一个光纤端接上光谱仪。当宽带光经过弯曲最严重的半环结构处，纤芯中的光有一部分经过包层传输至涂覆层，当然也有部分光在包层中，然而包层的折射率低于纤芯和涂覆层，包层中的光无法满足全反射条件，在传输过程中逐渐损耗光。而涂覆层的折射率同时高于空气和包层，在其中的光可以满足全反射条件，使得其中的部分光以高阶模式通过全反射的方式在涂覆层中传播。该传感头为一对称结构，显然根据我们所知的光路可逆原理，在半环的另一端涂覆层中的光将重新耦合回纤芯，并与纤芯中的基模发生干涉。实验中我们利用TEC温控板对温度进行调节，其控温精度可达0.05摄氏度。
2.2.1 理论推导
按照上述的实验原理，可以将该实验简化理解为一个一般的马赫曾德干涉仪。即认为光在光纤中传输时被分为纤芯中的基模和涂覆层中的高阶模，最后这两个模式在输出端的单模光纤发生干涉。于是我们可以得出简化的干涉光强公式：
光盘封套（1）
其中I，Icore，Icoating分别表示总光强，纤芯中模式光强，涂覆层中模式光强；L表示整个干涉仪的有效长度（长度与半环周长接近），△植物水neff为纤芯和涂覆层有效折射率差。
由（1）式可以推知温度灵敏度公式：
（2）
其中=5.5×10-7表示光纤的热膨胀系数，≈-1×10-4表示纤芯和涂覆层的热光系数差异。从公式中可以发现，在传统的裸光纤温度传感器中由于干涉模式分别在纤芯和包层中传输，而这两种材料基本一致，其热光系数差值很小，约等于0，当光在纤芯和涂覆层中传输时，由于材料之间的巨大差异，其热光系数差值有个质的提高，同时由于热膨胀带来的温度灵敏度~50pm/℃。所以裸光纤制成的光纤温度传感器很难在灵敏度上面得到提升。
2.2.2 实验结果
图三所示为通过TEC改变温度后，在光谱仪上采集到的不同温度下的光谱图，并利用orginpro软件处理所得。在图中可以发现当温度升高时光谱出现了蓝移，这个与上面的理论分析相符。进一步对其干涉峰的波长漂移进行线性拟合得到，这个半环曲率约为3.6mm
的传感器的温度灵敏度为2.40nm/℃，这个灵敏度较传统的裸单模光纤传感器来说提高了几百倍，将普通单模光纤的各种结构参数带入（2）式，可得理论上该温度传感器的温度灵敏度为2.91 nm/℃，在允许实验误差范围内，认为基本与实验结果相符。同时由于所用的材料成本低，且传感器制作简单。我们认为该传感器对于一些特殊领域的温度测量将很有帮助。
3 结束语
本文介绍了一个成本低，制作简单，且具有很高灵敏度的光纤温度传感器。从理论上分析了该传感器高灵敏度的内在原因，并通过温度测量实验佐证了理论分析结果。
致谢 在此,我向对本文的工作给予支持和帮助的谢江磊师兄,在师兄的协助和认真指导下，使该工作得以圆满完成。
参考文献:
[1] L. Yuan, T. Wei, Q. Han, H. Z. Wang, J. Huang, L. Jiang, and H. Xiao, “Fiber inline Michelson interferometer fabricated by a femtosecond laser,” Opt. Lett. 37, 3753-3755 (2012).
[2] Y. Liu, and L. Wei, “红外线烤箱Low-cost high-sensitivity strain and temperature sensing using graded-index multimode fibers,” Appl. Opt. 2516-2519 (2007)
[3] W. W. Qian, C. L. Zhao, S. L. He, X. Y. Dong, S. Q. Zhang, Z. X. Zhang, S. Z. Jin, J. T. Guo, and H. F. Wei, “High-sensitivity temperature sensor based on an alcohol-filled photonic crystal fiber loop mirror,” Opt. Lett. 36, 1549 (2011).
[4] Y. Peng, J. Hou, Y. Zhang, Z. H. Huang, R. Xiao, and Q. S. Lu, “Temperature sensing using the bandgap-like effect in a selectively liquid-filled photonic crystal fiber,” Opt. Lett. 38, 263-265 (2013).
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