长周期光纤光栅强度型温度传感研究

1、第28卷第4期1999年4月ACTA光子学报PHOTONICASINICAVo1128No14April1999长周期光纤光栅强度型温度传感研究刘云启葛春风赵东晖刘志国郭转运董孝义(南开大学现代光学研究所,天津300071)谭华耀(,摘要对长周期光纤光栅,测得的温度灵敏系数为01086nm ,812倍1以LPG作为传感,研究了LPG的强度型温度传感特性,在,激光透射光强的对数与待测温度的关系具有良好的线性和重复性温度测量的分辨率可达0111关键词长周期光纤光栅;强度测量;温度传感器0引言近年来光纤光栅在光传感1方面的研究越来越引起人们的重视,光纤光栅传感器可以分为两类:布喇格光栅(FBG)型和

2、长周期光栅(LPG)型,到目前为止,绝大部分的研究工作都集中在FBG型传感器方面1但是FBG型传感器由于存在温度和应力灵敏性较低、需要复杂的波长解调技术等缺点,在实际应用中具有一定的局限性,而LPG型传感器则可以很好地解决这些问题,因2此,自从1995年A1M1Vengsarkar等人在光纤中成功地写入长周期光栅以来,有关长周期光栅的研究工作引起了广泛的关注,国外已有多篇有关LPG型传感器的研究报道351V1Bhatia等人3感测量的重复性良好,进一步提高性能则可成为一种实用的传感设计方案11LPG强度传感原理长周期光栅是一类新型的光纤光栅,它的周期一般大于100m,其基本的传光原理是将前向传

3、输的基模耦合至前向传输的n阶包层模中,在传输一段距离之后被衰减掉1当光纤包层模与外界环境相互作用时,环境因素的变化将对光纤的传输特性进行调制,从而使LPG的透射谱线发生漂移,探测LPG透射谱的变化,即可得出被测量的变化1但是检测波长漂移一般需要价格昂贵的光谱仪作为解调仪器,或者采用复杂的解调技术1本文采用了一种强度型温度传感方案,只需要利用光电探测器检测光源经LPG后透射光强的变化,就可以推知待测温度的变化1我们所使用的长周期光栅的透射谱特性如图1所示,图中分别给出了1315和3615情况下LPG的光谱特性1由图可知,长周期光纤光栅透通过研究指出,LPG型传感器可以采用强度传感方案,直接检测输

4、出光强的变化不仅技术简单,而且比检测波长漂移具有更高的灵敏度1我们对长周期光纤光栅的温度特性进行了实验研究,并且利用其具有较高温度灵敏度的特点,以LPG作为传感元件,以可调谐掺铒光纤环形腔激光器作为光源,研究了LPG的强度型温度传感特性,传感器光源具有较好的输出稳定性,激光透射光强的对数与待测温度成良好的线性关系,传射谱在其透射峰0两侧各有约7nm的近似线性范围(一般的长周期光纤光栅透射谱都具有一段国家自然科学基金资助项目收稿日期:1999-01-264期刘云启等1长周期光纤光栅强度型温度传感研究357近似线性的区域),在这段区域内,LPG透射光强的对数值lgI与波长位置的变化成近似的正比关系

5、,用公式可以表示为lgI(1)为FBG型传感器的典型温度响应曲线6,由图可知,LPG的温度灵敏系数kT=01086nm ,约为FBG型传感器的812倍1由LPG的温度灵敏系数和其线性区范围可知,这种强度型传感器的温度测量范围约为801如果选择线性区较大的LPG,还可以取得更大的测量范围1图1Fig11onoflong2periodatdifferenttemperature图2长周期光栅(实线)和布喇格光栅(虚线)传感器的温度响应曲线Fig12Temperatureresponseoflong2period(solidline)andBragg(dashedline)fibergrating由

6、文献3的分析可知,LPG透射波长的漂移与待测温度的变化T成线性关系,即=kTT(2)强度传感测量的实验装置示意图如图3所示,式中kT为透射波长的温度灵敏系数,是一个与光纤热光系数和热膨胀系数有关的常数1由图1可知,当温度升高时,虽然LPG的透射峰向长波方向漂移,但其透射峰形状基本不变,所以由式(1)和(2)可得,LPG透射光强的对数值lgI与待测温度变化T之间的关系可以表示为lgI=kT(3)图3长周期光栅传感测试实验装置图Fig13SchematicdiagramofexperimentalsetupforLPGsensormeasurement式中k为仅与LPG特性有关的常数1由式(3)可

7、知,对于线性区的特定波长而言,LPG透射光强的对数与温度的变化量成正比关系,基于这一特性,我们选择中心波长在0附近的激光器作为光源,以LPG作为传感元件构成强度型传感器,通过测量透射光强的变化,推知待测温度的变化1由于温度升高时,LPG的透射峰向长波方向移动,因此当温度升高时,这种强度型传感器的激光透射强度的对数将随着温度的升高而线性地升高1这一传感方案要求光源具有较高的功率稳定性,光纤的连接损耗对系统的性能也有一定的影响,因此实际应用中应该设法进行补偿1其中光源采用可调谐掺铒光纤环形腔激光器,其中EDF为掺铒光纤,WDM为波分复用器,PI2ISO为光隔离器,以980nm半导体激光器作为泵浦光

8、源,掺铒光纤作为增益介质,光纤布喇格光栅(FBG)作为激光器的一个反射镜,激光由3dB耦合器耦合输出1我们采用悬臂梁应力调谐技术对FBG进行调谐,当FBG中心反射波长发生变化时,光纤激光器的输出波长也相应发生变化,其波长调谐范围为1557186nm1564150nm1图中IMG为折射率匹配液,PD为光电探测器,用于探测经过LPG以后激光透射光强的变化1在实验过程中,激光器输出强度具有良好的稳定性,激光输出光强基本不随时间而发生变化,因此实验中不再设计参考光路,实际应用中可以在环形腔激2实验与分析我们采用光谱分析仪(ADVANTESTQ8383型)作为波长检测仪器,对LPG的温度特性进行了研究,

9、其温度响应曲线如图2所示,图中的虚线358光子学报28卷光器耦合输出处加入参考光路,以补偿光源起伏等因素对强度测量的影响1实验中,我们在1488的温度范围内进行温度测量,由图2可知,这一温度范围对应的LPG透射峰的波长变化范围为1558166nm1565103nm,因此我们将激光器输出波长调至1558nm附近,以保证这一波长在整个温度变化达到011dB,因此这种强度型传感器测量温度的分辨率可达011,选择更好的探测器还可以得到更高的测量分辨率1由于实验条件所限,我们所使用的长周期光纤光栅的近似线性范围较小,如果选用性能更好的光纤光栅,还可以得到更大的温度测量范围1过程中,始终处于LPG透射谱的

10、线性部分1实验所用的激光输出的光谱特性如图4所示,由图可图5长周期光栅强度传感器两次不同测量的温度响应曲线1实验1(),实验2()Fig15Temperatureresponseoflong2periodfibergratingintensitysensorfortwodifferenttrails,Trail1(),trail2()图4掺铒光纤环形腔激光器激光输出光谱图Fig14SpectrumofEr2dopedfiberringlaseroutput知,激光输出的中心波长为1558131nm,半宽度为0115nm,输出光强可达1170mW1实验测得的损耗(透射光强的对数)与温度的变化曲线

11、如图5所示1实验中多次传感测量都具有较好的重复性,图中只给出了其中两次不同测量的实验曲线,由图可知,损耗与待测温度成良好的线性关系,R2值可达019995,与理论分析的结果一致1由数据拟合的结果可知,这种传感器的温度灵敏系数为0189dB ,对于我们所使用的激光光源、传感系统和光电探测器而言,光强测量的分辨率很容易参考文献3结论本文以可调谐掺铒光纤环形腔激光器作为光源,以LPG作为传感元件,研究了LPG的全光纤强度型温度传感特性,在74的温度变化范围内,损耗与待测温度的关系具有良好的线性和重复性,测量温度的分辨率可达0111如果选用近似线性范围较大的长周期光纤光栅和更好的光电探测器,还可以取得

12、更大的温度测量范围和更高的测量分辨率11KerseyAD,DavisMA,PatrickHJ,etal1Fibergratingsensors1JLightwaveTechnol,1997,15(8):144214632VengasarkarAM,LemairePJ,JudkinsJB,etal1Long2periodfibergratingsasband2rejectionfilters1in:TechDigConfOpt:FiberCommun,SanDiegoCA,postdeadlinepaper,1995:PD4223BhatiaV,VengsarkarAM1Opticalfiber

13、long2694periodgratingsensors1OptLett,1996,21(9):6924JudkinsJB,PedrazzaniJR,DiGiovanniDJ,VengsarkarAM1Temperature2insensitivelong2periodfibergratings1inTechDigConfOpt:FiberCommun,SanJoseCA,postdeadlinepaper,1996:PD1215PatrickHJ,WilliamsGM,KerseyAD,etal1HybridfiberBragggrating longperiodfibergratingse

14、nsorforstrain1225temperaturediscrimination1IEEEPhotoTechLett,1996,8(9):12236XuMG,ReekieL,ChowYT,DakinJP1Opticalin2fibergratinghighpressuresensor1ElectronLett,1993,29(4):3983994期刘云启等1长周期光纤光栅强度型温度传感研究359LONG-PERIODFIBERGRATINGTEMPERATURESENSORBASEDONINTENSITYMEASUREMENTLiuYunqi,GeChunfeng,ZhaoDonghui,

15、LiuZhiguo,GuoZhuanyun,DongXiaoyiInstituteofModernOptics,NankaiUniversity,Tianjin300071TamHYDepartmentofElectricalEngineering,HongKongPolytechnicUniversity,HongKReceiveddate:1999-01-26AbstractItisinvestigatedthetemperaturepropod(LPG)1Theh8eshigherthanthetypicalmeasuredtemperaturecoefficientis01086val

16、ueforanormalfiberB.IttemperaturesensingpropertiesofLPGbasedoninpodfibergratingassensorelementandusingtunableerbiumasticalsource.Inthetemperaturerangeof74,theloss(logarithmofintenislinearwiththemeasuringtemperatureandthelinearitycanberepeated.Theresolutionoftemperaturemeasurementis0111wellKeywordsLongperiodfibergrating;Intensitymeasu