一种全光纤Mach-Zehnder干涉式温度传感器设计

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【摘要】 本文提出了一种基于全光纤马赫-曾德尔（mach-zehnder）干涉式光纤温度传感器结构，是在单模光纤（SMF）上熔接一段30mm长的细芯径光纤，利用光纤的纤芯模和包层模对温度灵敏度的差异，来测量在不同波长处的波长温度关系，实现对温度的测量。实验中我们分别对波长1531.2375nm和1544.39nm处的干涉波谷进行测量，得到两个波谷的温度灵敏度分别为89pm/℃和94.7pm/℃，该温度灵敏度系数远远大于光纤布拉格光栅，且测试曲线呈现很好的线性度。该类传感器具有结构简单、温度灵敏度高、造价低等优点。

【关键字】 光纤传感器 马赫曾德尔干涉仪 温度

An All-Fiber Mach-Zehnder interferometer Temperature Sensor

Abstract： In this paper， an all fiber fiber temperature sensor based on Mach-Zechnder interferometer （MZI） structure is proposed and experimentally studied. The fiber sensor is constructed by a sandwiching structure with a thin core fiber as 30mm length that was spliced between two standard single mode fibers. By measurement two different interference wavelength dips at 1531.2375nm and 1544.9nm， respectively， shift with temperature， its temperature characteristics are studied. Since the effective refractive index of core modes and cladding modes are different sensitivities to the temperature， the different dips wavelength display different temperature sensitivities with 89pm/℃ and 94.7pm/℃， respectively， which much larger than that of fiber Bragg grating， and very good linearity degree.The sensor has the advantages of simple structure， high temperature sensitivity and low cost

Key words： fiber sensor； Mach-Zehnder interferometer （MZI）； temperature

一、引言

全光纤结构马赫-曾德尔干涉仪（MZI）由于结构简单、体积小、质量轻、灵敏度高、抗腐蚀、容易制作且成本低，不易受电磁干扰等优点[1]而被广泛应用于温度[2]、湿度[3]、折射率[4]、PH[5]、应变[6]等多种物理量的测量并有着广泛的应用前景。早在2006年，Enbang Li 等人就不同光纤的模场失配在普通单模光纤之间熔接一段多模光纤进行温度传感，在100℃-750℃之间得到了15pm/℃的灵敏度。而将拉锥光纤用于MZI 干涉仪则是基于单模光纤的熔融拉锥技术激发包层模式，例如P.Lu 等人将两个拉锥光纤级联实现了温度和折射率的同时测量[11]。通过在包层区域引入平行于光纤轴向的微孔阵列，形成一种新的光纤结构，光子晶体光纤PCF。而将PCF 用于MZI 也引起了业内的广泛关注，2013 年纪玉申等利用熔融拉锥PCF 构造的MZI 干涉仪，在折射率变化范围为1.333～1.349 时，该传感器对于不同质量浓度氯化钠溶液的折射率测量灵敏度为210.075nm/RIU，在温度测量范围为20～70℃时，其温度灵敏度约为1.8pm/℃，同时在测量中能够克服温度交叉敏感问题[12]。光纤干涉型传感器具有易于制造和热稳定性等很多优势，因此特别适合制作高温传感器。

在过去的几年间，有很多干涉式温度传感器被研究出来。2005年Y.Zhu等提出了一种FabryCPerot （FP）类型的蓝宝石光纤高温传感器[7]，可用来测量1600度左右的高温。但是石英在1000度以上性质会发生改变，由于其成本低廉，在工业上仍用来测量900-1000度的温度。2006年E.B.Li等人提出一种单模光纤和多模光纤混合结构光纤迈克尔逊干涉仪[8]。2008年 Y.Jung等人制作了一种在单模光纤中加入一段空心光纤的新型马赫曾德尔干涉仪光纤温度传感器[9]。然而上述传感器都存在温度测量范围小的缺点。

本文设计和制作了一种新颖的基于马赫-曾德尔干涉的光纤温度传感器，在单模光纤（SMF）中间熔接一段30mm长度的细芯光纤（TCF），形成单模―细芯―单模的光纤传感器，从而形成马赫-曾德尔干涉仪传感结构。对传感器的温度特性进行理论分析和实验研究，通过干涉谱中波谷随温度的漂移情况来计算温度灵敏度。并且对比了不同波长干涉谱的温度灵敏度，发现长波长具有更高的温度灵敏度系数。本文制作的光纤传感器具有制作简便、成本低、测量结果可靠、稳定性高等优点。

二、原理

系统的结构图如图1所示，在第一个单模光纤（SMF）与细芯光纤的熔接点处，由于内径模式的不匹配部分光从单模光纤的的纤芯进入细芯光纤的包层，然后再第二个细芯光纤与单模光纤的熔接点处耦合回单模光纤。图2显示了用COMSOL模拟的光在单模-细芯-单模中传播的示意图，用到的细芯光纤的纤芯直径为5um ，纤芯和包层的折射率分别为1.4457和1.4378。图2可见，有一部分光场从单模光纤纤芯由于结构的不匹配而进入细芯径光纤包层，亩激起包层模。

三、验研究

3.1制作光纤传感器

首先，取一段普通单模（SMF）和一段细芯光纤（TCF）用光纤熔接机熔接在一起，用切割刀，切出30mm的细芯光纤，另一端与普通单模光纤熔接我们的光纤温度传感器就制作完成了。

3.2温度测量

实验装置如图3所示，用夹具将传感器拉直，并固定好，防止传感器发生弯曲，将传感器放入高温老化箱中，高温老化箱的温度可控范围是20-300℃，其温度精确值是0.1℃；通过控制高温老化箱的温度，实现对光纤传感器加热的目的。采用宽带光源（BBS）作为输出光源，其波长范围为1520-1610nm，用光谱仪（OSA，YokogawaAQ6370C）作为接收输出的干涉光，其波长分辨率为0.05nm。

实验中，温度从20℃，逐渐增加到300℃，每次间隔为20℃，由图4可以看出随着外界温度的升高，波谷由1531.9625nm漂移到1556.275 nm，当传感器的外界温度升高时，小芯径光纤包层和芯层有效折射率都会相应增大，光纤芯层除了硅元素外还掺杂Ge，包层则主要是硅元素且没有掺杂，导致芯层热光系数比包层高。从而，当外界温度升高时，芯层与包层模式的有效折射率差将会增大纤芯和包层的有效折射率都会相应的增大，干涉光谱会出现红移现象，由图5可见，在1531.2375nm（20℃）和1544.39nm（20℃）两处的波谷1和波谷2的拟合系数分别为0.965和0.9937，灵敏度分别为89pm/℃和94.7pm/℃，实验结果表明干涉波长越长，温度灵敏度越高，不同级次干涉谷的波长位移量与外界温度之间具有良好的线性关系。

此实验可见，通过改变光纤传感器周围环境温度的方法，来改变光纤的传输波长，从而实现对温度的传感，该实验我们重复了3 次以上，每次都能观测到同样结果。并且此结构的温度传感器的灵敏度远远高于光纤布拉格光栅的灵敏度，同样也是多模-细芯-多模结构的灵敏度的两倍，具有很高的应用价值。

四、结论

综上所述，我们提出了一种新型的干涉式光纤温度传感器结构，并对其温度传感特性进行了实验研究。我们知道，这种传感器的干涉谱是由纤芯模式和几个低阶包层模之间的干涉形成的。

在本文中，两个干涉波的中心波长有相同的温度特性，随着温度的升高，波长出现红移，最高灵敏度可大94.7pm/℃。这种马赫-曾德尔光纤温度传感器具有灵敏度高，测量范围大，制作简单和低成本的特点。

参 考 文 献

[1]卞继城，郎婷婷，俞文杰，等“基于马赫-曾德尔干涉的温度和应变同时测量的光纤传感器研究”[J]。光电子.激光，2010，26（11）：2169-2174

[2]Jing-Jing Zhu， A. Ping Zhang， Member，et al.“Fiber-Optic High-Temperature Sensor Based on Thin-Core Fiber Modal Interferometer”[J]IEEE SENSORS JOURNAL， VOL. 10， NO. 9， SEPTEMBER 2010，1415-1418

[3]李雅娟， 党亚固， 费德君，等“光强调制型光纤湿度传感器评述”[J]。传感器与微系统，2009，28（7）：5-8[4]Hai-Wei Fu， Xu Yan， Min Shao，et al.“Fourier Analysis Applied on MZI Transmission

Spectrum for Refractive Index Measurement”[J]IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS， VOL. 27， NO. 6， MARCH 15， 2015，658-660

[5]荆淼，李伟，庄峙厦，等“光纤化学PH传感技术的现状和发展”[J]。传感技术学报，2002（3）：263-268[6]ZHAO Yong，CAI Lu，HU Hai-feng.Fiber-Optic refractive index sensor based on multi-tapered SMS fiber structure[J]. IEEE Sensors Journal，2015，15（11）：6348-6353

[7]Y. Zhu， Z. Huang， F. Shen， and A.Wang， “Sapphire-fiber-based whitelight interferometric sensor for hightemperature measurements，” Opt.Lett.， vol. 30， no. 7， 2005：711C713

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[9]Y. Jung， H. Y. Choi， M. J. Kim， B. H. Lee， and K. Oh， “Ultra-compact Mach-Zehnder interferometer using hollow optical fiber for high temperature sensing，” in Proc. OFC/NFOEC 2008， 2008：24-28

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[11]Wang J N， Tang J L. Photonic crystal fiber Mach-Zehnder interferometer for refractive index sensing[J]. Sensors， 2012， 12（3）： 2983-2995

[12]Duan D W， Rao Y J， Xu L C， et al. In-fiber Mach-Zehnder interferometer formed by large lateral offset fusion splicing for gases refractive index measurement with high sensitivity [J]. Sens. Actuators B： Chemical， 2011，160（1）： 1198-1202.