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基于改进的游标效应测量高灵敏度高温的简化空心光纤法布里-珀罗涉仪
摘要：本文以光纤法布里-珀罗干涉仪为基础，将一段简化的空芯光纤拼接在两条单模光纤之间，其中一条光纤切割成一定长度，制作了一种高温光纤传感器。将两个拼接接头反射的三束光与切割后的SMF端面叠加在一起，可以产生修正的微调效应，用于提高温度测量的灵敏度。从传感器头反射的光谱环境由传感器头的环境温度调节，通过对光谱包络线位移的监控和测量，对环境温度进行了实验记录，得到了反射光谱包络线的高温灵敏度为1.019nm/℃。温度测量高达1050℃，具有良好的重复性。
关键词：光纤传感器，法布里-珀罗，干涉测量，光子晶体光纤，温度传感器。
1.引言
近几十年来，光纤法布里-珀罗干涉仪（FPI）以其结构简单紧凑、重量轻、抗电磁干扰等突出优点，在物理、化学和生物参数测量（包括温度、应变和折射率）方面得到了广泛的研究，行业发展迅速。为了准确获取航空、汽车、石油化工、核工业等行业的高温信息，基于光纤FPI的高温传感器在满足工业应用需求的研究工作中越来越受到重视。因此，提出了各种基于光纤的FPI配置来测量高温，例如基于薄膜的配置、基于化学蚀刻的配置、基于微加工的配置、基于光子晶体光纤（PCF）的配置等。但是，光纤FPI配置基于薄膜、化学蚀刻和微机械加工的图形在制造过程中需要昂贵的设备或复杂的程序。用于高温测量的基于PCF的光纤FPI配置很简单，在制造过程中只涉及光纤切割和拼接，但在每摄氏度数十个皮米下的灵敏度相对较低。
最近，报道了基于两个自由度范围（fsrs）略有不同的级联fpis的光纤传感器，利用游标效应显著提高了轴向应变和磁场的测量灵敏度。然而，由于级联光纤对温度有相同的响应，因此这种光纤结构不能用于测量具有游标效应的温度。2008年，提出了一种基于PCF和单模光纤（SMF）之间的中空光纤拼接的光纤FPI配置。通过反射光谱的快速傅立叶变换（FFT）分析了传感器在空间频率下的高温响应特性。同一年，Rao等人通过在两个SMF之间无限地拼接单模PCF，制作了一个光纤FPI传感器。在20到100℃的温度范围内，腔长温度灵敏度达到4.16 nm/℃。在这两种光纤结构中，两种不同腔材料的两个光纤FPI是由三束从所述传感器头反射的光形成的，它们对温度的响应也明显不同。因此，这种纤维结构具有测量温度的微调作用。显然，由于无端单模PCF中空光纤与切割的SMF之间的光路距离（opd）差异很大，这些工作没有利用波长谱中观察到的游标效应来感知温度。在几中报告的工作中，使用了空心的PCF，由一个带有薄硅壁的空心球体覆盖，以测量高温并达到更高的微调效果，其中，高频振荡条纹的包络位移灵敏度从1.349 pm/℃提高到17.064 pm/℃，但没有利用量化的方法。由于采用熔接器制作的硅质薄壁空心球，使得腔长与温度测量灵敏度的关系显著提高，传感器的重复性也较差。
本文报道并演示了一种基于现场可编程逻辑器件（FPI）的高温光纤传感器芯片。通过将两个单模光纤（SMF）连接到一段具有一定长度的简化空心光纤（SHCF）的两端并将两个SMF中的一个剪切到设计长度来润滑。由于折射率差异较大，使用SHCF与使用实心PCF相比，会增加拼接点处的功率反射系数。与报告的工作不同，我们的工作是使用来自两个光纤FPI的两个周期性光谱，其中FSR略有不同，或从传感器头反射的四束光来产游标效果，我们的工作只是使用来自两个拼接接头和切割的SMF端面的三束光来实现类似的效果，作为改进的游标效应，通过选择合适的SHCF长度和剪切SMF长度，使SHCF的OPD接近剪切SMF时的高温测量灵敏度显著提高。因此，我们的工作采用比以前更紧凑的光纤结构来实现游标效应。介绍了传感器探头的传感原理，建立了理论模型。该传感器的反射光谱受传感器头部环境温度的影响。实验证明，该方法可以测量高达1050℃的高温。通过跟踪从传感器头反射的光谱包络，我们可以得到环境温度的信息。我们认为高温测量的最大灵敏度为1.019nm/℃，比报告中的结果高出两个数量级。
图1（a）基于SHCF的FPI传感器的配置，（b）SHCF的横截面。
图2.传感器头的多反射模型。
与文献中的工作相比，我们的光纤结构采用SMF代替了SHCF一端有薄硅壁的空心球，后者采用多次dis充电。，具有较好的重复性。
2、传感器的结构和工作原理
基于SHCF的FPI光纤传感器头的配置如图1（a）所示。SHCF的截面如图1（b）所示，由扬子光纤电缆有限公司制造。SHCF有一个由一圈薄硅石墙包围的空气芯。由于芯模与内硅壁模之间存在反共振，因此可以在空气芯中引导光线。为了实现传感器头，SHCF的一端被拼接到前端SMF的一个部分，而另一端被SMF部分覆盖以形成FPI。SHCF和SMF之间的两个拼接接头和贴有“镜子1–3”标签的SMF端面充当形成FPI腔的反射镜。镜子1和2形成长度为l1的FP腔1，而镜子2和3形成长度为l2的FP腔2，其opd接近FP腔1。镜子1–3处的功率反射系数分别为R1、R2和R3，由以下方程式定义：
（1）
（2）
其中和分别是腔1和2的有效折射率，表示空气的折射率。
图3.(a)镜像2反射的电场。(b)镜像3。
(c)总反射电场以及用红色曲线表示的总反射电场的发展。
当来自宽带光源（BBS）的光通过领先的SMF注入到传感器头中时，三束光将分别从三个镜面反射。尽管配置中存在两个以上的反射镜，但由于反射镜的反射率较低，且由于它们之间的模场不匹配，SHCF和SMF之间的耦合损耗较大，因此，传感器电场的多重反射模型是用2束近似法推导出来的，如图2所示。这里忽略了反射镜引起的r=2相位变化。从传感器头ER反射的总电场大约由三个反射镜的所有反射电场之和给出：
（3）
其中EO是输入电场，alpha;1和alpha;2是反射镜1和2的传输损耗，并且和是腔1和2中的相移，由
（4）
（5）
该传感器反射的干涉谱可以用反射电场与入射电场强度比的平方模数来表示。当腔1的opd与腔2的opd接近时，nsmfl2的opd并不相等，但通过选择合适的腔长l1和l2，我们可以得到周期反射光谱，如图3（c）所示。很明显，反射光谱呈周期性包络，由图3（c）中红色曲线所示的不同振幅的陡降或峰值组成。当传感器头的环境温度升高时，传感器头反射的光谱包络线向较长的波长移动，这可以用修正的游标效应来解释。由于反射干扰谱等于反射电场强度比与入射电场强度比的平方模量，通过分析电场比而不是反射干扰谱，可以方便地理解修正的维尼尔效应和反射谱包络的偏移。
由于反射镜1反射的电场与入射电场之比是恒定的，因此不影响叠加波形。因此，在解释修正的游标原理时，我们只关注反射镜2和3的电场，而不考虑反射镜1的电场。为了直观地描述修正的游标原理，反射电场与镜子2和3的比值，以及图3（a）和（b）分别绘制了用ER和ES标记的入射电场。在我们的设计中，nshcfl1比nsmfl2小。因此，ER的fsr，_x0005_fsrr，是ES的fsr的两倍多一点，2_x0005_fsr。图3（c）显示了总反射电场EC等于ER和ES之和。EC的最大倾斜度位于相互关系处。Er和Es的南特波长。由于x0005_fsrr和2_x0005_fsrs之间的细微差别，因此ER的共振波长与其最近的共振波长之间的波长距离其中的将是不同的。因此，EC的倾角会有不同的振幅，然后由所提出的传感器头组成反射光谱的周期包络线。
当环境温度升高时，由于SHCF和SMF的热光效应和热膨胀,会增加。因此，ER和ES的共振波长会发生偏移，偏移量可以分别表示为和。从[11]我们可以清楚地看到，可以忽略x0005_r。因此，_x0005_r约等于零，且_x0005_s可简化为式中，@nsmf=@t，@l2=@t分别为SMF的热光系数和线性热膨胀系数。从上面的分析可以很容易看出，ER是不变，而ES随着环境温度的升高而变为更长的波长。由于SMF的正热光系数和线性热膨胀系数。因此，EC的封套有一个红移。当Es的共振波长的偏移量为_x0005_s时，由于环境温度的升高，其偏移量为_x0005_fsrr 2_x0005_fsrs。EC的信封是_x0005_fsrr。因此，通过追踪EC包络中的偏移，波长偏移值被放大系数放大，与ES中的追踪偏移值相比，放大系数m由下式得出：因此，温度测量的灵敏度放大了m倍。差异_ X0005_-fsrr 2_-X0005_-fsrs不仅影响放大因子，而且通过结合（8）和（9），本发明反射式传感器的温度测量范围频谱包络，传输，可以通过它独立于_x0005_fsrr 2_x0005_fsrs的值。从_8_和_10_可以看出，通过选择较小的差异，可以很容易地提高现有光学传感器的灵敏度。在x005; fsr和2_x005;fsr之间，但不影响该纤维传感器的温度测量范围。
3.传感器的实现与实验结果讨论
3.1.传感器的实现
为了获得更高的消光比，我们不仅要避免SHCF气孔塌陷，而且要避免由于SHCF附近导光条件的破坏，会引起耦合损耗。接头，但也保持SMF端面在拼接过程中光滑。为了实现这一目标，聚变功率和聚变时间必须越来越短。此外，由于SHCF中存在气孔，其熔化温度低于SMF。因此，另一种方法是在接头和中心轴之间引入适当的偏移量。电弧放电，确保向SHCF尖端施加少量热量，与SMF的尖端相比在制作过程中，利用光学频谱分析仪（OSA）对制作的传感器的干扰频谱进行了监测。为了实现传感器头，首先，SHCF用前导SMF劈接，然后劈成一定长度。之后，在劈开的SHCF的另一端连续拼接另一段SMF，并且再次劈开与SHCF闭合OPD。采用商用熔接器（fitel s153a）进行熔接。在拼接过程中，采用了最佳拼接参数的手工拼接程序，如20弧熔接电流、400毫秒熔接时间、偏移量等。从25米电弧放电的中心轴开始。未给出电弧熔合电流的单位；但是，本机给出了标准SMF熔接（100）中使用的电弧熔接电流作为参考。手动拼接程序中使用的其他参数相同作为标准的SMF熔接程序。因此，SMF和SHCF之间的拼接是以最小的气孔塌陷量制作，高消光比制作传感头。
利用这些参数，可以重复制作高消光比的传感头。如上所述，SHCF的OPD必须接近切割SMF的OPD。然而，腔的有效折射率应在腔长确定之前确定。用商用软件COMSOL多物理软件计算SHCF的基本模式。因为高阶模式表现出更高的传播损耗：采用SHCF基频的有效折射率作为腔1的有效折射率，其值为0.998847，腔的有效折射率为0.998847。假设2为1.45。fpi的fsr越小，fpi的空腔长度越长，更容易识别EC的最大倾斜度。因此，在获得高灭绝的前提下比，选择较长的空腔长度。最后，我们选择的SHCF长度为4.8 mm。根据第一腔和第二腔的有效折射率和腔间的opd关系1和2，计算的切割SMF长度约为3.31 mm。以获得所需的切割精确的长度，采用专门设计的微翻译级系统。
3.2. 仿真计算
根据记录反射光谱的fsr和空腔1和2、空腔长度l1和l2分别估计为4806 mu;m和3360.71mu;m。虽然功率反射系数可以用（1）计算，但实际功率由于缺陷的存在，每个反射镜的反射系数都小于理论值。存在于每个SMF端表面，由使用切割器和加热的手动切割器造成。
图4.(a)从传感器头反射的计算的干扰频谱。(b)测得的传感器头的干扰频谱。
图5.各项温度下传感器反射的光谱，(a)510℃，(b)515℃，(c)520℃，(d)525℃，(e)530℃，和(f)535℃红色箭头表示下包膜随温度移动的峰值。
在拼接过程中，根据反射光谱的消光比分别估算为0.02。用（4）计算反射干扰谱参数如下：,，，,,。图4（a）显示了模拟反射干扰来自传感器头的光谱。图4（b）显示了从500℃以下的传感头，模拟结果和实验结果都很明显同意得很好。腔1产生的高频振荡的fsr约为0.25nm。三个叠加引起的包络振荡的FSR三面镜子反射的光束约为17纳米。根据第（9）条的规定，计算得到的包络线为16.6nm，与实验数据吻合。通过（8）放大系数也按133.297计算。因此，所提出的光纤结构可以将高温灵敏度提高两个数量级。
3.3.测温
实验装置，由一个带宽为100纳米的BBS组成。光源，高温管式炉（精确度plusmn;1℃），由Hefeike Jing Materials Technology Co.，Ltd.，可加热至1100℃，用于温度控制，以及用于测量反射光谱的OSA（日本横河市AQ6370C）传感器头。在测量之前，传感器在炉中通过增加温度到1000摄氏度，然后冷却到室温。经过上述处理后，干扰模式仍然可见，并存在于检测光谱中。
图6.各项温度下传感器头的高温测量灵敏度，(a)250-300℃，(b)500-550℃，(c)750-800℃，(d)1000-1050℃。
由于传感器头反射光谱包络的高温测量灵敏度高，且EC的FSR有限，因此，传感器的高温性能在250到300摄氏度、500到550摄氏度的不同高温范围内测试传感器。分别为750至800℃和1000至1050℃。在试验过程中，传感器被放置在高温管式炉中进行温度
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