一种新的光纤光栅温度传感器的设计

一种新的光纤光栅温度传感器的设计 第22卷第2期2001年应用光学Vo_.22,No2 2001 文章编号:1002--2082(2001)02一D039—03 一 种新的光纤光栅温度传感器的设计 周静 (北京师范大学物理系北京100875) 摘要:提出一种新的光纤温度传感器,在单模光纤的45.惯斜端面上制作光栅.沿光纤光轴传 输到 光纤颤斜端面上的光将被全反射,同时被光栅衍射.适当选择光栅常数,可以使衍射零级和衍 射负1级 在经过不同的传播路径后相遇,并产生干涉,干涉条纹的变化将体现传感器所灶环境温度的 变化.由理 论计算知,当工作波长为1.55ym时,这种传感器可测的温度变化范围为1179?. 关键诃,光纤;传感器}光栅 中圈分类号:TN256文蘸标识码:A 引言 传感器有非常广泛的应用领域,多年来一 直是研究热点.由于光纤由绝缘耐高温材料制 成,光纤传感器可以工作在强电磁场,高温有 腐蚀性的以及有爆炸危险性的恶劣环境中,因 而光纤传感器比其它传感器有更广阔的应用 范围….近年来,随着半导体擞光器的出现,光 光 电技术的不断发展及光电器件成本的降低, 纤授,从事教学与科研工作. 39 为45.假设光纤材料的折射率为1.5,空气的 折射率为1.0,可以算出光纤与空气界面的全 反射角为41.8..所以,沿4j.入射到光栅 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面 的光将发生全反射.另一方面,由于端面光栅 的存在,入射光将被衍射,所以这样的光纤端 面光栅结构相当于反射光栅.沿光纤光轴传播 入射到光栅表面的光,其零级衍射光将沿垂直 于光轴的方向传播,如果选择适当光栅常数, 可以使负1级衍射光沿光纤光轴方向传播,并 与入射光反方向传播. 当光垂直入射到两种介质的界面时,反射 率公式为 (一2) l+2) 一分别为人射光所在介质和折射光所在介 质的折射率.所以,当上述零级衍射光传播到 光纤包层的外表面f即包层与保护层的界面) 时,将被大量反射,并以45.角再次入射到光 纤的端面光栅上.经再次衍射的零级衍射光将 沿光轴方向并与最初的入射光反方向传播,因 而与第一次衍射的负1级衍射光相遇,并产生 干涉,如图1所示.两束光的光程差由光纤包 层的横截面直径D和光纤材料的折射率n决 定由于D和n均与光纤所处环境的温度有 关,所以当温度变化时,光程差将发生变化,干 涉条纹也将随之发生变化.通过测量干涉条纹 的变化量便可以定量计算出对应的温度变化 2传蒜器的光栅常数,温度测量范围,光纤 端面倾角的容差 2.1光栅常数 由光栅衍射理论知,以入射角度巩入射 到光栅表面的光,如果要使其负1级衍射光沿 着与光栅面法线成角的方向传播,应满足如 下条件: nd(sina—sin以)一一(2) 式中为光纤材料的折射率;为光栅常数; 为光的真空波长;以为45..如果要使衍射负1 级沿着与入射光反方向传播,应为 一一 45.(3) 40 把(3)式带人(2)式可得光栅常数: j d=—(4) 2n 如果取n一1.46,=L55vm,可以算出光栅 常数,d一0.75/~m.目前的刻蚀技术可以达到 此精度. 2.2温度测量范围 由图1可见,光入射到光纤端面光栅表 面,经衍射后的零级和负1级衍射光再次相遇 时,两束光的位相差?P可以表示为 卸一—2zr广~D(5) 位相差的变化由光纤材料的光程参数nD的变 化决定: (?一—2xb T ‘(n— D)(6) 当光程差的变化量(一D)=时,位相差 变化量为(?一2x,对应的干涉图样将移动 一 个条纹.光程差nD的变化由与光纤所处环 境的温度变化决定.如果温度每升高1?,nD 的相对增加量为7.2×10’C?,那么温度每 升高1C,nD的绝对增加量为7.2×10× nD.所以,干涉图样每移动一个干涉条纹对应 的温度变化为 】 AT—(7) 如果取折射率一1.46,波长一 1.55/~m(通信波长).D一125/~m,则?了1— 1180C,即这种传感器可以测量的温度变化范 围理论上为1]79?. 2.3光纤端面45.倾斜角的容许误差 沿光轴方向入射到光纤45.端面的光被 光栅衍射,零级衍射光被光纤包层的外表面反 射,再次入射到光栅表面,衍射后的零级衍射 光的传播方向与光纤光轴平行.如果光纤端面 的倾斜角偏离45.,那么衍射光的传播方向将 偏离光轴方向.假设光纤端面的倾斜角偏离 45.的角度为,那么衍射光的传播方向偏离 光轴的角度将为n一4. 为了保证衍射光在光纤中传播,必须满 足: nsin~?N.A.(8) 式中,?..为光纤的数值孔.如果NA 一 0.2,可以算出口一7.9.,对应的一1.9., 即端面45.倾斜角的允许误差为 一?1.9.(9) 3光纤光栅传感器的制作 制作光纤光栅传感器的主要任务是在光 纤的45.倾斜端面上制作指定光栅常数的光 栅.由(4)式知,对于1.5m的工作波长,光 栅常数应为0.75m.制作这样的光栅可以分 以下几步完成:1)制作光滑的45.倾斜的光纤 端面;2)在光纤端面涂光刻胶;3)用光学全息 制作技术在光纤的端面上制作指定光栅常数 的光刻胶光栅;4)用刻蚀技术刻蚀光纤的端 面,除掉光刻胶便可以得到光纤端面光栅. 制作0.75m线条,目前的全息技术和刻 蚀技术都可以完成.但是,由于光纤端面的线 度很小,增加了制作难度.为此,可以采取如下 措施:制作一个固定光纤的工件,其截面图如 图2所示.工件必须由抗腐蚀和抗刻蚀的材料 制成,工件有光滑的上下表面,上表面钻有与 表面成45.角的圆孔,圆孔直径可以是光纤保 护层外直径的l0到20倍;把lo~qzo根光纤平行 故人这个圆孔中,用紫外光固化胶固定住,将 光纤的尾部缠绕并固定在工件上,这样工件和 光纤就可以作为一个整体操作. 图2-72件截面示意图 首先用光纤抛光垫研磨带有光纤的工件 表面,借助于显微镜,可以把光纤端面磨成4. 倾斜的光滑表面,并与工件表面共面.再把带 有光纤的工件整体放到甩胶机上,工件的下表 面与甩胶机的托盘密接触,光刻胶将均匀地甩 在工件的上表面(包括光纤的端面).然后把工 件整体放入全息工作台,经曝光,显影等制作 出需要的光刻胶光栅;最后,刻蚀工件表面,光 纤端面上光刻胶光栅条纹中没有光刻胶的位 置将被刻蚀,刻蚀完成后,除掉光刻胶就可以 得到光纤端面光栅. 4结束语 提出一种新的内置光纤温度传感器,它除 了具有内置光纤传感器的共同优点外,还有结 构简单,温度可测范围大,制作成本低,可靠性 好的特点. 致谢:衷心感谢H.F.Tay]or教授对本文相关问题的 有益讨论. 参考文献: [1]GiallorenziTG,BucaroJA.DandridgeA.et o1.Opticalfiber~/isortechnology口].IEEE JournalofQuantumElectronics,1982,QE一 18(4)}626—665. [2]SeniorJohnM.OpticalFiberCommunications principlesandPractice.SecondEdition[M]. PrengeeHallInternationalLtd.1992,870— 876. [3]PowellJA.Asimpletow—fiberopticaldis— placementsensor口].RaySeiInstrum.1974+ 45(2):302—303. [4]LeeCE,TaylorHF.InterferometricOpt~al FiberSensorsUsingInternalMirrors[J]. ElectronicsLetters,198824(4):193—194. is]FangJX,TaylorHF,ChoiHS.Fiber—Optic Fabry—PerotFloeSenso~口].Microwaveand OpticalTeehno]ogyletters,1998.18(3):209 — 21】. [63H0ckeGBr.Fiber-OpticSen~ngofPressure andTemperature[J].App]Opt,1979.18(9)} 1445. []CorkeM,KerseyAD,JacksonDA.Temper- atureSensingwithSingle-ModeOpti-caI Fibe~EJ].JPh州csE:ScientificInstruments, 1984,(17):988. [8]LeeCEandTaylorHF.Fiber-opticFabry? PerotTemperatureSensorUsingaLow-Co (下转第19页) 41 0々 0S 0’ J06 三05 04 0.3 02 C1 0 膻悄H 良好的机械光学效果.对应于255灰度,单,三 DMD系统每一个基色的最大主观亮度分别为 实际光刺激亮度的33.19和99.47.故三 DMD系统在亮度方面优于单DMD系统,可 应用于太场景高亮度投影场台.单DMD系统 结构简单,适用于制造亮度要求较低的便携式 投影设备. 从图10,11和12可以看出,稳态后人眼[2]LarryJHornbeck?FromCathodeRaysto 主观亮度与256个灰度编码是线性对应关系,giIMj”rr口AHj.yof 人眼的灰度感觉均匀分布在0—255灰度等级Proj眦?DiplayTe”.『0gyU3?TT.”i :.苎翌竺竺竺制,微.c周al锡Jo韬ur,n杨als志1勇99. 8 投 ,3 影 1-- 电 3 M.北京电子工反射镜的机械运动如实反映了灰度等级 , 具有业出版:l9;9.. (I-接第41页) herenceLightSource[J].JournalofLight— waveTechnology,1991,9(1):l29—134. [9]LeecE,GiblerWN,AtkingRA,et.Met— alEmbeddedFiber-OpticFabry—PemtSen~ors [J]OptLett.1991,16{l990一I992. [1O3SeniorJohnMOpticalFiberCommunicatlons PrinciplesandPractice,SecondEdition[M]. PrenticeHallInternationaI(UK)Ltd,I992j 17—20. THEDESIGNoFANEWoPT-CALFIBERTEMPERATURESENSoR ZHOU.1ing (DepartmentofPhysicstBeijingNormalUniversity,Beijing100875,China) Abstract:Anewkindofopticalfibertemperaturesensorisproposedinthispaper.Agratingisproposedtob emade inthefiber’545degreeangledand.Thelightpropagatingalongtheaxisofthefiberincidentontheangledendwill betotallyreflectedanddiffracted.Ifthegrating’speriodisproperlyselected,theroorderdiffractedbeama ndthe minusfirstorderdiffractedbeamwillmeetinsidethefiberaftergoingthroughdifferentpaths.Thesetwod iffracted beamswillinterferebecauseofphaseshiftbetweenthem.Theinterferencepatternwillbechangedalong withthe changeofthetemperaturearound.ThetestingrangeoftemperaturechangeispredictedtoheI179”0bythe oretical analysis. Keywords:opzicalfiberFsensor;grating 19