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法布里-珀罗薄膜干涉的光纤温度传感器
资料介绍
为了研制结构简单、成本低、可批量生产的微型光纤温度传感器,分析了薄膜干涉型光纤温度传感器的原理,选用Zr O2和Al2O3两种介质薄膜材料,采用TFCalc膜系设计软件设计了薄膜干涉型光纤温度敏感探头的膜系,由南光ZZS1100-8/G箱式真空镀膜系统采用电子束蒸发技术在普通多模光纤端面蒸镀介质薄膜,形成法布里-珀罗(Fabry-Perot)薄膜干涉,并搭建光纤温度传感测试系统,测试结果表明:在200~600℃范围内,所设计的干涉型光纤温度传感器的测试光谱随温度变化产生一定的波长漂移,且波长漂移的温度特性为线性,线性相关系数为99.7%,灵敏度为8.37×10-6/℃。基于法布里-珀罗干涉的薄膜型光纤温度传感器体积小,成本低,结构紧凑,可批量生产,适合安装位置狭小或对传感器集成化要求较高的场合。
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| 1577670693法布里-珀罗薄膜干涉的光纤温度传感器.pdf | 2M |
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（完整内容请下载后查看）第
卷第
期
年
月
1
47
1
红外与激光工程
2018
Volꢀ47 Noꢀ1
Infrared and Laser Engineering
Janꢀ 2018
法布里-珀罗薄膜干涉的光纤温度传感器
1 2
高晓丹 ，彭建坤 ，吕大娟
2
(1. 武汉东湖学院 电子信息工程学院，湖北 武汉 430212；
2ꢀ 武汉理工大学 光纤传感技术国家工程实验室，湖北 武汉 430070)
摘
要：
为了研制结构简单、成本低、可批量生产的微型光纤温度传感器，分析了薄膜干涉型光纤温
度传感器的原理，选用 ZrO2 和 Al2O3 两种介质薄膜材料，采用 TFCalc 膜系设计软件设计了薄膜干涉
型光纤温度敏感探头的膜系，由南光 ZZS1100-8/G 箱式真空镀膜系统采用电子束蒸发技术在普通多
模光纤端面蒸镀介质薄膜，形成法布里-珀罗ꢁFabry-Perot)薄膜干涉，并搭建光纤温度传感测试系统，
测试结果表明：在 200～600 ℃范围内，所设计的干涉型光纤温度传感器的测试光谱随温度变化产生一
-6
定的波长漂移，且波长漂移的温度特性为线性，线性相关系数为 99ꢀ7%，灵敏度为 8ꢀ37×10 /℃。基于
法布里-珀罗干涉的薄膜型光纤温度传感器体积小，成本低，结构紧凑，可批量生产，适合安装位置狭
小或对传感器集成化要求较高的场合。
关键词：
光纤温度传感器； 薄膜干涉； 法布里-珀罗； 波长漂移
中图分类号： 文献标志码： ：
DOI 10ꢀ3788/IRLA201847ꢀ0122002
TN29
A
Optical fiber temperature sensor based on Fabry-Perot
coating interference
1 2
Gao Xiaodan , Peng Jiankun , Lv Dajuan
2
ꢁ1ꢀ Electronic Information Engineering Collegeꢂ Wuhan Donghu University, Wuhan 430212, China;
2ꢀ National Engineering Laboratory for Fiber Optic Sensing Technologiesꢂ Wuhan University of Technologyꢂ Wuhan 430070ꢂ Chinaꢃ
Abstract: In order to develop a miniature fiber-optic temperature sensor with simple structure, low cost and
mass production, the principle of optical coating interference-based temperature sensor was analyzedꢀ The
coating formula of temperature sensing probe was designed by TFCalc formula designing software using ZrO2
and Al2O3 materialsꢀ The thin film was deposited on the tip of multimode fiber by using electron-beam
evaporation in Nanguang ZZS1100 -8/G box type vacuum coating machineꢀ The measurement system of
coating interference-based temperature sensor was interrogatedꢀ The experimental result shows that the
wavelength shift of the fiber-optic temperature sensor is linear in the range of 200-600℃, and the correlation
-6
coefficient was calculated to be 99ꢀ7%, the sensitivity of temperature is 8ꢀ37×10 /℃ꢀ The temperature sensor
based on Fabry-Perot interference is suitable for mass production with stable performance, accurate point
measurement, narrow installation position or higher application requirements for integrated sensorꢀ
Key words: optical fiber temperature sensor; coating interference; Fabry-Perot; wavelength shift
收稿日 期：
；
修 订日 期：
2017-06-15
2017-08-23
；武汉 东湖 学院青 年基 金
基金项 目：国 家自 然科学 基金
ꢁ61575151ꢃ
ꢁ2015dhzk06ꢃ
作者简 介：高 晓丹
，女，副教 授，硕 士，主 要从 事光学 薄膜 及传 感技 术方面 的研 究。
ꢁ1980-ꢃ
Email:gxd6368@163ꢀcom
0122002-1
红外与激光工程
第
期
第
卷
47
1
或多层薄膜，形成法布 里 珀 罗
-
腔 ꢀ 通 过 法 布
(F-P)
引 言
0
里 珀罗干涉性质，从光源发出的光经光纤传输到光
-
纤端面会形成反射干涉光谱，如图 所示ꢀ
1
温度是科学技术和工业生产中最基本、 最重要
的物理量，温度的测量和控制非常重要。 传统的测量
方式，如热敏电阻、热电偶等类型的温度传感器 ，技
术成熟、结构简单、稳定性强、价格低廉，故被广泛应
用于国民经济、国防以及科研领域，然而在一些特殊
环境，诸如高温、高压、易燃、易爆 、强电磁场干扰等
情况下， 上述基于电信号测量的传统温度传感器受
到很大的限制ꢀ
图
薄膜 干涉 温度 传感探 头的 结构 及原 理
1
Fig.1 Schematic of thin film interference temperature sensor
光纤温度传感器自
世纪
年代开始， 以其
70
20
根据法布里 珀罗腔双光束干涉理论，反射光谱
-
自身所具有的体积小ꢁ重量轻、灵敏度高、耐腐蚀，不
的强度如下：
受电磁干扰等优点， 得到国内外研究学者的特别关
[1-2]
2πOPD(T)
注
ꢀ 关于光纤温度传感器的各种研究方法层出不
I (λ)=I (λ)+I (λ)+2 I (λ)I (λ) cos
■
1
+φ (1)
）
0
（
r
1
2
2
λ
[3-5]
穷 ，譬 如 分 布 式 光 纤 温 度 传 感 器
、光 纤 光 栅 温 度
式中：
和
I1(λ) I2(λ)
分别为膜层两界面的反射光强；
φ0
可以看出，反射光谱干涉条
[6-8]
[9]
、光纤荧 光 温 度 传 感 器 以 及 干 涉 型 温 度
传感器
为初始相位ꢀ 从公式
(1)
[10-12]
传感器
等等ꢀ 相比于其它光纤温度传感器，薄膜
纹 的 频 率 取 决 于 薄 膜
F-P
个干涉极大值有：
腔 的 光 程 差
，对 于
(OPD)
干涉型光纤传感器是在光纤端面镀制纳米或微米级
的薄膜，传感原件尺寸不超过光纤自 身，体积更 小 ，
系统结构更紧凑，不需要采用复杂的微制作工艺或刻
第
m
2πOPD(T)/λ+φ0=2mπ
(2)
所以有：
蚀复杂的微结构， 也不需要像光纤布拉格光栅
(FBG)
OPD(T)
λm(T)=
(3)
测温需要考虑温度和应变的交叉影响ꢀ 基于以上种
种优势， 近几年国内外对薄膜干涉型光纤温度传感
器研究较多， 主要集中在特种光纤如蓝宝石光纤上
φ0
m-
2π
而
[13]
镀 膜 以 实 现 其 高 温 传 感 的 特 性 ，但 由 于 蓝 宝 石 光
OPD(T)=2n(T)d(ꢀ)
(4)
式中： 为薄膜层的折射率； 为薄膜层的厚度ꢀ 它们
n d
纤没有包层，模式较多，工艺控制非常 困难，且 蓝 宝
石光纤制作工艺复杂，材料成本昂贵，实用性推广困
难ꢀ 因此，研究出一种性能稳定、可批量生产、成本低
的薄膜干涉型光纤温度传感器具有非常重要的意义ꢀ
文中采用电子束蒸发技术在普通多模光纤端面
均是关于温度的函数ꢀ 当环境温度发生改变时 从
(
ꢀ0
变化到 ，薄膜腔的光程差
ꢀ)
会随之发生变化：
(OPD)
OPD(ꢀ) 2n(ꢀ)d(ꢀ)
=
≈1+(αn+αd)(ꢀ-ꢀ0)
(5)
OPD(ꢀ0) 2n(ꢀ0)d(ꢀ0)
式中：
和
分别为膜层材料的一阶热光系数和热
αd
αn
膨胀系数ꢀ 传感探头干涉光谱随温度变化的特征波
长相对变化量为：
蒸镀介质薄膜，形成法布里 珀罗
-
薄 膜
(Fabry-Perot)
干涉，从而实现一种微型薄膜干涉光纤温度传感器，
而且可批量生产， 性能稳定， 能实现更精确的点测
量，可应用于大型建筑结构、飞机及复合材料的结构
健康监测当中， 尤其适合在安装位置狭小或对传感
器集成化要求较高的场合应用ꢀ
Δλ λm(ꢀ)-λm(ꢀ0) 2n(ꢀ)d(ꢀ)-2n(ꢀ0)d(ꢀ0)
= =
(6)
λ
λm(ꢀ0)
可见， 由于薄膜材料自身的热光特性和热膨胀
特性，当温度变化时，膜层的折射率 和厚度 都会
2n(ꢀ0)d(ꢀ0)
n
d
随着温度的变化而变化， 表现为反射光谱会随着温
度的变化而产生波长的漂移ꢀ 因此，通过对反射光谱
干涉条纹的波长漂移量进行标定测量， 即可得到相
对应的温度ꢀ
薄膜干涉型光纤温度传感器的原理
1
薄膜干涉型光纤温度传感器是采用物理气相沉
积技术沉积温度敏感探头， 即在光纤端面镀上单层
0122002-2
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