基于全光纤马赫曾德干涉仪的温度传感器设计
摘要:光纤温度传感器作为一种新型测温技术,发展迅速,应用广泛。基于全光纤马赫-曾德干涉仪的结构与原理,阐述了光纤温度传感器的总体设计思路,并对光纤温度传感器设计中所涉及到的光源、光纤耦合器、光路准直、光谱分析、信号检测及处理、条纹计数器等问题进行了探讨。
关键词:Mach-Zehnder干涉仪 光纤传感器 温度传感器 条纹计数器
光纤传感器是20世纪70年代中期基于光导纤维发展起来的一种新型传感器,是光纤和光通信技术迅速发展的产物。由于光纤传感器以光作为敏感信息的载体,以光纤作为传递敏感信息的媒质,具有极高的灵敏度和分辨率,可靠性好,安全度高,抗干扰和耐腐蚀性强,便于与计算机连接及长距离传输与遥测,且结构简单、体积小、重量轻,目前在航空航天、医疗、电力系统、石油化工、海洋开发、地质及建筑测量等领域得到广泛应用。本文基于常见的马赫-曾德干涉仪对温度传感器的设计进行了探讨。
1 全光纤马赫-曾德干涉仪的结构与原理
全光纤马赫-曾德干涉仪(Mach-Zehnder)的结构与原理参见图1。来自激光器的光束经透镜准直后在耦合器1上分成光强相同的两束光,两光分别经传感臂和参考臂在耦合器2相遇产生干涉光,并出现干
涉条纹。当传感臂光纤温度相对另一条参考臂光纤的温度发生变化引起传感臂光纤的长度、折射率变化,从而使传感臂传输光的相位发生变化,产生干涉条纹移动。由于干涉条纹的数量可以反映出被测温度的变化,通过光探测器接收到干涉条纹的变化信息,并输入到数据处理系统,即可得到测量温度的目的。
在实际应用中,为了提高干涉条纹的亮度,通常会利用扩展光源,此时干涉条纹是定域的。以下我们给出全光纤马赫-曾德干涉仪原理的理论分析。
公式具有普遍性,其含义是光纤中光的相位在温度每改变1℃时的变化量,其中,等式左边表示单位长度的光纤受温度的影响,等式右边的Δn、ΔL分别表示光纤折射率和长度随温度变化的变化率。
2 光纤温度传感器的设计 2.1 总体设计
利用全光纤马赫-泽德干涉仪设计温度传感器的原理图参见图2。由激光器发出的相干光,经分束器分别送入两根长度相同的单模光纤,其中,参考臂光纤不受外场作用,信号臂放在需要探测的温度场中。同时,采用两个不同焦距的透镜以增强光的耦合程度。依据马赫-曾德干涉仪的原理,由两个光纤出射的两个激光束在耦合出口处发生干涉,产生干涉条纹,经传感器接收后将温度变化时干涉条纹的变化规律传输到监视器,通过测量此干涉效应的变化,即可确定外界温度的变化。
2.2 具体实施 2.2.1 光源
光纤激光器主要由泵源、耦合器、掺稀土元素光纤、谐振腔等部件构成,其结构参见图3。泵源通常由一个或多个大功率激光二极管组成,其发出的泵浦光经特殊的泵浦结构耦合到作为增益介质的掺稀土元素光纤内,泵浦波长上的光子被掺铒光纤介质吸收,形成粒子数反转,受激发射的光波经谐振腔镜的反馈和振荡形成激光输出,经显微物镜和滤波器后,被探测器所接收。由于采用激光器作为输入源其成本较高,通常使用宽带光源作为测试输入光源。
2.2.2 光纤耦合器(coupler)
光纤耦合器是传输和分配光信号的一种无源器件,由发光源和受光器两部分组成,其作用是将以光为媒介的传输电信号从一条光纤中分至多条光纤,分标准耦合器、树状耦合器、波长多工器等类型。在全光纤马赫-泽德干涉仪中,光纤耦合器起着分束和混合光信号的双重作用,使干涉仪得以实现。光纤耦合器实际上是在一密闭的壳体内同时组装发光源和受光器,发光源和受光器之间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端,受光器的引脚为输出端。常见的发光源为发光二极管,受光器为光敏二极管、光敏三极管等。
2.2.3 光路准直(optical collimation)
通常采用He-Ne气体激光器的红光准直。在测试时,应使激光束与实验平台平行,同时,在光路上加装透镜,调整透镜焦距。使光纤的端面位于透镜的焦点上。也可以选用激光准直仪,图4揭示了激光准直仪的工作原理。
图中,1为氦氖激光器;2为平行光管;3为针孔光阑;4为激光束;5为光电探测器;6为运算电路;7为指示电表。
激光准直仪是利用激光具有能量高、方向性好等特点,提供了一条直线性极好的可见激光束,以作为测量基准,具有测量距离大、测量精度高的优点。但激光准直仪易受温度和气流等因素的影响。除了仪器本身要采取一些防范措施外,对其测量环境如防震、防热、防气流抖动等都提出较高的要求,否则将会影响测量精度。
3 结语
光纤温度传感器作为一种新型的测温技术,由于适应了灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的发展方向,发展十分迅速,应用也越来越广泛。本文系统介绍了全光纤马赫-曾德干涉仪(Mach-Zehnder)的结构与原理,在此基础上,阐述了光纤温度传感器的总体设计思路,并对光纤温度传感器设计中所涉及到的光源、光纤耦合器、光路准直、光谱分析、信号检测及处理、条纹计数器等问题进行了探讨。
参考文献
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基于全光纤马赫曾德干涉仪的温度传感器设计
