基于全光纤马赫曾德干涉仪的温度传感器设计
马赫-曾德尔干涉集成化的全光纤磁场与温度传感器
马赫-曾德尔干涉集成化的全光纤磁场与温度传感器沈涛;孙滨超;冯月【摘要】为了简化光纤磁场与温度传感器的结构并提高传感器灵敏度,设计并制作了马赫-曾德尔干涉集成化的全光纤磁场与温度传感器.将单根光纤的马赫-曾德尔模间干涉结构和双臂马赫-曾德尔干涉结构结合:将总长度为1.2m的单模光纤部分制备成长度为2.7 cm、锥腰直径为30.1 μm的锥形微纳光纤,并得到了拉锥时间与锥腰直径的关系.将锥形微纳光纤放置尼龙槽内并包覆磁凝胶构成传感头,实现模间干涉的马赫-曾德尔磁场传感器;将磁场传感器通过两耦合比为50％∶50％的耦合器并联带有可调谐光衰减器的单模光纤形成马赫-曾德尔干涉的温度传感器.从理论上分析了光谱漂移对磁场和温度传感的特性关系,实验测得室温下磁场强度在25～50 mT时,磁场传感的灵敏度为0.301 14nm/mT;在磁场强度为0,温度由25℃升高到30℃时,温度传感的灵敏度为0.518 86 nm/℃.该传感器可广泛应用于电力系统放电检测、材料加工、安全监控等领域.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2018(026)006【总页数】8页(P1338-1345)【关键词】光纤传感器;马赫-曾德尔干涉仪;磁场传感;温度传感;灵敏度分析【作者】沈涛;孙滨超;冯月【作者单位】哈尔滨理工大学工程电解质及其应用教育部重点实验室,黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨理工大学理学院,黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨理工大学理学院,黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨理工大学工程电解质及其应用教育部重点实验室,黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨理工大学理学院,黑龙江哈尔滨150080【正文语种】中文【中图分类】TN253;TP212.111 引言磁场与温度传感在电力系统局部放电检测、复合材料成型加工和医疗生化安全监控[1-3]等领域有着广泛的应用。
相比电信号解调的传感系统，全光纤传感器因灵敏度高、稳定性好、结构紧凑、成本低廉等特点[4-7]而备受研究人员的关注，将磁场测量与温度测量和光纤传感结合已成为相关科研工作者近些年的研究热点[8]。
基于全光纤马赫曾德干涉仪的温度传感器设计
106科技资讯 SC I EN C E & TE C HN O LO G Y I NF O R MA T IO N工 业 技 术光纤传感器是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。
设长度为L的光纤中传播光波的相位为 ,则nL k 00 (1)其中,00/2 k ;0 为光进入光纤前的初始相位;0k 为传播常数;0 为真空中波长;n 为光纤的折射率;L 为光纤的长度。
设参考臂光纤2L 温度不变,传感臂光纤1L 温度变化量为T ,则折射率n 的变化量为n ,传感臂光纤1L 的变化量为1L 。
根据公式(1),光纤1L 的相位1 为:)(21110011L n nL nL(2)当光纤1L 的温度改变后,两光纤在耦合器交会处的相位差 为:)(2)(2)(110210200121L n nL L L n(3)如果L L L 21,且初始相位2010 ,则,)(20L n nL(4)两边同除以L 、T ,可得)(210T LL n T n T L (5)公式(5)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。
基于马赫-曾德干涉仪的光纤电流互感器研究
基于马赫-曾德干涉仪的光纤电流互感器研究徐元哲;孙瑞丽;潘文明【摘要】为进一步促进光学电流互感器(OCT)在电力系统中应用,将光纤传感技术与磁致伸缩材料相结合,提出了一种新型的OCT的设计方法.将干涉仪的两个臂分别沿平行于磁场方向和垂置与磁场方向回环粘贴在正方形磁致伸缩材料的两个表面上,确保光纤均匀、对称分布,上下表面上光纤正交排列、匝数相同,形成双臂对称型的马赫-曾德干涉仪,得到了一定的温度补偿,消除了磁致伸缩材料热膨胀带来的测量影响,测量误差为0.65%,表明了该结构能达到温度补偿的效果,在一定程度上解决了阻碍OCT实用化进程的测量温漂问题.【期刊名称】《电力系统保护与控制》【年(卷),期】2010(038)013【总页数】4页(P71-73,78)【关键词】光纤电流互感器;马赫-曾德干涉仪;磁致伸缩材料;偏置磁场;温度补偿【作者】徐元哲;孙瑞丽;潘文明【作者单位】东北电力大学电气工程学院,吉林,吉林,132012;东北电力大学电气工程学院,吉林,吉林,132012;宿州供电公司,安徽,宿州,234000【正文语种】中文【中图分类】TM450 引言在发电、输电、变电等电力系统中，为了提高设备的运行安全可靠性及效率，必须对电流、电压、功率等电气参数进行测量。
“准确测量任何时刻的电流瞬时值”是电流互感器（CT）的理想测量品质。
广泛使用的铁磁线圈CT尽管稳态测量准确度能满足0.2级的要求，但短路故障时存在磁路饱和现象，动态测量能力差，是保护装置误动和拒动的主要原因[1]。
电压等级越高，铁磁线圈CT的绝缘结构越复杂、绝缘费用越高，并且由于高压，大电流存在的强电磁场干扰导致传统的CT测量准确度下降。
为克服这些缺点，人们正在研究用光纤传感器取代传统的传感器。
目前，光纤电流互感器特以其高绝缘性、抗高电磁噪声、高线性度响应，结构简单等诸多优点，在高电压强电流的测量及保护领域中得到广泛的重视和研究。
本文介绍了基于马赫-曾德干涉仪的光纤电流传感器，并通过设计双臂的完全对称结构，对温度进行了一定的补偿，在一定程度上降低了温度的影响。
基于光纤粗锥型马赫-曾德尔干涉仪的高灵敏度温度传感器的研制
图 １ 为光纤 Ｍ Ｚ 传感器的结构示意图 ，传感器由两个光 纤粗锥和一段单模光纤组成 。两个光纤粗 锥 中 间 夹 的 单 模 光 纤为传感臂 。基模 LP ０ １ 通过第一个光纤锥后 ，一部分进 入 纤 芯传输 ，另一部分进入包层形成包层模 LP ０n 。纤芯模 和 不 同 阶次的包层模具有 不 同 的 有 效 折 射 率 ，经 过 干 涉 臂 的 传 输 ， 各模式之间产生了光程差 。光 传 输 至 第 二 个 光 纤 锥 时 ，基 模
LP ０ １ 和包层模 LP ０n 被耦合进单模光纤纤芯从而发生干涉 。
Fig •２ Fig •１ Configuration of a M Z interferometer
Side view of a waist enlarged fusion bitaper
光纤粗锥是在熔接过程中增大了两端推进量而推挤形成 的 。为了得到理想的光纤粗锥 ，我 们 反 复 对 熔 接 程 序 进 行 了 修改 ，发现熔接效果主要受推 进 距 离 这 个 参 量 的 影 响 。推 进 距离不足 ，会使粗锥 粗 锥 形 不 明 显 ，往 往 会 出 现 细 锥 。若 推 进距离过量 ，则 会 使 熔 接 点 附 近 的 光 纤 受 到 过 大 的 挤 压 应 力 ，甚至会使熔接好 的 光 纤 因 受 到 很 强 的 挤 压 应 力 而 折 断 ， 严重影响了熔接的成功率 。反 复 实 验 ，最 终 将 推 进 距 离 设 置 在 ２００ ～ ２８０ μ ｍ 的范围内 ，预熔时间设置在 ２３０ ～ ３００ ｍｓ 的 范围内 。图 ２ 为用该方法制作 的 光 纤 粗 锥 实 物 照 片 。光 纤 锥 的长度约为 ４１０ ～ ４１ ５ μ ｍ ，直 径 约 为 １ ６５ ～ １ ７０ μ ｍ ，光 纤 锥 。用以上的熔 接 方 的直径大于普通单模光纤的直径 （ １２５ μ ｍ） 法级联熔接两个 光 纤 粗 锥 ，便 可 以 制 作 出 光 纤 Ｍ Ｚ 干涉传 感器 。 （ ３） 图 ３ 为传感臂长度为 ３５ 和 ８ ｍｍ 时 的 Ｍ Ｚ 传感器的传 输光谱 。实验发现 ，传感臂长度 与 干 涉 周 期 数 目 存 在 线 性 关 系 ，如图 ４ 所示 。当传感臂长度从 ５ ｍｍ 增 加 到 １ ６０ ｍｍ 时 ， 在 １ ５２０ ～ １ ６００ ｎｍ 这 ８０ ｎｍ 波 长 范 围 内 ，干 涉 周 期 数 目 从 ０ ．５ 个增加到 ２５ 个 ，且线 性 度 达 到 ０ ．９９９ 。实 验 结 果 可 以 用 式（ 解释 ，即随着传感臂长度 Ｌ 的增加 ，条纹间 隔 Λ 减 小 ， ４） 因此单位范围内 ，干涉条纹的周期也会相应的变多 。
一种全光纤Mach-Zehnder干涉式温度传感器设计
一种全光纤Mach-Zehnder干涉式温度传感器设计
宫顺顺;李丽君;蒋露;张艳;李文宪;徐琳
【期刊名称】《中国新通信》
【年(卷),期】2017(019)002
【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.
【总页数】3页(P26-28)
【作者】宫顺顺;李丽君;蒋露;张艳;李文宪;徐琳
【作者单位】山东科技大学;山东科技大学;山东科技大学;山东科技大学;山东科技大学;山东科技大学
【正文语种】中文
【相关文献】
1.基于多模-细芯-多模光纤结构的Mach-Zehnder干涉仪的温度传感实验研究 [J], 李辉栋;傅海威;邵敏;雍振;张旋
2.一种基于空芯光纤的微型Mach-Zehnder干涉仪 [J], 闫小军;刘艳;李卫东
3.基于全光纤Mach-Zehnder干涉仪的温度测量系统 [J], 周哲海;巫建坤
4.一种光纤Mach-Zehnder干涉仪的相位补偿方案 [J], 赵素贵;柴金华
5.基于Bitaper-LPFG-Bitaper结构的全光纤Mach-Zehnder干涉仪的温度传感特性 [J], 张琪;周骏;陈金平;谭晓玲
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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
[1] 叶杨高,张安临.基于金属热膨胀式光纤温度传感器的设计[J].传感器世界,2007(4):33-36.
[2] 王化祥,张淑英.传感器原理及其应用[M].天津大学出版社,2004(7).
[3] 张洪润,张亚凡.传感技术与应用教程[M].清华大学出版社,2005(1).
[4] 王守权,张绍良,张薇.干涉条纹计数器的研制[J].长春邮电学院学报,2000(2):55-59.
[5] 王海潼,袁俊飞,刘姣姣.光纤温度传感器的设计与实现[J].电子测量技术,2007(2):68-71.。