付　華，王新鑫，徐耀松

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，遼寧葫蘆島　125105)

0　引言

目前，POF(聚合物光纖)已被廣泛用于工業(yè)、汽車電子業(yè)等領(lǐng)域。相比石英光纖，POF特點鮮明，如芯徑大(從幾百μm到幾mm)、數(shù)值孔徑大、價格低廉、柔韌性好、靈活性強等。它在多接頭、多節(jié)點的短距離信息傳遞方面市場潛力巨大，如局域網(wǎng)LAN、用戶環(huán)路、網(wǎng)絡(luò)電視等。光纖已經(jīng)以多種形式應(yīng)用到液位測量上，許多國家已研制出大量功能齊全、自動化程度高的高精度傳感器。而國內(nèi)研制出的可用于實際應(yīng)用的測量系統(tǒng)，可靠性、精確性、功能性都比國外低，亟待發(fā)展[1]。

光纖依靠光的全反射來傳遞信號，根據(jù)全反射幾何原理可知，若外部介質(zhì)折射率發(fā)生變化，該交界面全反射條件也隨之改變，光纖內(nèi)滿足全反射的光信號模式數(shù)跟著變化，因此光信號的功率損耗隨之變化，接收端可測得這一變化，即可反映出外部媒介的變化。

文中引入了耦合傳感的理念，使傳感器擁有了自參照特性[2-3]。傳感器本身變成了一個耦合器，耦合比(K)的變化反映外部媒介不同的折射指數(shù)，要特別指出的是，此種傳感器的敏感參數(shù)K并不受它所在鏈路或網(wǎng)絡(luò)的傳輸功率波動或者不良功率的干擾，在檢測時免去了復(fù)雜且精度要求很高的光源補償過程，因此將其命名為自參照型POF耦合傳感器。這種傳感器可鑒別液體的類型，分辨氣液體之間的變化，因此也可作為液位信號器，應(yīng)用于液位上下限檢測和報警等。

1　理想耦合傳感原理

光纖的基本結(jié)構(gòu)包括纖芯、包層和保護層三部分。根據(jù)纖芯區(qū)域折射率徑向分布不同，可將光纖分為兩類：階躍型或突變型光纖(SI-POF)；漸變型或梯度型光纖(GI-POF)。文中研究的自參照POF耦合傳感器是利用多模SI-POF制作的。

1．1光在SI-POF中的傳輸特點

階躍型光纖(SI-POF)的折射率在纖芯和包層交界處突變(圖1)，纖芯折射率n1明顯高于包層折射率n2，光纖依靠兩者的差值Δn工作，使?jié)M足全反射條件的光線被限制在光纖中，沿著光纖的方向前進，達到傳遞信息的目的。

圖1　階躍型光纖結(jié)構(gòu)特點

纖芯與包層的相對折射率差可表示為

(1)

光線受纖芯與包層界面全反射條件的限制存在一個耦合到光纖中的最大入射角θmax，這是入射光線在纖芯中以導(dǎo)模形式傳輸?shù)谋匾獥l件，只有入射角小于θmax的光線才能在光纖中作長距離傳輸。

最大入射角需滿足的全反射條件如式(2)所示：

(2)

式中φc為入射角的臨界值。

1．2彎曲和拋光對功率損耗的影響

當(dāng)光纖彎曲時，接收端所獲得的功率損耗會隨之增加，大小取決于所選光纖特性。人為改變相對折射率差，也會影響功率損耗的大小。文中利用該原理，將光纖側(cè)面進行部分拋光，削去的這部分包括包層和部分纖芯。將拋光后的光纖置于空氣中，此時折射率差變成了n′=(n1-nair)/n1，說明功率損耗發(fā)生相應(yīng)變化，這一變化反映出外部媒介的變化。

首先，考慮將光纖剝?nèi)ケＷo層后置入空氣中(nair=1)，纖芯中傳播的光線在芯包界面會出現(xiàn)2個結(jié)果：一種是透過纖芯包層界面折射入包層當(dāng)中；另一種是經(jīng)反射繼續(xù)在纖芯中傳播。發(fā)生第二種情況需要滿足全反射條件，剛好滿足該條件的入射角應(yīng)為αc=arcsin(ncl/nco)，所以入射角α大于αc的光線在纖芯-包層界面上都會發(fā)生全反射。在包層-空氣界面也有2種光線：一種會折射出包層-空氣界面；另一種則在包層-空氣界面發(fā)生全反射。圖2為彎曲的光纖在介質(zhì)中的情況。

圖2　彎曲的光纖在介質(zhì)中

再將其置于水中，考慮這2個值：光剛好在纖芯-空氣界面發(fā)生全反射的入射角αc1=arcsin(nair/nco)和剛好在纖芯-水界面發(fā)生全反射的入射角αc2=arcsin(nwater/nco)。由nco=1.492，nair=1，nwater=1.33，可得αc1=42.09°，αc2=63.05°，αc1<αc2，說明纖芯-空氣界面更易發(fā)生全反射，當(dāng)外部媒介由空氣變?yōu)樗?，光在纖芯中傳播的模式數(shù)減小，功率損耗增加[3]。

1．3理想耦合傳感的引入

文中引入了耦合傳感的理念，使傳感器擁有了自參照特性。耦合方案如圖3所示，其中P1是輸入端口，P3為備用輸入端口，P2和P4分別為直接輸出端口和耦合輸出端口。

圖3　耦合區(qū)域示意

圖3中T、R和g分別定義為菲涅爾傳輸系數(shù)、應(yīng)用到傳感區(qū)域的彎曲半徑和耦合區(qū)域兩種光纖的纖芯之間距離。

該裝置的耦合比定義為

K=P2/(P2+P4)

式中P2、P4分別為P2、P4端口所接收的光功率。

在多模光纖中引入一個彎曲，光束在纖芯與外部媒介交界面的入射角增加，使部分光從光纖中折射出來，減少光纖內(nèi)滿足全反射的光的模式數(shù)，這部分折射光使得接收端的功率損耗增加。如果纖芯的折射率nco約等于包層折射率ncl，則可認為菲涅爾傳輸系數(shù)T與光纖中折射光束之間的關(guān)系如下式：

(3)

式中：θ是光束與芯包面法線之間的入射角；θc是臨界角，定義為θc=sin-1(ncl/nco)。

當(dāng)θ≤θc時，光束在纖芯中發(fā)生折射，同時會產(chǎn)生功率損耗。從式(3)可以看出，θc的值越大T就越大[4]。

當(dāng)傳感器處于不同外部媒介中，即外部媒介折射率改變，光纖內(nèi)滿足全反射的光的模式數(shù)變化，光功率損耗將隨之改變，使得端口P4獲得的光功率發(fā)生變化，耦合比K隨之變化。

油的折射率(noil=1.46)非常接近光纖包層的折射率(ncl=1.417)，所以當(dāng)所浸入的液體是油時，幾乎所有傳輸?shù)墓饩€都被折射到光纖外部。在這種情況下，T值增加，P4接收到的光功率減小。因此，耦合比K越大，耦合器就越具引導(dǎo)性。隨著液體的折射率減小(nwater>nair)，在纖芯內(nèi)傳輸?shù)墓夤β时壤搽S之增加，當(dāng)然P4接收到的光功率就增加，K則減小。K的變化是可以測量得到的，因此它可以識別液體的種類，也能區(qū)分氣液體之間的變化。

2　新型自參照POF耦合傳感器的仿真和實驗

2．1對擬定傳感器的仿真

利用射線跟蹤法可將光看成射線，可用于計算經(jīng)拋光處理的光纖相對不同曲率半徑所擁有的系數(shù)T，同樣也可估算K的變化。因此光可以被看做是在無窮小的截面內(nèi)沿纖芯傳播的平行射線，而另外的輻射損失是由經(jīng)向射線造成的，在同一個平面內(nèi)，這些射線的獲取決定于纖芯的對稱軸和該彎曲的曲率中心。為減少仿真的計算時間，光纖的包層與液體接觸面近似成10 μm厚度的包層已得到近似的結(jié)果，這樣可以直接考慮纖芯與液體的接觸面。

圖4顯示了以水作為環(huán)境液體，耦合比K相對不同曲率和拋光深度的仿真結(jié)果。上述提到的方法也被納入了該仿真中(纖芯與液體直接接觸面)。A點與制作的模型需要較少計算時間的要求相符合。

圖4　仿真過程中耦合比K-拋光深度曲線

2．2耦合傳感器的制作

制作該傳感器需要2根多模PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)SI-POF(外徑為1.00 mm，纖芯內(nèi)徑為0.98 mm，纖芯折射率nco=1.492，包層折射率ncl=1.417，數(shù)值孔徑為0．467，型號ESKA CK40)，將部分保護層移除，并進行拋光處理(拋光深度ε=(0.23±0.01)mm)。在檢測區(qū)域的部分用無縫接口粘合在一起。當(dāng)側(cè)剖彎曲的聚合物光纖時，會在表面形成橢圓形平面，短軸和長軸分別設(shè)為2x和2y，見圖5。

拋光深度ε與光纖半徑a以及彎曲半徑R關(guān)系為

ε=(a+R)-[(a+R)2-y2]1/2

式中：y是橢圓長軸半徑；彎曲半徑R由實驗而定。

為了適應(yīng)新時代中國社會主要矛盾的變化，找尋全面建設(shè)小康社會、開啟全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家的途徑，適應(yīng)中國經(jīng)濟由高速增長階段轉(zhuǎn)型為高質(zhì)量發(fā)展階段，轉(zhuǎn)換發(fā)展動能，實現(xiàn)經(jīng)濟發(fā)展轉(zhuǎn)型升級，十九大提出了“現(xiàn)代化經(jīng)濟體系”，為了實現(xiàn)建設(shè)現(xiàn)代化經(jīng)濟體系的目標，推動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級，建設(shè)現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)體系是必不可少的。在鄉(xiāng)鎮(zhèn)實施產(chǎn)業(yè)扶持政策，建立產(chǎn)業(yè)園區(qū)，由點及面、由小及大，為實現(xiàn)全國范圍內(nèi)的現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)體系的建設(shè)發(fā)揮了重要作用。因此，應(yīng)該加強對鄉(xiāng)鎮(zhèn)產(chǎn)業(yè)園區(qū)的研究，為鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)的現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)體系建設(shè)提供科學(xué)理論支持。

2．3進行液體檢測并分析其性能

檢測方案設(shè)計如圖6所示。實驗的光源必須滿足光纖對光源的譜寬、波長、輸出功率和光線發(fā)散角的要求，文中選用激光二極管(Roithner，class Ⅲ)調(diào)整為λ=630 nm，用來照射輸入端口P1，在接受端選用一個雙通道光功率計。首先將POF耦合傳感器置于空氣中進行實驗，然后分別浸入裝有水和油的容器。

圖6　實驗裝置

實驗過程中，每個傳感器的配置都進行了5次測試，每個配置取決于應(yīng)用到該傳感器的曲率半徑和外部媒介的液體類型。如果將重復(fù)率定義為在一定數(shù)量的試驗周期下的輸出參數(shù)變化的比例(在相同條件下)，則找到的最差情況是1.02％(R=25 mm、空氣作為外部媒介)，這是個很好的結(jié)果。所有的實驗都在環(huán)境溫度T=28.6 ℃(平均溫度)的情況下進行，最大偏差ΔT=±3 ℃．此外，將不同的彎曲半徑(R=60 mm、25 mm、12 mm、7 mm)在光纖傳感區(qū)域進行嘗試應(yīng)用和研究。

2．4自參照特性測試

自參照特性測試，以證明這個擬定的耦合傳感器固有的自參照特性。圖7顯示了對于不同的彎曲半徑和處于不同的外部媒介時耦合比K的測量均值和誤差范圍。在傳感區(qū)域的外部液體固定的情況下，K值因不同的彎曲半徑而變化。采用適當(dāng)?shù)目刂齐娐泛蜋z測方案，液體的種類是可以被鑒別的，其中當(dāng)彎曲半徑R=25 mm時靈敏度最高。在這個傳感器配置條件下，獲得以下耦合比：Ka=0.545±0.0014(空氣)，Kw=0.563±0.0007(水)，Ko=0.605±0.0017(油)；耦合比增量ΔK1=0.018(從空氣到水)，ΔK2=0.060(從空氣到油)，ΔK3=0.042(從水到油)。在所有情況下，測量誤差都至少低于均值1個數(shù)量級。完全可滿足識別液體種類和區(qū)分氣液體間變化的條件。

圖7　耦合比K與彎曲半徑對應(yīng)關(guān)系

為了將測量值與模擬結(jié)果做對比，任選一點，獲取1個模擬值K=0.75，與其對應(yīng)的是ε=0.23 mm，R=7 mm，以水作為外部媒介(見圖4中的A點)。由圖7可以找到，擁有這些參數(shù)配置的傳感器的耦合比測量值是K=0.744。仿真和經(jīng)實驗測定的K值是一致的。文中所應(yīng)用的仿真技術(shù)可以幫助優(yōu)化此類型傳感器物理參數(shù)的設(shè)計。

介于它的自參照特性，對其獨立性也進行了測試檢驗。結(jié)果如圖8所示，其中假設(shè)了4種不同的鏈接損耗，從1 dB到4 dB．相對于標準耦合比K=0.54，獲得的最大的偏差為ΔK=±0.002，其中每個配置6次測試，每0.5 h 1次。

圖8　耦合比K與鏈接損失的關(guān)系

3　傳感器溫度特性研究

3．1傳感器的溫度特性檢驗

對于該傳感設(shè)備的溫度特性測試是在一個人工氣候室內(nèi)完成的，溫度變化范圍是25～50 ℃．圖9中顯示了在這個溫度變化范圍內(nèi)K值的偏差。

圖9　耦合比K-溫度曲線

該傳感器的耦合比偏差與它的標準值相比有1％左右的偏差(ΔK≤0.006)。這個偏差主要來源于傳感器的制作過程中所應(yīng)用的膠。

3．2不同狀態(tài)POF的溫度特性

圖10顯示了不同狀態(tài)的聚合物光纖(POF)的溫度特性。做了5種測試：“初始POF”(未經(jīng)任何處理的光纖)，“裸POF”(剝?nèi)ケＷo層的光纖)，“拋光POF”(經(jīng)部分拋光的光纖)，“裸POF+膠層”(剝?nèi)ケＷo層并且加上一層膠層)，“拋光POF+膠層”(經(jīng)部分拋光并且加上一層膠層)。

圖10　不同狀態(tài)POF的溫度特性

相對于裸光纖，經(jīng)拋光處理的光纖會受溫度升高的影響更加明顯，但從圖10可以觀察出，當(dāng)處于同一種狀態(tài)時，輸出光功率的變化主要來源于膠層的影響，因有無膠層引起輸出功率的偏差隨著溫度的升高而增加，在50 ℃時偏差最大。

4　結(jié)束語

文中擬定的理想POF耦合傳感器與實際制作而成的耦合傳感器有著良好的呼應(yīng)，證實了耦合傳感的優(yōu)勢，自參照性得到了充分體現(xiàn)，精確性和穩(wěn)定性也都達到了相應(yīng)的要求。發(fā)射端和接收端之間任何位置光功率的不良變化都不會影響K的值，因為它同時作用于2個輸出端(P2和P4)，而它們之間的比例是不變的。沒有必要調(diào)整光源來限制環(huán)境光帶來的影響，免去了復(fù)雜的光源補償?shù)冗^程，這就可以大大降低整個傳感網(wǎng)絡(luò)的成本。該傳感器有2種功能：可鑒別液體類型；由于可分辨氣液體間的變化，因此也可作為液位信號器，應(yīng)用于液位上下限檢測和報警等。在以后的工作中還需要對傳感器的穩(wěn)定性、精確性以及外觀設(shè)計進行研究，尤其是耦合區(qū)域的制作處理。

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