CN101126666A - 高灵敏度光纤温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高灵敏度光纤温度传感器，属光纤传感技术。该光纤温度传感器包括铝或铝合金的管壳或盒壳，在管壳或盒壳内封装一段多模光纤，该多模光纤的纤芯为石英材料，其直径为50－250μm，它的包层是具有热光系数为－1.0×10^－4/℃至－5.0×10^－4/℃的聚酰亚胺材料；多模光纤的一端连接单模输入光纤，另一端连接单模输出光纤，单模输入和输出光纤与管壳或盒壳的端口之间是环氧树脂粘接剂。本发明的优点在于，结构简单，制造容易。该光纤温度传感器的灵敏度达到－3.915nm/℃，是现有波长编码型的光纤温度传感的数倍至数十倍，同时具有与FBG相同的波长编码和波分复用等特性，使用方便。

Description

高灵敏度光纤温度传感器

技术领域

本发明涉及一种光纤温度传感器，特别是一种具有波长编码特性的高灵敏度光纤温度传感器，属光纤传感领域。

背景技术

光纤传感具有许多电传感器不可比拟的优点，如不受电磁场以及其它外界环境变化的影响、灵敏度高、体积小、绝缘性好、可实现分布测量等，因此越来越受到重视。许多物理量如温度、应变、位移、湿度、压力、声音、振动等都可以使用光纤传感器进行高精度的测量。光纤传感已经广泛应用于建筑、石油、化工、交通、能源、冶金、医药、军工、食品、核工业等领域。

按照其工作原理，光纤传感器可分为强度调制型和波长编码型。顾名思义，以波长编码方式工作的光纤传感器是以光的波长作为被检测量的标识，即被检测量的变化将被转换成光的波长的变化。其最大优点就是被检测量的信息不会随光的强度的改变而发生变化，即被检测量的信息不会因为传输光纤的长短及光纤链路的损耗的大小而改变，这对于远距离测量是非常重要的。此外，具有波长编码功能的光纤传感器可以采用波长复用的方式将多个传感器串接在同一光纤链路中，从而实现多点或分布式测量。波长编码型光纤传感器的缺点是需要有波长解调功能的设备将被检测量从光的波长中提取出来，也就是说，需要测量光的波长。与强度测量相比，波长测量要复杂，一般需要通过光谱分析才能完成。

目前，已有多种方法和技术可以实现波长编码型的光纤温度传感，其中使用较广泛有采用光纤布拉格光栅(简称FBG)技术、长周期光纤光栅(简称LPG)技术、光纤F-P技术和光纤多模干涉(MMI)技术等。由标准通信光纤制作的FBG和MMI温度传感器的波长-温度灵敏度约为11pm/℃。LPG作为温度传感器时，其波长-温度灵敏度的大小和符号均取决于LPG所利用的包层模的阶数。目前已实现的波长-温度灵敏度在-140pm/℃至-340pm/℃。光纤温度传感器的波长-温度灵敏度是一个重要的技术指标，高的波长-温度灵敏度不仅有利于提高测量的精度和分辨率，还可以降低对波长解调系统的要求，从而可降低整个温度传感系统的制造成本。

发明内容

本发明的目的就是提供一种高灵敏度光纤温度传感器，该光纤温度传感器结构简单，灵敏度达到-3.915nm/℃，是现有波长编码型的光纤温度传感的数倍至数十倍，同时具有与FBG相同的波长编码和波分复用等特性。

本发明是通过下述技术方案加以实现的，一种高灵敏度光纤温度传感器，其特征在于，该光纤温度传感器包括铝或铝合金的管壳或盒壳106，在106内封装一段多模光纤102，该多模光纤的纤芯为石英材料，其直径为50-250μm，它的包层是具有热光系数为-1.0×10^-4/℃至-5.0×10^-4/℃的聚酰亚胺材料；多模光纤的一端连接单模输入光纤101，另一端连接单模输出光纤105，单模输入和输出光纤与管壳或盒壳的端口之间是环氧树脂粘接剂104。

本发明实现高灵敏度测温的原理如下：

由石英光纤组成的单模光纤-多模光纤-单模光纤(简称SMS)结构的光纤多模干涉传感器，其波长-温度灵敏度可表示为：

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1}{\mathrm{\λ}}=({\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\ξ}}_1)\mathrm{\ΔT}$

其中，α₁和ξ₁分别为多模光纤纤芯的热膨胀系数和热光系数。由于石英光纤材料的热膨胀系数和热光系数均为正值，因此当温度升高时SMS光纤多模干涉仪的干涉极大或极小对应的波长将向长波方向移动。另一方面，如在SMS光纤多模干涉仪的两端施加拉力，光纤将产生应变ε，由此引起的波长移动为：

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2}{\mathrm{\λ}}=-(1+2v+p_e)\mathrm{\ϵ}$

上式中，v为多模光纤纤芯材料的波松比；p_e为多模光纤纤芯材料的等效弹光系数。由上式可知，在在SMS光纤多模干涉仪的两端施加拉力将使SMS光纤多模干涉仪的干涉极大或极小对应的波长将向短波方向移动。

如果考虑多模光纤包层材料的热光特性，则由温度变化引起的SMS光纤多模干涉仪的干涉极大或极小对应的波长的变化可表示为：

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_3}{\mathrm{\λ}}=x{\mathrm{\δ}}_2\mathrm{\ΔT}$

其中，χ为常数；ξ₂为多模光纤包层材料的热光系数。实际波长的变化是上述各种因素的综合效应

Δλ＝Δλ₁+Δλ₂+Δλ₃＝λ[(α₁+ξ₁)ΔT-(1+2v+p_e)ε+χξ₂ΔT]。

当选用膨胀系数为α₂的封装(管壳或盒壳)材料，并将SMS光纤多模干涉仪的两端固定在该封装材料上。当温度变化时，由多模光纤纤芯材料与封装(管壳或盒壳)材料在膨胀系数上的差别所造成的应变为：

ε＝(α₂-α₁)ΔT

将此式代入Δλ的表达式，得到：

Δλ＝λ[(α₁+ξ₁+χξ₂)-(1+2v+p_e)(α₂-α₁)]ΔT。

由此可以看出，当多模光纤的包层材料为聚酰亚胺聚合物材料时，由于其热光系数ξ₂远大于石英材料的热光系数ξ₁，且为负值，故由聚酰亚胺聚合物为包层的SMS光纤多模干涉仪具有很高的温度灵敏度，且在符号上为负值。即当温度升高时，SMS光纤多模干涉仪的干涉极大或极小对应的波长向短波方向移动。同时，采用具有高热膨胀系数的封装材料也会使传感器温度灵敏度得到进一步的提高。

本发明的优点在于，结构简单，制造容易。该光纤温度传感器的灵敏度达到-3.915nm/℃，是现有波长编码型的光纤温度传感的数倍至数十倍，同时具有与FBG相同的波长编码和波分复用等特性，使用方便。

附图说明

图1为本发明高灵敏度光纤温度传感器结构示意图。

图中：101为输入单模光纤；102为多模光纤的纤芯；103为多模光纤的聚酰亚胺包层；104为粘接剂；105为输出单模光纤；106为铝或铝合金的管壳。

图2为光纤温度测量实验装置图。

图中：201为宽带光源；202为内设有本发明高灵敏度光纤温度传感器的温度循环箱；204为光谱仪。

图3为记录的光纤温度传感器的透射光谱图。

图4为实测温度与波长变化的关系。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。如附图1所示，输入单模光纤101和输出单模光纤105采用标准单模通信光纤(G652)，其纤芯直径为8.2μm，包层直径为125μm，数值孔径0.14。首先将其保护涂层除去，然后使用光纤切刀将其端面切成与其轴线垂直。多模光纤纤芯为纯石英，其直径为125μm，长度为55mm。多模光纤的包层103为聚酰亚胺材料，其直径为250μm，长度为45mm。使用光纤切刀将其端面切成与其轴线垂直。之后，将端面处理后的单模光纤和多模光纤放入光纤熔接机将三段光纤熔接在一起，构成SMS光纤多模干涉仪。为构成光纤温度传感器，使用环氧树脂将SMS光纤多模干涉仪在其两端固定在由铝合金加工成的金属管中。

对石英材料，已知其参数α₁＝5×10^-7/℃，ξ₁＝6.9×10^-6/℃，p_e＝0.22，v＝0.16。对于聚酰亚胺包层材料，其热光系数ξ₂在-1.0×10^-4/℃量级。所使用铝合金的膨胀系数α₂＝22×10^-6/℃。

图2为光纤温度测量实验装置图。201为宽带光源，其输出光谱范围为1520-1565nm，输出功率为5mW；202为温度循环箱，可以在-40℃至150℃设置和改变温度，其温度分辨率和稳定度为0.1℃；温度传感器置于温度循环箱202内；203为光纤光谱分析仪，作为光谱记录和波长解调设备。

图3为在温度为32.5℃时实验记录的光谱图，图中表示在实验所用的宽带光源有效光谱范围内，出现一个主要的干涉极小。

图4为实测温度与波长变化的关系。实验中以最明显的干涉极小为标识，在不同温度下测量该干涉极小所对应的波长。由实验结果可以看到，谐振波长的变化量与温度成直线关系，其斜率为负值。所选取的温度范围内(25-40℃)，波长-温度灵敏度为-3.195nm/℃，该值远大于其它已有波长编码型光纤温度传感器的波长-温度灵敏度。

本领域的专业技术人员都清楚，本发明的思想可采用上面列举的具体实施方式以外的其它方式实现。

Claims (1)

1.一种高灵敏度光纤温度传感器，其特征在于，该光纤温度传感器包括铝或铝合金的管壳或盒壳(106)，在(106)内封装一段多模光纤(102)，该多模光纤的纤芯为石英材料，其直径为50-250μm，它的包层是具有热光系数为-1.0×10^-4/℃至-5.0×10^-4/℃的聚酰亚胺材料；多模光纤的一端连接单模输入光纤(101)，另一端连接单模输出光纤(105)，单模输入和输出光纤与管壳或盒壳的端口之间是环氧树脂粘接剂(104)。

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