CN101482433A - 双包层光纤温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双包层光纤温度传感器，包括阶跃型光纤上一段长为2～6mm的、由纤芯、内包层和外包层组成的双包层传感段，以及固定外包层的装置，所述传感段的内包层是光纤的原有包层被部分腐蚀掉而形成的，其外径为11～20um。所述外包层是聚合物材料涂覆在内包层上而形成的。本发明与现有光纤传感器相比，不仅具有绝缘性能好、抗电磁干扰等优点，还具有结构简单、制作成本低、信号的采集与转换成本低廉等优势。而且，在一定条件下，环境温度变化10℃，传感器输出的光功率信号能有－50dB的变化。因此，本发明特别适合用于温度的报警，可广泛用于石油的生产、加工和储存、变电所或大型变压器内部等场所的远距离温度传感与报警。

Description

双包层光纤温度传感器

技术领域

本发明涉及一种利用光纤远距离温度传感的器件，特别涉及一种利用双包层光纤结构的温度传感方法及其在温度报警方面的应用。

背景技术

光纤温度传感器由于具有抗电磁干扰能力强、绝缘性能好等独特优势，它已成为传感技术的一个主导方向之一。光纤温度传感器采用的检测技术主要有：干涉测量法、喇曼散射、布里渊散射、布拉格光栅和荧光测量法。干涉测量法中，目前应用最广的是法布里-泊罗光纤温度传感器，但传感器输出光强信号十分微弱，因此需要代价很高的信号采集与处理技术；采用Mach-Zehnder结构的干涉测量法，对传感器制作工艺要求高。基于喇曼散射和布里渊散射的分布式光纤温度传感技术、基于布拉格光栅和荧光测量法的光纤温度传感技术中，都需要对传感器数据进行还原和融合，不能直接解释传感数据，使得解调信号成本很高。总之，应用成本高是导致光纤温度传感器不能广泛应用的主要原因之一。光纤温度传感器在消防安全方面的一个重要用途，是在石油的生产、加工和储存、变电所或大型变压器内部等场所的温度传感与报警。因此，提供一种制作成本低、解调信号成本低的光纤温度传感器是非常有必要。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、制作与解调信号的成本低廉、可实现远距离监测的光纤温度传感器。

本发明的目的通过下述技术方案实现：双包层光纤温度传感器，包括阶跃型光纤上一段由纤芯、内包层和外包层组成的双包层传感段以及固定外包层的装置，所述内包层是阶跃型光纤的原有包层被部分腐蚀掉而形成的；所述外包层是用聚合物材料涂覆在所述内包层上而形成的；所述固定外包层的装置，是玻璃槽、槽形陶瓷片、或者是用金属丝绕成的螺线管。

本发明的作用原理是：当内包层厚度小于，或者等于光波在阶跃型光纤的纤芯与内包层界面上的贯穿深度时，外包层材料折射率的变化，将影响纤芯内光波的传输损耗。当环境温度变化时，传感段上外包层材料的折射率将随之变化，从而引起纤芯内光束的传输损耗发生变化。通过探测光束传输损耗的变化，实现对环境温度的检测。

聚合物材料通常具有负热光系数，当环境温度升高，使外包层材料的折射率减小至接近或者等于内包层材料的折射率时，经过传感段的传输光束的功率将从衰减极大变化到衰减极小。当外包层材料的热光系数等于0.0003，内包层外径为12um时，环境温度变化10℃可以使传输光束的损耗变化范围达到-50分贝(dB)。这种陡峭的光功率衰减特性可以实现温度报警功能。因此，本发明特别可应用于温度报警。

本发明相对于现有的光纤温度传感技术具有如下的优点及效果：(1)可靠性高、重复性好。因其对温度的敏感来源于材料的热光特性；(2)结构简单、制作成本低；(3)传感信号是光功率信号，在环境温度从低温接近或等于报警温度之时，是光强信号接近或等于最大值之时。因此信号的采集和转换技术成本低，不需要昂贵的仪器；(4)设计灵活。可以选择不同的内包层外径、光束波长和外包层材料，实现不同温度范围的高精度检测，或者用于不同温度点的报警；(5)具有一般光纤传感器所共有的优势，抗电磁干扰、绝缘性能好。因此，在石油的生产、加工和储存、微波加热治疗、变电所和大型变压器内部等场所的温度传感与报警方面具有不可替代的应用价值。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1所示结构中的双包层结构剖视图。

图3是实施例1针对1550nm波长的光功率衰减特性曲线图。

图4是实施例1针对1310nm和850nm波长的光功率衰减特性曲线图。

图5是实施例2～4针对1550nm波长的光功率衰减特性曲线图。

图6是实施例5～6针对1550nm波长的光功率衰减特性曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本发明的结构如图1和图2所示，由图1和图2可见，阶跃型光纤1采用康宁SMF-28e。光纤1中传感段长度为图示L，内包层外径为图示R。直径为0.13mm的金属丝绕成螺线管2，其螺距D为0.3mm，其内径稍大于光纤1的外径，使光纤1刚能穿过其中，其长度大于L，本实施例中取9mm。外包层3采用道康宁公司生产的聚合物材料OE-4110，其热光系数等于0.0003，在22℃温度上对1554nm波长的折射率为1.4600。使用武汉光讯科技股份有限公司的台式稳定化光源和台式光功率计，数字电子温度传感器，检测了传输光束经过传感段后光功率损耗随温度的变化。

本实施例中，传感段长度为3mm，内包层外径为12μm。根据所用聚合物材料固化的要求，将含有传感段的光纤放在表面温度达110℃的加热器上加热三小时。本实施例针对1550nm波长的光功率损耗随温度变化的实验曲线如图3所示。这一实验证实：外包层材料热光系数为0.0003，内包层外径为12um，环境温度从53℃变化到63℃时，光功率损耗从-61.66dB减小到了-3.14dB，变化范围达到了-58dB。

本实施例针对1310nm和850nm波长的光功率损耗随温度变化的实验曲线如图4所示。相对于-50dB的损耗变化范围，1310nm和850nm波长所对应的温度范围分别为：44℃～54℃和48℃～58℃。由此可见，同样的传感段，传输光束的波长不同，对温度的敏感范围不同。

实施例2～4

与实施例1不同的是，内包层外径分别为13μm、16μm和20μm，其它与实施例1相同。这3个实施例针对1550nm波长的光功率损耗随温度变化的实验曲线都显示在如图5中。对应于实施例2～4的损耗陡峭变化区域的范围分别为：-50dB、-43dB和-7dB。从图5中还看到，对应于实施例2～4的最小光功率损耗(即插入损耗)分别为：-3.8dB，-1.7dB和-1.5dB。从这两组数据可见，内包层外径越小，光功率损耗陡峭变化区域的范围越大，插入损耗也越大。

实施例5

与实施例1不同的是，传感段长度为5.6mm，内包层外径为13μm，其它与实施例1相同。本实施例的传感器针对1550nm波长的光功率损耗随温度变化的实验曲线显示在图6中。本实施例与实施例2的损耗陡峭变化区域的范围相同。由此可见，传感段长度从3mm变化到5.6mm，其它与实施例1相同时，损耗变化范围没有变化。

实施例6

与实施例1不同的是，传感段长度为2.3mm，内包层外径为11μm，其它与实施例1相同。本实施例的传感器针对1550nm波长的光功率损耗随温度变化的实验曲线也显示在图6中。仅从内包层外径的角度看，根据实施例2～4的结论，其损耗陡峭变化区域的范围应该大于-50dB。但本实施例的损耗陡峭变化区域的范围为-40dB。由此可见，传感段长度小于3mm后，传感段长度的减小将使损耗变化范围大大减小。

上述实施例证实：(1)当外包层材料的热光系数等于0.0003，内包层外径小于13um时，环境温度变化10℃时，传输光束损耗的变化范围大于-50dB，见图3。(2)采用相同的外包层材料和内包层外径的传感器，对不同波长的传输光束，其光功率损耗对温度的敏感范围不同，见图3和图4。(3)采用相同的外包层材料和使用相同波长的传输光束的传感器，内包层外径不同，其光功率损耗陡峭变化的范围不同，见图5。(4)根据实施例5～6，传感段的长度可取为3mm。从上述实施例可知，通过制作不同的内包层外径、或者使用不同波长的传输光束、或者选择不同的外包层材料，双包层光纤温度报警器可以对不同范围的温度进行高精度传感，可以实现对不同定点温度的报警。

上述实施例为本发明的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制。其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1、一种双包层光纤温度传感器，其特征在于：阶跃型光纤上一段由纤芯、内包层和外包层组成的双包层传感段以及固定外包层的装置。

2、根据权利要求1所述的双包层光纤温度传感器，其特征在于：所述传感段的长度为2～6mm，所述内包层是阶跃型光纤原有的包层被部分腐蚀掉而形成的，其外径为11～20um。

3、根据权利要求1所述的双包层光纤温度传感器，其特征在于：所述外包层是热光系数等于0.0003的聚合物材料涂覆在内包层上而形成的。

4、根据权利要求1所述的双包层光纤温度传感器，其特征在于：所述固定外包层的装置，是玻璃槽、槽形陶瓷片、或者是用金属丝绕成的螺线管。

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