CN101620015B - 微型光纤集成的光纤迈克尔逊干涉式温度传感器、制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型光纤集成的光纤迈克尔逊干涉式温度传感器，光子晶体单模光纤一端的纤芯上分别有两个与光纤轴向垂直的反射面，两个反射面前后错落的排列在纤芯端部。本发明还公开了本发明的微型光纤集成的光纤迈克尔逊干涉式温度传感器的制作方法。本发明的有益技术效果是：提供了一种制作简单、成本低廉、性能可靠、适用范围广、抗干扰能力强的光纤迈克尔逊干涉式温度传感器。

Description

微型光纤集成的光纤迈克尔逊干涉式温度传感器、制作方法

技术领域

本发明涉及一种光纤传感技术，具体地说涉及一种微型光纤集成的光纤迈克尔逊干涉式温度传感器、制作方法。

背景技术

光纤传感技术是20世纪70年代末新兴的一项技术，在全世界形成了研究热门，已与光纤通信并驾齐驱；光纤传感器由于其优越的性能而备受青睐，其具有以下优点：体积小、质量轻、抗电磁干扰、防腐蚀、灵敏度很高、测量带宽很宽、检测电子设备与传感器可以间隔很远等优点，可以构成传感网络。光纤干涉仪采用光干涉技术，其测量精度比普通光纤传感器的测量精度更高。

光纤传感器可分为传光型(非功能型)和传感型(功能型)两大类.在传光型光纤传感器中，光纤仪起到传输光波的作用，必须在光纤端部或中间安装其它敏感元件才能组成完整的传感器；而传感型光纤传感器则利用光纤本身的敏感特性进行工作，干涉型光纤传感器就属于这一类，它通过检测由调制光信号的相位改变引起的输出效果如光强的变化而获得外场信息，从而达到传感目的。

光纤干涉式传感器因其精度高，抗电磁干扰能力强而受到人们的青睐。普通的布拉格光纤光栅因其本身不耐高温，大多采用辅助材料的热膨胀或是热传导来测量高温，降低了传感器的集成度。长周期光纤光栅在高温下其谱线依然良好，但长周期光纤光栅由于存在严重的弯曲敏感性，从而使其测量的可靠性降低。基于非本征珐珀的高温传感器由于使用光学胶粘接方法制作传感器，因而测量的温度也很有限，一般低于500℃。在线型珐珀腔采用了电弧熔接的方法来制作，其所用材料都是SiO2，它具有结构稳定、集成度高、耐高温等优点，但由于SiO2的热膨胀相对较小，因此温度灵敏度不高。但传统迈克尔逊干涉式温度传感器是由两个平面镜和一个分光镜组成的系统，其装配精度要求高；光纤迈克尔逊干涉式温度传感器因参考臂和传感臂分立，参考臂受外界振动温度等干扰大。

发明内容

本发明提出了一种微型光纤集成的光纤迈克尔逊干涉式温度传感器，其结构为：光子晶体单模光纤一端的纤芯上分别有两个与光纤轴向垂直的反射面，两个反射面前后错落的排列在纤芯端部。

前后错落的排列在纤芯上的两个反射面在光子晶体单模光纤纤芯端部形成梯形剖面；纤芯端面形成测量臂反射面，梯形剖面底部形成参考臂反射面。

为了得到前述结构的传感器，可采用如下两种方案：

方案一：光子晶体单模光纤纤芯轴向有孔，该孔横截面与光子晶体单模光纤纤芯横截面部分交叠，使纤芯端面形成测量臂反射面，梯形剖面底部形成参考臂反射面。孔底与光子晶体单模光纤轴向垂直，孔的深度为10μm到1mm。

方案二：光子晶体单模光纤端头部分，有沿光子晶体单模光纤轴向的柱状切口，该柱状切口的横截面与光子晶体单模光纤纤芯横截面部分交叠，使使纤芯端面形成测量臂反射面(1)，梯形剖面底部形成参考臂反射面(2)。

分别与两种方案对应的加工方法，其步骤如下：

方案一的加工方法：

1)利用光纤切割刀将光子晶体单模光纤端面切平；

2)利用激光微加工方法在光子晶体单模光纤端面钻孔，该孔的横截面与纤芯横截面部分重合，孔底端面与光纤轴向垂直，孔的深度为10μm到1mm。

方案二的加工方法：

1)利用光纤切割刀将光子晶体单模光纤端面切平；

2)利用激光微加工方法沿光纤纵向切割光子晶体单模光纤，使光子晶体单模光纤形成梯形结构；被切割部分的横截面与纤芯横截面部分重合，且切口底部平面与光纤轴向垂直。

采用本发明传感器所组成的检测装置结构为：它包括宽带光源、1×2耦合器、一台光谱仪、计算机和微型光纤集成的光纤迈克尔逊干涉式温度传感器；其中，带光源连接到1×2耦合器的一端，耦合器的另一端连接到微型光纤集成的光纤迈克尔逊干涉式温度传感器，形成反射干涉谱线，经由1×2耦合器连接到光谱仪，计算机与光谱仪通信连接，来处理数据。

本发明的有益技术效果是：提供了一种制作简单、成本低廉、性能可靠、适用范围广、抗干扰能力强的光纤迈克尔逊干涉式温度传感器。

附图说明

图1、采用切口方式构成的本发明传感器结构图；

图2、与图1结构相对应的传感器端面图；

图3、采用钻孔方式构成的本发明传感器结构图；

图4、与图3结构相对应的传感器端面图；

图5、采用本发明传感器组成的检测装置结构图；

测量臂反射面1、参考臂反射面2、微型光纤集成的光纤迈克尔逊干涉式温度传感器3、1×2耦合器4、宽带光源5、光谱仪6、计算机7；

具体实施方式

本发明的传感器结构为：光子晶体单模光纤一端的纤芯上分别有两个与光纤轴向垂直的反射面，两个反射面前后错落的排列在纤芯端部。前后错落的排列在纤芯上的两个反射面在光子晶体单模光纤纤芯端部形成梯形剖面；纤芯端面形成测量臂反射面1，梯形剖面底部形成参考臂反射面2。

参见图1至4，为了得到这种两个反射面结构的传感器，可以采用两种结构形式：其一，光子晶体单模光纤纤芯轴向有孔，该孔横截面与光子晶体单模光纤纤芯横截面部分交叠，使纤芯端面形成测量臂反射面1，梯形剖面底部形成参考臂反射面2，孔底与光子晶体单模光纤轴向垂直，孔的深度为10μm到1mm。其二，光子晶体单模光纤端头部分，有沿光子晶体单模光纤轴向的柱状切口，该柱状切口的横截面与光子晶体单模光纤纤芯横截面部分交叠，使使纤芯端面形成测量臂反射面1，梯形剖面底部形成参考臂反射面2。

参见图5，采用本发明结构的传感器所组成的测量装置，它包括：宽带光源5、1×2耦合器4、光谱仪6、计算机7和本发明的传感器；1×2耦合器4的三个连接端分别与宽带光源5、光谱仪6、本发明的传感器三者光路连接，光谱仪6与计算机7通信连接；宽带光源5发出的光束经1×2耦合器4进入本发明的传感器，并在传感器中形成反射干涉谱线，反射干涉谱线又经1×2耦合器4传输到光谱仪6，最后传输到计算机7。

宽带光源5输出一定带宽波长的激光(一般为C波段激光，1520nm～1570nm)，进入1×2个耦合器4，激光通过1×2耦合器4进入传感器中后，被分成强度相等的两束，分别照射到测量臂反射面1和参考臂反射面2上面。两光线经各自对应的反射面反射重新返回1×2耦合器4中，当传感器中两条光的光程差小于光源的相干长度时，两束光在1×2耦合器4与光谱仪6的连接端发生干涉，干涉信号进入光谱仪6，光谱仪6将反射干涉谱传输到计算机7内，由计算机7对数据进行处理。

将传感器设置在需要测量的温度环境内，由于温度的影响，传感器的折射率发生变化，导致光束在传感器内的光程差发生变化，通过光谱仪6探测这种变化，即可迅速得知温度的值。

本发明不仅具有光纤的抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好、防爆、体积小、重量轻、可绕性好等优点，还具有结构简单、条纹对比度好、信噪比高、条纹的计数和被测位移的计算关系简单的优点，使得本发明传感器测量温度的范围扩大大零下-20℃到1200℃，其温度灵敏度也比珐珀温度传感器高出近20倍，因此在实际工业应用中具有非常广泛的应用潜力。

Claims (6)

1.一种微型光纤集成的光纤迈克尔逊干涉式温度传感器，其特征在于：光子晶体单模光纤一端的纤芯上分别有两个与光纤轴向垂直的反射面，两个反射面前后错落的排列在纤芯端部，前后错落的排列在纤芯上的两个反射面在光子晶体单模光纤纤芯端部形成梯形剖面；纤芯端面形成测量臂反射面(1)，梯形剖面底部形成参考臂反射面(2)。

2.根据权利要求1所述的微型光纤集成的光纤迈克尔逊干涉式温度传感器，其特征在于：光子晶体单模光纤纤芯轴向有孔，该孔横截面与光子晶体单模光纤纤芯横截面部分交叠，使纤芯端面形成测量臂反射面(1)，梯形剖面底部形成参考臂反射面(2)。

3.根据权利要求2所述的微型光纤集成的光纤迈克尔逊干涉式温度传感器，其特征在于：孔底与光子晶体单模光纤轴向垂直，孔的深度为10μm到1mm。

4.根据权利要求1所述的微型光纤集成的光纤迈克尔逊干涉式温度传感器，其特征在于：光子晶体单模光纤端头部分，有沿光子晶体单模光纤轴向的柱状切口，该柱状切口的横截面与光子晶体单模光纤纤芯横截面部分交叠，使纤芯端面形成测量臂反射面(1)，梯形剖面底部形成参考臂反射面(2)。

5.一种微型光纤集成的光纤迈克尔逊干涉式温度传感器的制作方法，其特征在于：其步骤如下：

1)利用光纤切割刀将光子晶体单模光纤端面切平；

2)利用激光微加工方法沿光纤纵向加工光子晶体单模光纤，使光子晶体单模光纤形成梯形结构；被切割部分的横截面与纤芯横截面部分重合，且切口底部平面与光纤轴向垂直。

6.一种微型光纤集成的光纤迈克尔逊干涉式温度传感器的制作方法，其特征在于：其步骤如下：

1)利用光纤切割刀将光子晶体单模光纤端面切平；

2)利用激光微加工方法在光子晶体单模光纤端面钻孔，该孔的横截面与纤芯横截面部分重合，孔底端面与光纤轴向垂直，孔的深度为10μm到1mm。

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