CN101650235A - 微型光纤内集成的光纤干涉式温度传感器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微型光纤内集成的光纤干涉式温度传感器及其制作方法，它由一根光子晶体光纤和一根普通单模光纤纤芯相对地熔接组成，且光子晶体光纤纤芯和普通单模光纤纤芯轴心偏置；其中，普通单模光纤的芯径大于光子晶体光纤实芯部分的芯径，光子晶体光纤包层空心孔直径大于普通单模光纤纤芯外径；普通单模光纤纤芯端面与光子晶体光纤纤芯端面的非重合部分即为参考臂反射面；晶体光纤的裸露端纤芯端面即为测量臂反射面；本发明的有益技术效果是：制作简单、精度高、响应时间快、可靠性高、体积小、抗振动、抗电磁干扰能力强、价格低廉。

Description

微型光纤内集成的光纤干涉式温度传感器及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种光纤传感技术，尤其涉及一种微型光纤内集成的光纤干涉式温度传感器及其制作方法。
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点，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，光纤仅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。
现有技术中，用于温度传感的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Michelson干涉仪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Michelson干涉仪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内集成的光纤干涉式温度传感器，它由一根光子晶体光纤和一根普通单模光纤纤芯相对地熔接组成，且光子晶体光纤纤芯和普通单模光纤纤芯轴心偏置；其中，普通单模光纤的芯径大于光子晶体光纤实芯部分的芯径，光子晶体光纤包层空心孔直径大于普通单模光纤纤芯外径；普通单模光纤纤芯端面与光子晶体光纤纤芯端面的非重合部分即为参考臂反射面；晶体光纤的裸露端纤芯端面即为测量臂反射面。
光子晶体光纤和普通单模光纤的纤芯材料均为纯SiO2。
光子晶体光纤纤芯和普通单模光纤的纤芯轴心偏置量为1～4m。
光子晶体光纤实芯部分的芯径为3～6m，光子晶体光纤长度为0.01mm～10mm。
本发明还公开了前述微型光纤内集成的光纤干涉式温度传感器的制作方法，其制作步骤为：
1)利用光纤熔接机将一根光子晶体光纤和一根普通单模光纤纤纤芯相对地熔接组成，且光子晶体光纤纤芯和普通单模光纤纤芯轴心偏置；
2)将光子晶体光纤切割至需要的长度。
由本发明的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、计算机和微型光纤内集成的光纤干涉式温度传感器；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内集成的光纤干涉式温度传感器，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：制作简单、精度高、响应时间快、可靠性高、体积小、抗振动、抗电磁干扰能力强、价格低廉。
附图说明
图1、微型光纤内集成的光纤干涉式温度传感器结构图；
图2、多模光子晶体光纤的端面结构图；
图3、采用本发明的传感器的测量温度的装置结构图；
图中：测量臂反射面1、参考臂反射面2、微型光纤内集成的光纤干涉式温度传感器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
参见附图1、2，如图所示，本发明的传感器结构是由一根光子晶体光纤9和一根普通单模光纤8纤芯相对地熔接组成，光子晶体光纤9纤芯和普通单模光纤8纤芯轴心偏置；其中，普通单模光纤8的芯径大于光子晶体光纤9实芯部分的芯径，光子晶体光纤9包层空心孔直径大于普通单模光纤8纤芯外径；普通单模光纤8纤芯端面与光子晶体光纤9纤芯端面的非重合部分即为参考臂反射面2；晶体光纤9的裸露端纤芯端面即为测量臂反射面1。
参见图3，采用本发明的微型光纤内集成的光纤干涉式温度传感器3所组成的测量折射率的装置结构为：它包括宽带光源5、1×2耦合器4、一台光谱仪6、计算机7和微型光纤内集成的光纤干涉式温度传感器3；其中，宽带光源5连接到1×2耦合器4的一端，1×2耦合器4的另一端连接到微型光纤内集成的光纤干涉式温度传感器3，形成反射干涉谱线，经由1×2耦合器4连接到光谱仪6，计算机7与光谱仪6通信连接，来处理数据。
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进入微型光纤内集成的光纤干涉式温度传感器3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，当微型光纤内集成的光纤干涉式温度传感器3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的输出端(向光谱仪6输出那端)发生干涉。输出的干涉信号进入光谱仪6；光谱仪6通过通信连接将反射干涉谱存储在计算机7内，由计算机7对数据进行处理。
将微型光纤内集成的光纤干涉式温度传感器3安置在需要测量的温度环境内，测量臂受温度影响，很快折射率发生改变，导致传感器的光程差发生改变，通过光谱仪6探测这种变化，迅速得知温度的值。
光纤由于具有抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好、防爆、体积小、重量轻、可绕性好等特点，而倍受人们的关注。微型光纤内集成的光纤干涉式温度传感器3也正是利用了光纤的这些特性，使光纤可以绕成任意形状。因此，它的应用可以延伸使用到许多传统禁区。再者，微型光纤内集成的光纤干涉式温度传感器3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等优点。本发明的传感器具有高的温度分辨率，并且其测量温度的范围可从零下-20℃到1200℃，其温度灵敏度也比珐珀温度传感器高出近20倍，同时，还具有可靠性高、体积小、相应时间快、抗振动，电磁干扰能力强、能工作在高压环境中等优点，因此在实际工业应用中具有非常广泛的应用潜力。

Claims (6)

1、一种微型光纤内集成的光纤干涉式温度传感器，其特征在于：它由一根光子晶体光纤(9)和一根普通单模光纤(8)纤芯相对地熔接组成，且光子晶体光纤(9)纤芯和普通单模光纤(8)纤芯轴心偏置；其中，普通单模光纤(8)的芯径大于光子晶体光纤(9)实芯部分的芯径，光子晶体光纤(9)包层空心孔直径大于普通单模光纤(8)纤芯外径；普通单模光纤(8)纤芯端面与光子晶体光纤(9)纤芯端面的非重合部分即为参考臂反射面(2)；晶体光纤(9)的裸露端纤芯端面即为测量臂反射面(1)。
2、根据权利要求1所述的微型光纤内集成的光纤干涉式温度传感器，其特征在于：光子晶体光纤(9)和普通单模光纤(8)的纤芯材料均为纯SiO2。
3、根据权利要求1所述的微型光纤内集成的光纤干涉式温度传感器，其特征在于：光子晶体光纤(9)纤芯和普通单模光纤(8)的纤芯轴心偏置量为1～4m。
4、根据权利要求1所述的微型光纤内集成的光纤干涉式温度传感器，其特征在于：光子晶体光纤(9)实芯部分的芯径为3～6m，光子晶体光纤(9)长度为0.01mm～10mm。
5、一种微型光纤内集成的光纤干涉式温度传感器的制作方法，其特征在于：制作步骤为：
1)利用光纤熔接机将一根光子晶体光纤(9)和一根普通单模光纤(8)纤纤芯相对地熔接组成，且光子晶体光纤(9)纤芯和普通单模光纤(8)纤芯轴心偏置；
2)将光子晶体光纤(9)切割至需要的长度。
6、根据权利要求5所述的微型光纤内集成的光纤干涉式温度传感器的制作方法，其特征在于：光子晶体光纤(9)和普通单模光纤(8)的纤芯材料均为纯SiO2；光子晶体光纤(9)实芯部分的芯径为3～6m，光子晶体光纤(9)长度为0.01mm～10mm；光子晶体光纤(9)纤芯和普通单模光纤(8)的纤芯轴心偏置量为1～4m。
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