CN102261965B - 基于双芯光纤的温度传感方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于双芯光纤的温度传感方法及装置。目前光纤传感技术测温量程小，而且存在解调成本较高等缺点。本发明中的宽带光源的输出端口和一段单模光纤的输入端口光纤连接；该段单模光纤的输出端口和双芯光纤的输入端口连接；双芯光纤的输出端口和另一段单模光纤的输入端口连接；单模光纤的输出端口和光谱分析仪的输入端口光纤连接。本发明方法是将双芯光纤置于测量环境中，通过光谱分析仪测量透射光谱的波长漂移来确定施加在双芯光纤上的温度。本发明具有不受电磁干扰、可以实现远距离传感、价格低廉、结构紧凑、大测量范围等优点。

Description

基于双芯光纤的温度传感方法及装置
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及了一种基于双芯光纤的检测温度信号的方法，以及实现该方法的装置。
背景技术
光纤技术在光通信领域已经获得了巨大的成功，同样，基于光纤的传感技术目前正在蓬勃发展。光纤不仅可以作为光波的传输媒质，也可以做为传感介质。当光波在光纤中传输时，其特征参量振幅、相位、偏振态、波长等会因外界因素如温度、压力、应变、磁场、电场、位移等值接或间接地发生变化，因此可将光纤用作传感元件探测物理量。光纤传感技术就是利用光纤对某些物理量敏感的特性，将外界物理量转换成可以直接测量的信号的技术。光纤传感技术是光学领域最为重要的传感技术之一，已经被广泛应用于生物、医学、航天、航空、机械、石化、建筑、高铁、桥梁、国防工业等领域。
目前实现温度传感的最成熟的光纤传感技术是基于光纤布拉格光栅的温度传感技术，主要利用光纤布拉格光栅反射波长和温度成线性光纤的特征。然而，基于光纤布拉格光栅的温度传感技术仅能适用于温度小于400度左右的温度传感，而且存在解调成本较高等缺点。因此，发明一种基于光纤、价格低廉、测量范围大的温度传感方法及装置具有重要意义。
发明内容
本发明就是针对现有技术的不足，提出了一种基于双芯光纤的检测温度信号的方法，同时提供了实现该方法的装置。
本发明的方法包括以下步骤：
步骤(1)选择一个输出波长覆盖1525nm至1560nm宽带光源、两段工作在1550nm波段的单模光纤、一段双芯光纤和一个工作波长覆盖1525nm至1560nm的光谱分析仪；
步骤(2)将宽带光源的输出端口和第一段单模光纤的输入端口光纤连接；将第一段单模光纤的输出端口和双芯光纤的输入端口以光纤熔接方式连接，第一段单模光纤的纤芯和双芯光纤的一个纤芯对接；将双芯光纤的输出端口和第二段单模光纤的输入端口以光纤熔接方式连接，双芯光纤的另一个纤芯和第二段单模光纤的纤芯对接；将第二段单模光纤的输出端口和光谱分析仪的输入端口光纤连接；
步骤(3)将双芯光纤置入需要测量温度的环境中。双芯光纤横截面中有两个中心距为H（10～30微米）的纤芯，双芯光纤的外径和单模光纤的外径一样，双芯光纤两个纤芯的尺寸、掺杂浓度和单模光纤纤芯一样。双芯光纤有奇模和偶模两个模式，它们的有效折射率差 
Figure 2011101085836100002DEST_PATH_IMAGE001
是外加在双芯光纤上的温度
Figure 97278DEST_PATH_IMAGE002
和工作波长
Figure 2011101085836100002DEST_PATH_IMAGE003
的函数。根据耦合模理论，当宽带光注入长度为的双芯光纤的一个纤芯的时候，从另外一个纤芯出来的透射光谱为：
Figure 2011101085836100002DEST_PATH_IMAGE005
当双芯光纤温度发生改变的时候，透射光谱对应有一个波长漂移，其温度
Figure 544626DEST_PATH_IMAGE006
和波长漂移
Figure 2011101085836100002DEST_PATH_IMAGE007
满足以下关系
Figure 351302DEST_PATH_IMAGE008
其中K为常数，可以利用透射光谱计算出来。因此，可以通过测量透射光谱的波长漂移来确定施加在双芯光纤上的温度。
实现本发明方法的装置包括一个宽带光源、两段单模光纤、一段双芯光纤和一个光谱分析仪。宽带光源的输出端口和第一段单模光纤的输入端口光纤连接；第一段单模光纤的输出端口和双芯光纤的输入端口以光纤熔接方式连接，第一段单模光纤的纤芯和双芯光纤的一个纤芯对接；双芯光纤的输出端口和第二段单模光纤的输入端口以光纤熔接方式连接，双芯光纤的另一个纤芯和第二段单模光纤的纤芯对接；第二段单模光纤的输出端口和光谱分析仪的输入端口光纤连接。
本发明主要适用于测量温度，利用了双芯光纤输出光谱随温度变化的特性，通过输出光谱的波长漂移来确定温度数值大小，实现了温度传感。由于采用光纤作为传感介质，不需要类似于光纤布拉格光栅保持折射率调制，因此可以实现高温传感。本发明具有不受电磁干扰、可以实现远距离传感、价格低廉、结构紧凑、大测量范围等优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为双芯光纤的横截面示意图；
图3为为利用本发明装置测量所得的结果示意图。
具体实施方式
如图1和图2所示，基于双芯光纤实现液压传感的装置包括一个宽带光源1、一段单模光纤2、一段双芯光纤3、另一段单模光纤4和一个光谱分析仪5。
将宽带光源1的输出端口和单模光纤2的输入端口光纤连接；将单模光纤2的输出端口和双芯光纤3的输入端口以光纤熔接方式连接，单模光纤2的纤芯和双芯光纤3的一个纤芯对接；将双芯光纤3的输出端口和另一段单模光纤4的输入端口以光纤熔接方式连接，双芯光纤3的另一个纤芯和单模光纤4的纤芯对接；将单模光纤4的输出端口和光谱分析仪5的输入端口光纤连接。双芯光纤3的横截面6中在直径方向上有两个距离为H（10～30微米）的纤芯，其尺寸大小和折射率与单模光纤纤芯一致。
利用该检测装置的温度传感方法包括以下步骤：
(1) 选择一个输出波长覆盖1525nm至1560nm宽带光源1、一段工作在1550nm波段的单模光纤2、一段工作在1550nm波段的双芯光纤3、一段工作在1550nm波段的单模光纤4和一个工作波长覆盖1525nm至1560nm的光谱分析仪5。
(2) 将宽带光源1的输出端口和单模光纤2的输入端口光纤连接；将单模光纤2的输出端口和双芯光纤3的输入端口以光纤熔接方式连接，单模光纤2的纤芯和双芯光纤3的一个纤芯对接；将双芯光纤3的输出端口和另一段单模光纤4的输入端口以光纤熔接方式连接，双芯光纤3的另一个纤芯和单模光纤4的纤芯对接；将单模光纤4的输出端口和光谱分析仪5的输入端口光纤连接。
(3) 将双芯光纤3置入需要测量温度的环境中。开启宽带光源1，从双芯光纤输出的透射光谱为：
Figure 655244DEST_PATH_IMAGE005
从该输出透射光谱光谱可以确定温度改变量和波长漂移
Figure 636155DEST_PATH_IMAGE007
的关系
Figure 161202DEST_PATH_IMAGE008
通过测量波长漂移
Figure 952441DEST_PATH_IMAGE007
即可检测温度的大小。具体测量结果如图3所示。
本发明利用了近年来刚刚被发展起来的特种光纤技术，通过设计合理的双芯光纤，利用其模式耦合对温度敏感的特性，提出了光纤液压传感的新技术方案。本发明采用光纤作为传感介质，具有不受电磁干扰、可以实现远距离传感、价格低廉、结构紧凑、大测量范围等优点。

Claims (2)

1.基于双芯光纤的温度传感方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
步骤(1)选择一个输出波长覆盖1525nm至1560nm宽带光源、两段工作在1550nm波段的单模光纤、一段双芯光纤和一个工作波长覆盖1525nm至1560nm的光谱分析仪；
步骤(2) 将宽带光源的输出端口和第一段单模光纤的输入端口光纤连接；将第一段单模光纤的输出端口和双芯光纤的输入端口以光纤熔接方式连接，第一段单模光纤的纤芯和双芯光纤的一个纤芯对接；将双芯光纤的输出端口和第二段单模光纤的输入端口以光纤熔接方式连接，双芯光纤的另一个纤芯和第二段单模光纤的纤芯对接；将第二段单模光纤的输出端口和光谱分析仪的输入端口光纤连接；
步骤(3)将双芯光纤置入需要测量温度的环境中；双芯光纤有奇模和偶模两个模式，它们的有效折射率差 
Figure 2011101085836100001DEST_PATH_IMAGE002
是外加在双芯光纤上的温度
Figure DEST_PATH_IMAGE004
和工作波长
Figure DEST_PATH_IMAGE006
的函数，根据耦合模理论，当宽带光注入长度为
Figure DEST_PATH_IMAGE008
的双芯光纤的一个纤芯的时候，从另外一个纤芯出来的透射光谱为：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
当双芯光纤温度发生改变的时候，透射光谱对应有一个波长漂移，其温度和波长漂移
Figure DEST_PATH_IMAGE014
满足以下关系
其中K为常数，可以利用透射光谱计算出来，因此，可以通过测量透射光谱的波长漂移来确定施加在双芯光纤上的温度。
2.实现权利要求1所述方法的装置，包括一个宽带光源、两段单模光纤、一段双芯光纤和一个光谱分析仪，其特征在于：宽带光源的输出端口和第一段单模光纤的输入端口光纤连接；第一段单模光纤的输出端口和双芯光纤的输入端口以光纤熔接方式连接，第一段单模光纤的纤芯和双芯光纤的一个纤芯对接；双芯光纤的输出端口和第二段单模光纤的输入端口以光纤熔接方式连接，双芯光纤的另一个纤芯和第二段单模光纤的纤芯对接；第二单模光纤的输出端口和光谱分析仪的输入端口光纤连接；
所述的双芯光纤横截面中有两个中心距为10～30微米的纤芯，双芯光纤的外径和单模光纤的外径一样，双芯光纤两个纤芯的尺寸、掺杂浓度和单模光纤纤芯一样。
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