CN102364313A - 基于球形端面光纤微麦克逊干涉的高温传感方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于球形端面光纤微麦克逊干涉的高温传感方法。目前方法存在解调成本较高等缺点。本发明首先确定宽带光源、三端口光耦合器、光谱分析仪和带有球形端面的光纤高温传感头；然后将上述器件按照测量方案连接，最后将带有球形端面的光纤高温传感头置于需要测量温度的环境中，通过光谱分析仪测量干涉峰值对应的波长的漂移，从而计算温度。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

基于球形端面光纤微麦克逊干涉的高温传感方法

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种基于球形端面光纤微麦克逊干涉的高温传感方法。

背景技术

物联网成为当今世界各国高科技发展的战略重点,是人类信息社会发展过程中的重要里程碑。包括光纤传感技术在内的传感技术是物联网发展的基础技术之一。光纤的发明给通信技术带来了革命性的影响，也带来了传感技术的长足发展，并使之成为物联网技术发展不可或缺的一部分。由于光纤不仅可以作为光波的传输媒质，而且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，从而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。

目前已经有多种光纤温度传感器，其中发展较为成熟的是光纤布拉格光栅温度传感器，主要利用光纤布拉格光栅反射波长和温度成线性关系的特征。光纤布拉格光栅在高温情况下会出现“漂白效应”，维持光纤布拉格光栅特征的折射率调制将因为高温而消失，因此在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。其它类型的光纤温度传感器还包括光纤FP腔温度传感器，一般需要采用特殊材料或特殊加工工艺，成本较高。因此，发明一种基价格低廉、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，提出了一种基于球形端面光纤微麦克逊干涉的高温传感方法。

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1500nm至1600nm的宽带光源、一个光耦合器、一个工作波长覆盖1500nm至1600nm的光谱分析仪、一个带有球形端面的光纤高温传感头；

步骤(2)将宽带光源的输出端口和光耦合器的第一端口光纤连接；将光谱分析仪的输入端口和光耦合器的第二端口光纤连接；将光耦合器的第三端口和一个带有球形端面的光纤高温传感头光纤连接；组成带有球形端面的光纤高温传感头的部件包括一段单模光纤和一段空心光子晶体光纤，其制作步骤如下：将单模光纤的输出端口和空心光子晶体光纤的输入端口以光纤熔接方式连接；在和单模光纤和空心光子晶体光纤熔接点距离为L（100～500微米）的地方，利用普通商用的光纤熔接机将空心光子晶体光纤熔断，从而行程一个长度为L、带有球形端面的光纤高温传感头。

当宽带光经过单模光纤和空心光子晶体光纤熔接点的时候，将在之后的空心光子晶体光纤分成在外围的包层模式和中间的芯层模式两部分的光；之后在球形光纤端面的反射作用之下，两部分的光回到单模光纤和空心光子晶体光纤熔接点的时候行程了干涉，这就构成了微麦克逊干涉，其干涉峰值对应的波长为

其中为空心光子晶体光纤包层模式的有效折射率，

为空心光子晶体光纤芯层模式的有效折射率。由于L，

，

均为温度的函数，因此温度变化的时候就会引起干涉峰值对应的波长

，当我们从光谱分析仪测量获得波长

有变化量

的时候，就可以得到温度的变化为：

其中

为常数，可以根据空心光子晶体光纤参数计算出来。因此，可以通过测量干涉峰值对应的波长的漂移来确定施加在空心光子晶体光纤上的温度。

步骤(3)将双芯光纤置入需要测量温度的环境中。通过光谱分析仪测量干涉峰值对应的波长的漂移，从而计算温度。

本发明主要适用于测量温度，利用了有空心光子晶体光纤形成的微麦克逊干涉光谱随温度变化的特性，通过测量微麦克逊干涉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为本发明所使用的光学器件连接示意图；

图2为带有球形端面的光纤高温传感头示意图；

图3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，本发明所使用的装置包括一个宽带光源1、一个光耦合器2、一个光谱分析仪3、一个带有球形端面的光纤高温传感头4。

将宽带光源1的输出端口和光耦合器2的第一端口光纤连接；将光谱分析仪3的输入端口和光耦合器2的第二端口光纤连接；将光耦合器2的第三端口和一个带有球形端面的光纤高温传感头4光纤连接；组成带有球形端面的光纤高温传感头4的部件包括一段单模光纤5和一段空心光子晶体光纤6，其制作步骤如下：将单模光纤5的输出端口和空心光子晶体光纤6的输入端口以光纤熔接方式连接；在和单模光纤5和空心光子晶体光纤6熔接点距离为L（100～500微米）的地方，利用普通商用的光纤熔接机将空心光子晶体光纤6熔断，从而行程一个长度为L、带有球形端面的光纤高温传感头4。

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1500nm至1600nm的宽带光源1、一个光耦合器2、一个工作波长覆盖1500nm至1600nm的光谱分析仪3、一个带有球形端面的光纤高温传感头4；

(2)将宽带光源1的输出端口和光耦合器2的第一端口光纤连接；将光谱分析仪3的输入端口和光耦合器2的第二端口光纤连接；将光耦合器2的第三端口和一个带有球形端面的光纤高温传感头4光纤连接；组成带有球形端面的光纤高温传感头4的部件包括一段单模光纤5和一段空心光子晶体光纤6，其制作步骤如下：将单模光纤5的输出端口和空心光子晶体光纤6的输入端口以光纤熔接方式连接；在和单模光纤5和空心光子晶体光纤6熔接点距离为L（100～500微米）的地方，利用普通商用的光纤熔接机将空心光子晶体光纤6熔断，从而行程一个长度为L、带有球形端面的光纤高温传感头4。

(3)将带有球形端面的光纤高温传感头4置入需要测量温度的环境中。开启宽带光源1，从光谱分析仪3测量获得干涉峰值对应波长的偏移，从而根据：

确定检测温度。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，通过合适的空心光子晶体光纤，利用其两个模式干涉对温度敏感的特性，提出了光纤温度传感的新技术方案。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 (1)

1.基于球形端面光纤微麦克逊干涉的高温传感方法，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1500nm至1600nm的宽带光源、一个光耦合器、一个工作波长覆盖1500nm至1600nm的光谱分析仪、一个带有球形端面的光纤高温传感头；

所述的带有球形端面的光纤高温传感头，其具体制作过程如下：

将单模光纤的输出端口和空心光子晶体光纤的输入端口以光纤熔接方式连接；在单模光纤和空心光子晶体光纤熔接点距离100微米～500微米的地方，利用普通商用的光纤熔接机将空心光子晶体光纤熔断，从而形成一个带有球形端面的光纤高温传感头；

步骤(2)将宽带光源的输出端口与光耦合器的第一端口光纤连接，光谱分析仪的输入端口与光耦合器的第二端口光纤连接，光耦合器的第三端口和一个带有球形端面的光纤高温传感头光纤连接；

步骤(3)将光纤高温传感头置入需要测量温度的环境中，当宽带光经过单模光纤和空心光子晶体光纤熔接点的时候，将在之后的空心光子晶体光纤分成在外围的包层模式和中间的芯层模式两部分的光；之后在球形光纤端面的反射作用之下，两部分的光回到单模光纤和空心光子晶体光纤熔接点的时候行程了干涉，这就构成了微麦克逊干涉，其干涉峰值对应的波长为

其中

为空心光子晶体光纤包层模式的有效折射率，为空心光子晶体光纤芯层模式的有效折射率；由于L，

，均为温度的函数，因此温度变化的时候就会引起干涉峰值对应的波长

，从光谱分析仪测量获得波长

有变化量

的时候，就可以得到温度的变化为：

其中

为常数，可以根据空心光子晶体光纤参数计算出来；因此，可以通过测量干涉峰值对应的波长的漂移来确定施加在空心光子晶体光纤上的温度。

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