CN102435348B - 基于高q光学微腔的温度传感器及分布式温度传感网络 - Google Patents
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Abstract
本发明基于高Q光学微腔的温度传感器及其分布式传感网络。传感器包括激光光源、分束器、参考微腔测试系统、探测器、以及参考微腔测试系统；所述的参考微腔系统由耦合器及光学微腔构成，其特点是该系统被低折射率封装起来，并通过温度控制单元实现了该系统的温度的恒定。所述的测试微腔由耦合器以及高Q光学微腔构成，其特点是该系统被低折射率封装起来。本发明提出的传感网络有两种并联和串联构建形式。本发明是利用光学微腔的高Q特性实现的温度的高分辨测试，具有结构简单，分辨率高、成本低等特点。
Description
技术领域
本发明属于微传感技术领域，主要涉及一种微型温度传感器及其分布式传感网络，特别是涉及一种基于高Q光学微腔的温度传感器及其分布式温度传感网络。
背景技术
物联网技术近年来得到广泛关注，小体积、低功耗、高灵敏的感知设备在物联网技术中占有重要地位，也是阻碍物联网技术进一步发展的瓶颈。
近年来，随着MEMS（光刻、腐蚀、刻蚀）加工工艺的发展和成熟，小型化，高分辨率的微型温度传感器在航天，电子和机械制造领域的工业控制与温度测量中得到了很好的发展。并且随着工业控制的快速发展，分布式温度传感网络提出了小体积、低功耗、高精度的要求。
发明内容
本发明的目的是在上述应用需求的背景下，设计并提供一种结构简单，测量分辨率高，体积小且适用范围更广泛的基于高Q光学微腔的温度传感器及其分布式其传感网络。
为实现上述的目的，本发明采取以下技术方案：
基于高Q光学微腔的温度测试方法，由光源1发出的激光作为信号源，经过分束器2后分成两束，其中一束入射到参考微腔系统3中，另外一束入射到测量微腔系统5中，通过参考端光电探测器4和测试端光电探测器6接受到参考微腔系统的谐振谱13和测量微腔系统的谐振谱14；
首先校准：记录外界环境的温度与参考微腔系统的温度控制单元的温度；接下来记录参考微腔系统的谐振峰13的具体位置与测试微腔系统的谐振峰14的具体位置，并记录两者之间的间距；
当温度发生变化的时，参考微腔系统周围的温度由温度控制单元保持恒定；而测试微腔系统的温度则随着周围温度的改变而发生变化；周围温度的改变将会导致光学微腔的结构参数发生两个核心变化：
1）微腔折射率的变化，这是由于热光效应而发生的变化；
2）微腔周长的变化，这是由于热膨胀效应而发生的变化；
这两个核心的变化将会导致测试微腔系统的谐振峰位置的线性地漂移，而参考微腔系统的温度保持恒温的状态，其谐振峰位置并不发生漂移；
通过测试参考微腔系统与测试微腔系统的两个谐振峰的间距的变化，就可测到其微腔系统所处环境的实际温度。
基于高Q光学微腔的温度传感器，包括激光器或宽谱光源1、分束器2、参考微腔系统3、参考端光电探测器或者参考端光谱仪4、测试微腔系统5、测试端光电探测器或者测试端光谱仪6；其特点是：所述的参考微腔系统3由耦合器7及光学微腔8构成，所述的参考微腔系统3用一个封装结构9封装起来；所述的封装采用折射率较低的紫外胶或者聚合物完全封装；所述的参考微腔系统3放置在一个温度恒定的环境10之中，并采用温度控制单元或冰水混合物控制该环境温度为恒定温度；所述的测试微腔系统5同样由耦合器7及光学微腔8构成，所述的测试微腔系统5用一个封装结构9封装起来；所述的封装采用折射率较低的紫外胶或者聚合物完全封装。
所述的耦合器7与光学微腔8两者之间的距离范围在200纳米～2微米内。
基于高Q光学微腔的温度传感器的分布式温度传感网络，其特点是：该传感网络通过光纤实现光路的布线，且各个基于光学微腔的温度传感器放置在不同的待测温度位置；该传感网络构建有并联式或串联式连接光学微腔的温度传感器。
所述的传感网络构建为并联式连接光学微腔的温度传感器,是将光学微腔的温度传感器的若干个测试微腔系统之间并联，且通过光纤布线实现各部件的连接。
所述的传感网络构建为串联式连接光学微腔的温度传感器,是将光学微腔的温度传感器的若干个测试微腔系统之间串联，且通过光纤布线实现各部件的连接。
本发明的实质性特点和显著地有益效果如下：
1.采用高Q谐振腔作为温度传感的载体，提升了温度传感的分辨率。
2.采用光学微腔作为敏感核心器件，极大的降低了传感器和传感网络的体积和功耗，扩展了该温度传感器件和分布式传感网络的应用范围。
3.在传感器和传感网络中加入了温度参单元，通过对比测试单元与参考单元之间的差距实现绝对温度的测量，提高了测试精度。
4.采用了封装结构，实现了敏感单元和参考单元的健壮性，使得结构的抗干扰能力得到极大的提升。
5.采用串联或者并联的方式实现分布式的温度传感，可以根据待测的实际情况设计不同的传感形式。
6.采用单模光纤作为该传感体系的输入输出接口，使得体系与光纤系统兼容。
本发明基于高Q光学微腔的温度传感器及其分布式其传感网络主要应用在温度的测量上，可在复杂、干扰性的环境中实现为温度的有效测量。
附图说明
图1是本发明中基于高Q光学微腔的温度传感器的结构图；
图2是本发明的温度传感器中参考微腔结构单元的结构图；
图3是本发明的分布式温度传感网络并联方式A方式中的测试微腔结构单元的结构图。
图4是本发明的分布式温度传感网络串联方式B方式中的测试微腔结构单元的结构图。
图5是本发明的分布式温度传感网络并联方式A的结构示意图。
图6是本发明的分布式温度传感网络串联方式B的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施例。
本发明基于高Q光学微腔的温度传感器的结构：
如图1所示，基于高Q光学微腔的温度传感器。基于高Q光学微腔的温度传感器，包括可调谐激光器（或者宽谱光源）1、分束器2、参考微腔系统3、参考端光电探测器（或者光谱仪）4、测试微腔系统5、测试端光电探测器（或者光谱仪）6。所述的参考微腔系统3由耦合器7及光学微腔8构成，耦合器可为锥形光纤耦合器、侧抛光纤耦合器、棱镜耦合器和波导带状耦合器的任何一种，且耦合器7及光学微腔8两者之间的距离控制在有效的耦合范围内（200纳米～2微米）；所述的参考微腔系统用一个封装结构9封装起来，其封装采用折射率较低的紫外胶或者聚合物完全封装，并且封装层得厚度不能小于20微米。其中：参考微腔系统3和测试微腔系统5的光学微腔系统为“高Q光学微腔”。
所述的参考微腔系统3放置在一个温度恒定的环境10之中，采用温控或冰水混合物等实现该环境的温度恒定控制。所述的测试微腔系统也是由耦合器7及光学微腔8构成，同样耦合器可为锥形光纤耦合器、侧抛光纤耦合器、棱镜耦合器和波导带状耦合器的任何一种，且耦合器7及光学微腔8两者之间的距离控制在有效的耦合范围内（200纳米～2微米）；所述的测试微腔系统5用一个封装结构9封装起来，其封装采用折射率较低的紫外胶或者聚合物完全封装，并且封装层得厚度不能小于20微米。
上述参考微腔系统3与测试微腔系统是相同的，都是由耦合器7及光学微腔8构成，是并联方式微腔系统。
本发明基于高Q光学微腔的分布式温度传感网络--并联方式A的结构：
并联方式A的结构包括激光器1、分束器2、参考微腔系统3、分布式传感网络12。所述的分布式传感网络由多个测试微腔系统5构成，各个测试微腔系统之间是并联的关系。
本发明基于高Q光学微腔的分布式温度传感网络-串联方式B的结构：
串联方式B的结构包括激光器1、分束器2、参考微腔系统3、分布式传感网络13。所述的所述的分布式传感网络由多个测试微腔系统6构成，各个测试微腔系统之间是串联的关系。所述的测试微腔系统6由耦合器7、下载耦合器10以及光学微腔8构成，耦合器、下载耦合器以及光学微腔之间的耦合距离控制在有效的耦合范围内（200纳米～2微米）。所述的测试微腔系统6用一个封装结构9封装起来，封装采用折射率较低的紫外胶或者聚合物完全封装，并且封装层得厚度不能小于20微米。
实例：
（1）激光器：在本实例中激光器采用可调谐激光器，波段在1520nm～1570nm。激光器的频率调制采用外部三角波的调制方式，调制频率为50HZ，调制范围为30GHZ。
（2）参考微腔系统：如图2所示，本实例中选择锥形光纤作为耦合器；光学微腔选择直径为200～600μm的玻璃微球谐振腔；耦合器与光学微腔两者之间的耦合距离控制在20nm～1μm之间；封装材料完全包裹耦合器与光学微腔，并构成封装结构9，且封装材料选用低折射率的紫外胶；温度控制单元选用高精度的温控单元，实现参考单元的温度恒定。
（3）测试微腔系统：如图3所示，本实例选择锥形光纤作为耦合器；光学微腔选择直径为200～600μm的玻璃微球谐振腔；耦合器与光学微腔两者之间的耦合距离控制在20nm～1μm之间；封装材料完全包裹耦合器与光学微腔，并构成封装结构9，且封装材料选用低折射率的紫外胶。
（4）温度传感网络B方式中的测试微腔系统：如图4所示，本实例选择锥形光纤作为耦合器或下载耦合器；光学微腔选择直径为200～600μm的玻璃微球谐振腔；耦合器或下载耦合器与光学微腔之间的耦合距离控制在20nm～1μm之间；封装材料完全包裹耦合器或下载耦合器与光学微腔，并构成封装结构9，且封装材料选用低折射率的紫外胶。
（5）并联式温度传感网络：如图5所示，该并联式温度传感网络包括激光器1、分束器2、参考微腔系统3、分布式传感网络12；所述的分布式传感网络由多个测试微腔系统5构成，各个测试微腔系统之间是并联的关系。
（6）串联式温度传感网络：如图6所示，该串联式温度传感网络包括激光器1,、分束器2、参考微腔系统3、分布式传感网络13；所述的分布式传感网络由多个测试微腔系统6构成，各个测试微腔系统之间是串联的关系。
所述的测试微腔系统6由耦合器7、或下载耦合器10及光学微腔8构成，耦合器、或下载耦合器与光学微腔之间的耦合距离控制在有效的耦合范围内（200纳米～2微米）。所述的测试微腔系统6用一个封装结构9封装起来，采用折射率较低的紫外胶或者聚合物完全封装，并且封装层得厚度不能小于20微米。
本发明基于高Q光学微腔的温度传感器的工作原理：
如图1所示，本发明提出的温度传感器采用可调激光器光源。由光源1发出的激光作为信号源，经过分束器2后分成两束，其中一束入射到参考微腔系统3中，另外一束入射到测量微腔系统5中，参考微腔系统的谐振谱13和测量微腔系统的谐振谱14通过参考光电探测器4和测试端光电探测器6接受。
在使用以前，首先校准该传感器：记录外界环境的温度与参考微腔系统的温度控制单元的温度；接下来记录参考微腔系统的谐振峰13的具体位置与测试微腔系统的谐振峰14的具体位置，并记录两者之间的间距。当温度发生变化的时候，参考微腔系统周围的温度由于温度控制单元的存在而保持恒定。而测试微腔系统的温度则随着周围温度的改变而发生变化。周围温度的改变将会导致光学微腔的结构参数的两个核心变化：
1）微腔折射率的变化，这是由于热光效应而发生的变化。
2）微腔周长的变化，这是由于热膨胀效应而发生的变化。
这两个核心的变化将会导致测试微腔系统的谐振位置的线性地漂移。而参考微腔系统的温度由于被温度控制单元控制在一个恒温的状态，其谐振峰的位置并不发生漂移。因此，通过测试参考微腔系统与测试微腔系统的两个谐振峰的间距的变化，就可测到其微腔系统所处环境的实际温度。
本发明基于高Q光学微腔的分布式温度传感网络
（1）并联方式A的工作原理：
如图5所示，本发明提出的并联式分布式温度传感网络采用可调激光器光源。由光源1发出的激光作为信号源，经过分束器2后分成两束，其中一束入射到参考微腔系统3中，另外一束入射到并联式分布式传感网络12中。并经过分束器分束，分到各自的测量微腔系统5中。每个测量微腔系统分别放置在不同的待测位置，并通过光纤布线实现系统的连接。
在使用以前，首先校准该传感器：记录各个分布的待测的外界环境的温度与参考微腔系统的温度控制单元的温度；接下来记录参考微腔系统的谐振峰的具体位置及各个测试微腔系统的谐振峰的具体位置，并记录每个测试微腔系统与参考微腔系统谐振峰位置之间的间距。当温度发生变化的时候，参考微腔系统的周围温度由于温度控制单元的存在而保持恒定。而测试微腔系统的温度则随着周围温度的改变而发生变化。因此，通过测试参考微腔系统与每个分布得测试微腔系统的谐振峰的间距的变化，就可测到每个测试微腔系统所处环境的实际温度。这样通过合理的分布每个测试微腔系统的位置，便可实现分布式温度传感网络。
（2）串并联方式B的工作原理：
如图6所示，本发明提出的串联式分布式温度传感网络采用可调激光器光源。由光源1发出的激光作为信号源，经过分束器2后分成两束，其中一束入射到参考微腔系统3中，另外一束入射到串联式分布式传感网络13中。并通过串联的方式，分到各自的测量微腔系统6中。每个测量微腔系统分别放置在不同的待测位置，并通过光纤布线实现系统的连接。
在使用以前，首先校准该传感器：记录各个分布的待测的外界环境的温度与参考微腔系统的温度控制单元的温度；接下来记录参考微腔系统的谐振峰的具体位置及各个测试微腔系统的谐振峰的具体位置，并记录每个测试微腔系统与参考微腔系统谐振峰位置之间的间距。当温度发生变化的时候，参考微腔系统周围的温度由于温度控制单元的存在而保持恒定。而测试微腔的温度则随着周围温度的改变而发生变化。因此，通过测试参考微腔系统与每个分布得测试微腔系统的谐振峰的间距的变化，就可测到每个测试微腔系统所处环境的实际温度。这样通过合理的分布每个测试微腔系统的位置，便可实现分布式温度传感网络。
Claims (6)
1.一种基于高Q光学微腔的温度测试方法，由光源（1）发出的激光作为信号源，经过分束器（2）后分成两束，其中一束入射到参考微腔系统（3）中，另外一束入射到测试微腔系统（5）中，通过参考端光电探测器（4）和测试端光电探测器（6）接受到参考微腔系统的谐振谱（13）和测试微腔系统的谐振谱（14）；
首先校准：记录外界环境的温度与参考微腔系统的温度控制单元的温度；接下来记录参考微腔系统的谐振峰（13）的具体位置与测试微腔系统的谐振峰（14）的具体位置，并记录两者之间的间距；
当温度发生变化时，参考微腔系统周围的温度由温度控制单元保持恒定；而测试微腔系统的温度则随着周围温度的改变而发生变化；周围温度的改变将会导致光学微腔的结构参数发生两个核心变化：
1）微腔折射率的变化，这是由于热光效应而发生的变化；
2）微腔周长的变化，这是由于热膨胀效应而发生的变化；
这两个核心的变化将会导致测试微腔系统的谐振峰位置的线性地漂移，而参考微腔系统的温度保持恒温的状态，其谐振峰位置并不发生漂移；通过测试参考微腔系统与测试微腔系统的两个谐振峰的间距的变化，就可测到其测试微腔系统所处环境的实际温度。
2.一种基于高Q光学微腔的温度传感器，包括激光器或宽谱光源（1）、分束器（2）、参考微腔系统（3）、参考端光电探测器或者参考端光谱仪（4）、测试微腔系统（5）、测试端光电探测器或者测试端光谱仪（6）；其特点是：
所述的参考微腔系统（3）由耦合器（7）及光学微腔（8）构成，所述的参考微腔系统（3）用一个封装结构（9）封装起来；所述的封装采用折射率较低的聚合物完全封装；所述的参考微腔系统（3）放置在一个温度恒定的环境（10）之中，并采用温度控制单元或冰水混合物控制该环境温度为恒定温度；
所述的测试微腔系统（5）同样由耦合器（7）及光学微腔（8）构成，所述的测试微腔系统（5）用一个封装结构（9）封装起来；所述的封装采用折射率较低的聚合物完全封装。
3.根据权利要求2所述的基于高Q光学微腔的温度传感器，其特点是：所述的耦合器（7）与光学微腔（8）两者之间的距离范围在200纳米～2微米内。
4.一种根据权利要求2所述的基于高Q光学微腔的温度传感器的分布式温度传感网络，其特点是：该传感网络通过光纤实现光路的布线，且各个基于光学微腔的温度传感器放置在不同的待测温度位置；该传感网络构建有并联式或串联式连接光学微腔的温度传感器。
5.根据权利要求4所述的基于高Q光学微腔的温度传感器的分布式温度传感网络，其特征是：所述的传感网络构建为并联式连接光学微腔的温度传感器,是将光学微腔的温度传感器的若干个测试微腔系统之间并联，且通过光纤布线实现各部件的连接。
6.根据权利要求4所述的基于高Q光学微腔的温度传感器的分布式温度传感网络，其特征是：所述的传感网络构建为串联式连接光学微腔的温度传感器,是将光学微腔的温度传感器的若干个测试微腔系统之间串联，且通过光纤布线实现各部件的连接。
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