CN102539011A - 一种基于磷掺杂光纤辐射致衰减温度敏感性的温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磷掺杂光纤辐射致衰减温度敏感性的温度传感器，包括用于提供光信号的光源、用于分光的光分路器、参考光路、测量光路、用于测量两光路输出光功率的双通道光功率计、用于数据采集和处理的计算机，所述测量光路采用经过辐射处理的磷掺杂光纤作为感应元件，利用该光纤衰减的温度敏感性实现全光纤式温度测量。本发明在较低成本条件下实现测量范围为-40℃～+60℃的较高分辨率(优于0.5℃)的全光纤式温度测量。

Description

一种基于磷掺杂光纤辐射致衰减温度敏感性的温度传感器

技术领域

本发明涉及了一种基于磷掺杂光纤辐射致衰减温度敏感性的全光纤式温度传感器及温度敏感光纤的制作方法，属于温度测量技术领域。

背景技术

光纤自20世纪70年代问世以来，随着科学技术的发展，涌现了许许多多的光纤温度传感器。光纤具有体积小、重量轻、结构灵活，抗电磁干扰、电绝缘的优点。目前光纤温度传感器主要包括光纤布拉格光栅(FBG)温度传感器、半导体吸收式光纤温度传感器和光纤法布里-波罗腔干涉式温度传感器等。

其中，光纤布拉格光栅温度传感器是通过精密工艺在光纤中进行雕刻，使光纤内的折射率成周期性分布，形成光纤布拉格光栅(FBG)。当外界因素变化时，光纤光栅的有效折射率和光栅常数会发生变化，从而导致FBG特征波长的变化，因此光纤光栅温度传感器是利用布拉格波长对温度的敏感特性而制成的一种光纤传感器。但光纤布拉格光栅温度传感器采用波长调制，导致解调系统复杂，以及容易引起温度-应力交叉感应的问题。

半导体吸收型光纤温度传感器是利用半导体材的吸收光谱随温度变化而变化的特性实现的，当光通过半导体薄膜时，如果入射光子能量超过半导体导带和价带之间的禁带宽度时，半导体薄膜就会对通过的光产生吸收。因此可以通过测量半导体吸收的光强或者光谱测量环境温度变化。但半导体吸收式光纤温度传感器存在对信号传输光纤要求高，通常需要特制大孔径光纤；而且由于光纤与半导体薄膜是间接耦合，光耦合效率远小于光纤与光纤直接熔接耦合；半导体膜片制作过程也较复杂，工艺要求较高；由于半导体吸收是导带和价带之间的电子跃迁吸收，吸收波段在紫外和可见光波段的短波段。因此要求紫外宽带光源，价格昂贵，对光纤要求也较高，且测量的精度较低，通常只有±1℃。

光纤法布里-波罗腔干涉式温度传感器是在光纤内制造出两个高反射膜层，从而形成一个腔长为L的微腔。当相干光束沿光纤入射到此微腔时，光纤在微腔的两端面反射后沿原路返回相遇而产生干涉，其干涉输出信号与此微腔的长度相关。当外界温度以一定方式作用于此微腔，使其腔长L发生变化，导致其干涉输出信号也发生相应变化。但由于光纤法布里-波罗腔干涉式温度传感器的光纤半径只在10～125μm量级，导致F-P制作工艺复杂，而且一致性难以保证；干涉光强随腔长变化不是单一对应关系，而是不断衰减的周期性信号，解调系统复杂；若采用波长域信号解调，则系统也相对复杂；F-P腔长随温度变化量很小，感应温度范围十分有限。

发明内容

本发明为解决现有的光纤温度传感器存在的制造工艺较复杂、信号解调系统辐照、测量的稳定性较差的问题，提出了一种基于磷掺杂光纤辐射致衰减温度敏感性的温度传感器，包括用于提供光信号的光源、用于分光的光分路器、参考光路、测量光路、用于测量两光路输出光功率的双通道光功率计、用于数据采集和处理的计算机，所述测量光路采用经过辐射处理的磷掺杂光纤作为感应元件，利用该光纤衰减的温度敏感性实现全光纤式温度测量。

本发明还提出了一种基于磷掺杂光纤辐射致衰减的温度传感器的敏感光纤的制作方法，包括：选取磷掺杂光纤作为原材料，对选取的光纤原材料进行定量辐照处理，对辐照后的磷掺杂光纤进行预定时间的高温退火处理，制得所述敏感光纤。

由上述技术方案可以看出，本发明在较低成本条件下实现测量范围为-40℃～+60℃的较高分辨率(优于0.5℃)的全光纤式温度测量；并提高测量的稳定性。

附图说明

图1是本发明具体实施方式提供的基于磷掺杂光纤辐射致衰减温度敏感性的温度传感器的结构示意图；

图2是本发明具体实施方式提供的敏感光纤的制作过程示意图；

图3是本发明具体实施方式提供的三种光纤温度传感头的结构示意图；

图4是本发明具体实施方式提供的辐照并退火后的磷掺杂光纤衰减随温度的变化曲线示意图；

图5是本发明具体实施方式提供的磷掺杂光纤的温度传感分辨率示意图；

图6是本发明具体实施方式提供的辐照处理后的磷掺杂光纤用于温度传感的重复性示意图。

具体实施方式

本发明具体实施方式提供了一种基于磷掺杂光纤辐射致衰减温度敏感性的温度传感器及敏感光纤的制作方法，如图1所示，包括用于提供光信号的光源1、用于分光的光分路器2、参考光路3、测量光路4、用于测量两光路输出光功率的双通道光功率计5、用于数据采集和处理的计算机6，测量光路4是由经过辐射处理的磷掺杂的敏感光纤和通信光纤组成，用于感应温度的变化。

具体的，图1中的光源1可采用工作波长在通信波段(1310nm或1550nm)的稳定SLD光源；参考光路3可采用普通通信光纤作为光信号的传输媒介；双通道光功率计5用于测量测量光路和参考光路的输出光功率；计算机6用于数据的采集、存储、处理和显示。测量光路4是由普通单模通信光纤、用于温度传感的敏感光纤(经过辐射处理的磷掺杂光纤)和用于缠绕、固定敏感光纤的金属装置组成，其中通信光纤和用于温度传感的敏感光纤通过熔接方式耦合。

其中敏感光纤的制作过程如图2所示，首先选取磷掺杂光纤作为原材料，选取的光纤长度也根据不同应用背景而定；其次，对选取的光纤原材料进行定量辐照处理，本方案采用价格实惠的⁶⁰Co-γ辐射源对磷掺杂光纤进行定量辐照处理，辐照剂量要根据需要的温度感应度而定；第三，常温放置一段时间(一周左右)后，对辐照后的磷掺杂光纤进行高温退火处理，高温退火的目的是退去在测量温度范围内不稳定的色心，消除其他不稳定色心光吸收对测量的影响。退火的温度高低由传感温度范围决定，例如-40℃～+60℃的测量目标，则需要对磷掺杂光纤进行60-90℃的高温处理，处理时间在1～2天。退火后的光纤的光衰减具有的温度依赖性，便可用于温度传感。另外，本具体实施方式对传感元件的形状不做限定，可以根据实际需要制作成筒状、盘形或者是简单的线形等等。图3所示为三种传感头形状的传感头，其中筒状传感头的传感光纤缠绕在金属骨架或容器壁外侧，可用于环境温度测量，或者容器平均温度测量；盘形传感头的传感光纤通过耐高温胶螺旋盘在金属盘上，适用于其他棒状传感头等难以达到的狭缝中的温度测量；线形传感头只是简单熔接在光纤跳线上即可，适用于各种应用场合，只是对光纤感应度要求较高。

本具体实施方式的工作原理是：光源1发出的光经过光分路器2分成强度相等的两束；其中一束光通过参考光路3进入双通道光功率计5的一个通道(通道1，CH1)，光分路器2的另一路光通过测试光路4中的温度感应光纤连接到双通道光功率计5的另一通道(通道2，CH2)；双通道光功率计5采集到的两路光功率在数据采集和处理系统6(采集卡和计算机)进行处理，并将处理的结果以温度的形式显示出来。

设光分路器的单路输出功率为P₀(T)，由于光纤跳线(＜10m)的损耗可以忽略不计，因此，通道1的光功率

当温度T(单位：℃)变化时，感应光纤的衰减A(T)(即辐射导致的衰减，Attenuation)会发生变化，导致通道2的输出功率P₂(T)随温度的变化而变化。感应光纤的衰减A(T)计算公式为：

$A\left(T\right)=-10\lg \frac{P_2\left(T\right)}{P_1\left(T\right)}$

但是，为了更好的理解光纤辐射致衰减随温度的变化曲线，本具体实施方式以25℃的光纤衰减为基准，将温度T时刻的衰减A(T)进行归一化，归一化的光纤衰减计算公式为：

$A\left(T\right)=-10\lg \frac{P_2\left(T\right)}{P_2\left(25\right)}\frac{P_1\left(25\right)}{P_1\left(T\right)}$

其中，P₁(25)和P₂(25)分别为温度在25℃时，参考通道和测量通道的光功率。最后根据测试前获得的磷掺杂光纤辐射致衰减A(T)(光强变化)与温度T的关系

将光纤衰减转化相应的温度值T。其中n为多项式拟合阶数，k_n为第n阶拟合系数。

下面以具体的实施例对本具体实施方式做具体说明，选取一根40m纤芯包层都掺磷的光纤，在⁶⁰Co-γ辐射源辐照730Gy的辐射剂量并在80℃退火1天后进行温度传感实验，测得的衰减A(T)(已经归一化)随温度T的变化曲线如图4所示。

为了测量该光纤温度传感器的分辨率，将温度传感光纤置于温箱中，在23.5℃～27℃的范围内进行步长为0.5℃的变化。传感器的输出曲线如图5所示，可见：该温度传感器的分辨率优于0.5℃(实现了可用0.5℃的分辨率)。

图6所示的是该光纤温度传感器在6个连续温度循环中输出功率的变化曲线，可见，输出功率表现出了较高的重复性。重复性指标一般采用输出最大不重复误差Δ_max与满量程输出的百分数表示。在六次测试中，六个温度点中产生的最大不重复性误差出现在-20℃，Δ_max＝0.00695，满量程输出为0.70043，则计算得该光纤温度传感器的重复性误差为0.99％。因此，基于本发明的光纤辐射致衰减效应设计的温度传感器的重复性误差小于1％，实现了系统的可靠和稳定性。

本具体实施方式基于磷掺杂光纤的辐射致衰减的温度敏感性，在较低成本条件下实现测量范围为-40℃～+60℃的较高精度(0.5℃)的全光纤式温度测量；并实现该测量系统的稳定性。第一，本具体实施方式采用定量辐照处理后的磷掺杂光纤作为敏感元件，而用于辐照的光纤为普通磷掺杂光纤，价格便宜；该加工工艺简单，不需要实时监测光纤衰减变化，只需在恒定剂量率下辐照一定辐射剂量即可，特别是成批量生产时，成本可大幅度降低；而且该传感元件采用较小的传感头(光纤体积小重量轻)实现了-40℃～+60℃温度范围内0.5℃的测量分辨率。第二，本具体实施方式利用磷(P)掺杂光纤的衰减温度效应本质上是色心吸收的温度依敏感性，该特性本质上不受应力弯曲等影响，消除应力等其他温度效应干扰(在布拉格光栅温度传感器和F-P干涉式温度传感器中存在这种交叉感应现象)。第三，辐照后的磷掺杂光纤作为敏感光纤，与通信光纤之间通过直接熔接的方式耦合，耦合效率高，损耗小，并且稳定性高(这是其他非本征温度传感器对准耦合方式所不能比的，实际光学对准十分繁琐)。第四，整个测量系统工作在1310nm/1550nm的通信波段，只需采用普通的单模通信光纤即可实现传感信号的传输，而普通单模光纤价格十分低廉，也保证的系统的低成本。第五，本具体实施方式的直接测量为光功率，采用的是简单的强度调制解调方案，与光纤布拉格光栅温度传感器等复杂而昂贵的波长调制解调方案相比，不仅解调设备便宜，信号处理简单，也保证的系统的稳定性。第六。本具体实施方式的传感元件为光纤，体积小，重量轻、耐拉，可以制作成不同形状，适应于不同温度测量环境。

本具体实施方式采用价格低廉的普通磷(P)掺杂光纤作为原材料，通过简单的辐照处理的方法对磷掺杂光纤进行加工，并适当高温退火，制作出基于磷掺杂光纤辐射致衰减敏感性的温度传感器，该温度传感器可以实现-40℃～+60℃温度测量，测量分辨率优于0.5℃，重复性达到99％。

本发明首先提出了一种新型的光纤传感元件的制作方法——辐照处理，实际上是把辐射导致光纤衰减受温度影响这个劣势转化为温度传感的优势；第二、该发明提出了一种简单的强度调制解调方案代替复杂而(光纤光栅等)昂贵的波长调制解调方案即节约了成本又大大简化了解调系统；第三，传感元件为普通磷掺杂光纤，与传感信号传输光纤直接可以实现熔接耦合，损耗稳定而且很小，相对于其他非本征型光纤具有很大优势，同时也提高了传感的稳定性；第四，该发明是利用辐射导致的光纤中色心对光吸收的温度敏感性进行传感，而色心光吸收本质上不受应力等其他因素影响，具有很强的抗干扰能力，这相对于光纤光栅温度传感器、F-P干涉仪型温度传感器等对温度应力同时敏感，具有重大进步；最后，该发明可以通过增加辐射剂量和光纤长度等方法使光纤中的色心数目增加，进而实现高精度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于磷掺杂光纤辐射致衰减温度敏感性的温度传感器，包括用于提供光信号的光源、用于分光的光分路器、参考光路、测量光路、用于测量两光路输出光功率的双通道光功率计、用于数据采集和处理的计算机，其特征在于，所述测量光路采用经过辐射处理的磷掺杂光纤作为感应元件，利用该光纤衰减的温度敏感性实现全光纤式温度测量。

2.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，所述光源采用工作波长在通信波段的稳定SLD光源。

3.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，所述参考光路采用普通通信光纤作为光信号的传输媒介。

4.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，所述测量光路中的通信光纤和用于温度传感的敏感光纤通过熔接方式耦合。

5.一种权利要求1至4任意一项所述的基于磷掺杂光纤辐射致衰减温度敏感性的温度传感器的敏感光纤的制作方法，其特征在于：

选取磷掺杂光纤作为原材料，对选取的光纤原材料进行定量辐照处理，对辐照后的磷掺杂光纤进行预定时间的高温退火处理，制得所述敏感光纤。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述定量辐照处理包括采用⁶⁰Co-γ辐射源对磷掺杂光纤进行定量辐照处理。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述预定时间的高温退火处理包括对于-40℃～+60℃的测量目标，则对磷掺杂光纤进行60-90℃的高温处理，处理时间为1～2天。

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