CN102680133A - 液体灌注型光纤温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液体灌注型光纤温度传感器，包括由普通光纤连起来的2*2光纤耦合器、灌注液体边孔光纤(感应部分)和光纤偏振控制器。耦合器一端接边孔光纤和偏振控制器构成光纤Sagnac环，另一端接光源和光谱仪。光源输入的光经耦合器分成两束，在环内沿相反方向传播，边孔光纤中的双孔使光纤存在双折射现象，从而两束光偏振态不同，在耦合器输出端会合发生干涉，通过光谱仪可观察干涉图。孔内灌入液体后，双折射受液体折射率和压力影响，而液体折射率、压力受温度调制，实验知干涉波漂移量与温度改变量呈良好的线性关系，因此可利用此结构制作温度传感器。本发明灵敏度高、制作简单、成本低，在温度测量领域有着巨大的应用潜力。

Description

液体灌注型光纤温度传感器

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于液体灌注型光纤温度传感器。

背景技术

光纤传感技术伴随着光纤通信技术的发展迅速发展起来，它是以光波为载体，光纤为介质，感知和传输外界信号(被测量)的新型传感技术。光纤具有很好的传光特性，另外本身就是一种敏感元件，与传统的传感器相比，光纤传感器具有一系列独特的优点，如灵敏度高、动态范围大、频带宽、抗电磁干扰、耐腐蚀、防爆、防燃、光路可挠曲性好、传输损耗低、易于实现远距离测量等优点。鉴于这些优点光纤传感技术一问世就受到人们的广泛关注，从20世纪70年代至今短短的几十年的时间里，光纤传感器广泛的应用于航天航海、军事、矿产、农业、生物医学等领域，可以测量的物理量涉及温度、应变、速度、振动、位移、压力、电压等70多种。

温度是工程技术和科研中十分重要的物理量，温度测量技术一直不断地被发展。传统的测温装置多为电子式的温度传感器，如热敏电阻，热电偶等，这些传感器虽然应用方便，但对于某些特殊的环境(如易燃易爆、高电压、大电流、强电磁干扰)，以电信号为工作基础的温度传感器在安全性、信号的稳定性方面受到很大的限制。而利用光纤传感器来进行测量，就可以很容易的解决上述的问题。

目前，光纤温度传感器主要基于光纤布拉格光栅、长周期光纤光栅或干涉原理等系统。光纤布拉格光栅可进行波分复用，得到了特别的关注，然而光纤布拉格光栅的温度灵敏度有限，长周期光纤光栅的温度灵敏度比光纤布拉格光栅高一些，但对弯曲敏感。

光纤Sagnac环是基于干涉原理的光纤系统中常采用的一种结构，目前已被广泛的应用于温度测量中。实验证明采用高双折射保偏光纤的实验装置具有很好的灵敏度，采用光子晶体光纤能够提高实验灵敏度，但光子晶体光纤的成本较高。近几年一种新型的光纤——边孔保偏光纤引起来人们的广泛的关注，该光纤在包层内存在两个空气孔，具有许多独特的性质。

发明内容

本发明提供了一种基于液体灌注型光纤温度传感器，采用光纤Sagnac环结构，在边孔光纤的空气孔中灌注液体(如酒精)作为传感探头。

基于液体灌注型光纤温度传感器包括通过普通光纤连接起来的2*2光纤耦合器、灌注液体的边孔光纤和光纤偏振控制器。2*2光纤耦合器的一端两接口构成光纤Sagnac环，其中灌注液体的边孔光纤和光纤偏振控制器位于环内部，光纤耦合器另一端两接口分别接光源和光谱仪。

本发明的基本工作原理：传感器中光源输入的光经光纤耦合器被分为两束，分别沿着顺时针和逆时针方向在光纤Sagnac环中传播，最后在耦合器输出端会合。边孔光纤中的双空气孔造成在光纤X和Y轴有效折射率不相等，产生双折射现象，基模中的两个简并模传播常数发生差异，光的偏振态沿光纤轴向发生变化。由于双折射现象光纤Sagnac环内沿相反方向的传输的两束光束偏振态不同，在会合点会发生干涉，通过光谱仪可以观察到干涉图样。

灌入液体后，X和Y轴的有效折射率会受到液体折射率的影响。温度变化会引起液体折射率变化，使得有效折射率发生变化，从而使双折射系数发生变化，光的偏振态发生变化，从而使输出干涉图样发生变化。通过观察干涉图样的变化，可以测量出温度，因此可以利用此结构制作温度传感器。合理调节偏振控制器，可以得到理想的干涉图样。

本发明具有的优点：(1)本发明采用灌注液体的边孔光纤作为传感探头，所需光纤长度短，灵敏度高；(2)本发明采用光纤Sagnac环结构，结构简单、制作过程简单，成本低。

附图说明

图1为液体灌注型光纤温度传感器的结构示意图

图2为温度为20℃和40℃的干涉图样

图3为边孔光纤结构图

具体实施方式

下面结合附图及实例对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种基于液体灌注型光纤温度传感器包括由光纤连接起来的2*2光纤耦合器1、灌注液体的边孔光纤2和光纤偏振控制器3。光纤耦合器1的两个同向端口连接灌注液体的边孔光纤2和偏振控制器3构成光纤Sagnac环，光纤耦合器的另外两个同向端口分别接宽带光源和光谱仪，光谱仪得到是光源光谱经过光纤Sagnac环后的干涉图样。

图2为温度分别为20℃和40℃时干涉图，可以看出，干涉波形随着温度的上升发生红移。通过实验测量知，干涉波形的漂移量与温度的改变呈现良好的线性关系。

本发明基于液体灌注型光纤温度传感器，采用的灌注液体为酒精，在其他灌注液体的研究方面仍有很大的研究前景。

在本实施实例中，光纤耦合器1的耦合比为50％，偏振控制器3为三环型机械式光纤偏振控制器(Connect Fiber Optics，λ/4-λ/2-λ/4)；连接用的光纤为标准单模光纤(YOFC-MKD-101，模场直径为9.9～10.9μm1550nm)，图3为边孔光纤结构示意图，光纤直径为125um，空气孔直径为24um，空气孔中心到光纤中心的距离为28um。

Claims (1)

1.基于液体灌注型光纤温度传感器，包括由光纤连接起来的2*2光纤耦合器、灌注液体的边孔光纤和光纤偏振控制器。其特征在于：光纤耦合器的两个同向端口连接灌注液体的边孔光纤和偏振控制器构成Sagnac光纤干涉环，灌注液体的边孔光纤作为传感探头。

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