CN103115698A

CN103115698A - 一种基于酒精填充的光纤fp温度传感器

Info

Publication number: CN103115698A
Application number: CN2013100708824A
Authority: CN
Inventors: 赵勇; 吕日清
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2013-03-06
Filing date: 2013-03-06
Publication date: 2013-05-22

Abstract

本发明提出一种基于酒精填充的光纤FP温度传感器，是由单模光纤1、毛细玻璃管2、反射镜3组成；毛细玻璃管2的一端粘接了反射镜3，而单模光纤1的一端经过切平后，并从毛细玻璃管2的另一端里插入到毛细玻璃管2内，在毛细玻璃管2内形成了FP腔体4，然后单模光纤1与毛细玻璃管2连接处使用了光学胶进行固定。FP腔体4内填充了酒精，利用FP腔体内的酒精折射率的变化，实现温度传感。

Description

一种基于酒精填充的光纤FP温度传感器

技术领域

本发明是一种基于酒精填充的光纤FP温度传感器，属于光纤传感研究领域。

背景技术

相对于普通传感器，光纤传感器具有许多独特的优点。法布里-珀罗(Fabry-Perot, 简称为FP)干涉仪是目前主要的干涉仪之一，而光纤法布里-珀罗干涉仪更是以其结构简单、体积小、抗干扰性强、高精度、低成本等优异的特性，被制作成各种传感器，广泛应用在各种领域上的参数的测量。光纤FP干涉仪早在1981中提出并开始进行研究，后来发展成各式各样的FP传感器，如压强传感器（文献2. Y. Rao, D. Jackson, R. Jones, and C. Shannon, "Development of prototype fiber-optic-based Fizeau pressure sensors with temperature compensation and signal recovery by coherence reading," Lightwave Technology, Journal of, 1994(12)）、折射率传感器（文献3. Z. L. Ran, Y. J. Rao, W. J. Liu, X. Liao, and K. Chiang, "Laser-micromachined Fabry-Perot optical fiber tip sensor for high-resolution temperature-independent measurement of refractive index," Optics Express, 2008(16)）、温度传感器（文献4.Y. J. Rao, M. Deng, D. W. Duan, and T. Zhu, "In-line fiber Fabry-Perot refractive-index tip sensor based on endlessly photonic crystal fiber," Sensors and Actuators A: Physical, 2008(148)）等等。光纤FP干涉仪可以分为两类，一种是本征型，另外一种为非本征型。

Chung利用低相干光研究了一种FP温度传感器，使用了两个FP腔来实现温度传感，实现了相移灵敏度为1.53rad/℃，相对相位灵敏度为7.3í10-6/℃( 文献5.C. E. Lee and H. F. Taylor, "Fiber-optic Fabry-Perot temperature sensor using a low-coherence light source," Lightwave Technology, Journal of, 1991(9))，该传感器使用两个FP腔，实现的灵敏度较低。而Liu由光纤端面、薄膜等设计了非本征型的FP温度传感器，利用薄膜受温度的影响会发生形变，改变FP腔的腔长，最终实现温度传感，灵敏度为62.82nW/℃（文献6. Y. Liu, W. Tian, and J. Hua, "Fiber Temperature Sensor Based on Micro-mechanical Membranes and Optical Interference Structure," in Journal of Physics: Conference Series, 2011）。由于微米级的薄膜制作相对困难，不易于实现，温度传感也受制于薄膜的温度效应，其结构容易受到外界影响。Rao提出了一种基于PCF的FP干涉仪的折射率探头，可作为温度传感器，并实现了4.16 nm/℃（文献7. Y. J. Rao, M. Deng, D. W. Duan, and T. Zhu, "In-line fiber Fabry-Perot refractive-index tip sensor based on endlessly photonic crystal fiber," Sensors and Actuators A: Physical, 2008(148)）。它使用了2.3mm的无截止单模光子晶体光纤（endlessly single-mode photonic crystal fiber (EPCF)）作为腔体，而腔体的一端使用了25μm长度的单模光纤作为端面，另外一端连接了一根单模光纤，传导光信号，这样的FP腔结构在熔接制作时工艺比较复杂，成本相对较高。Xu也使用了单模光纤和无截止光子晶体光纤(PCF)实现温度传感器，在单模光纤尾部熔接长度为1377μm的无截止单模光子晶体光纤来实现FP腔温度传感，并实现灵敏度为39.1nm/℃（文献8. L. C. Xu, M. Deng, D. W. Duan, W. P. Wen, and M. Han, "High-temperature measurement by using a PCF-based Fabry–Perot interferometer," Optics and Lasers in Engineering, 2012）。它依然使用了无截止单模光子晶体光纤，在成本上相对较高。

因此，本发明设计了一种成本更低、灵敏度更高的光纤FP温度传感器。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有FP温度传感器存在的一些问题，提出了一种结构简单、成本低、易于制备且能实现高灵敏度的新型FP温度传感器。

（二）技术方案

为了达到上述目的，本发明提出一种基于酒精填充的光纤FP温度传感器，是由单模光纤、毛细玻璃管、反射镜组成；毛细玻璃管的一端粘接了反射镜，并往毛细玻璃管内注入酒精，而单模光纤的一端经过切平后，从毛细玻璃管的另一端里插入到毛细玻璃管内，在毛细玻璃管内形成了FP腔体，然后光纤与毛细玻璃管连接处使用了光学胶粘接；FP腔体内填充了酒精，利用FP腔体内酒精的折射率的温度敏感性，实现温度传感。

上述的光纤FP温度传感器为反射式结构，由毛细玻璃管和低反射率镜构成。

上述的FP腔体填充的酒精为无水酒精。

上述的光纤FP温度传感器中的光纤端面处的界面的反射率为0.16%，反射镜也为0.16%，构成了低精细度的光纤FP温度传感器。

上述的FP腔体的腔长为100μm。

（三）有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明基于酒精填充的FP温度传感器具有以下有益效果：

1) 本发明中增加了传感器的灵敏度的同时，降低了传感器的成本；

2) 本发明具有体积小、抗电磁干扰强、易于制作等特点。

附图说明

本发明共有3幅附图。其中：

图1是本发明的基于酒精填充的光纤FP温度传感器结构示意图；

图2是本发明所填充的酒精折射率与温度的关系图；

图3是本发明的基于酒精填充的光纤FP温度传感器的传感方案示意图；

图4是本发明的传感器的反射光谱图。

图中：1、单模光纤，11、光纤纤芯，12、光纤包层，2、毛细玻璃管，3、反射镜，4、FP腔体，5、光纤FP温度传感器，6、测量环境，7、宽谱光源（BBS），8、3dB耦合器，9、光谱仪(OSA)，10、单模光纤。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图对本发明的具体结构、原理以及操作进一步的详细说明。

本发明提出了一种基于酒精填充的光纤FP温度传感器，如图1所示，由单模光纤1、毛细玻璃管2、反射镜3组成，在毛细玻璃管2的一端与反射镜3密封性的粘接，通过另外一端往毛细玻璃管2中填充酒精，然后将单模光纤1的一端经过端面平整切割，插入到毛细玻璃管2中，保证光纤FP腔体的长度为要求长度，在本发明中该FP腔体的长度为100μm，然后使用光学胶以点的形式把当单模光纤1和毛细玻璃管2粘牢，最终实现光纤FP温度传感器。

由于所粘接的反射镜3是低反射率的，为0.16%，且在光纤中切平的端面所形成的反射率也是相当的低，为0.16%，因此所构成光纤FP温度传感器是一种基于低精细度的FP干涉仪的温度传感器。在计算该光纤FP温度传感器的光学特性时，由于低精细度，那么FP腔体中的光，第三次返回到光纤中光能量的强度相对于第一和第二次所返回到光纤内部的能量就很小了，可以忽略不计，因此光纤FP温度传感器反射回来的光的光强计算原理可简化为双光束干涉原理进行计算，其公式如式（1）：

(1)

式中

为光纤端面所反射回来的光强，则由光纤端面输出经过FP腔体后经过反射镜反射回来并进入到光纤中的光强，

为两反射光的相位差，可通过公式(2)计算：

(2)

式中

为FP腔体内介质的折射率，此为酒精的折射率，

为真空中光的波长，

为FP腔体的长度，这样相位差就可以通过计算得到。

由于在FP腔体4内填充了无水酒精，而无水酒精在我们生活中是一种很常用的化学试剂，成本低，容易购买。因此制作本光纤FP温度传感器的成本很低，然而酒精的折射率的温度敏感性比较高，通过实验测量，其折射率变化值如图2所示，灵敏度达到0.0004RIU/℃，提高了FP腔的温度敏感特性。在23.5℃到48.5℃范围内，酒精折射率变化为0.0105RIU。而本发明的光纤FP温度传感器是反射式类型的，只需要单根光纤进行连接到光纤FP温度探测器，无需形成环形的光路，以减少光纤的使用量及传感器光路的体积，即节省布线体积，有利于布局，方便单点长距离的测量。而本光纤FP温度传感器5的传感方案如图3所示，需要用到宽谱光源（BBS）7、3dB耦合器8、光谱仪(OSA)9、单模光纤10构成传感方案，宽谱光源（BBS）7输出宽谱光，经过3dB耦合器8分光，一路光进入到光纤FP温度传感器5，然后反射回到光谱仪(OSA)9上，通过光谱仪9所采集的光谱进行计算；而另外一路光进入到折射率匹配液，用来消除3dB耦合器8多余光路的端面对测量系统的影响。这样，该FP温度传感器在温度变化中，得到的相应光谱图如图4所示，从光谱图中的光谱随着温度变化而发生移动，只要测量光谱的移动量就能实现温度测量。

Claims

1.本发明提出一种基于酒精填充的光纤FP温度传感器，是由单模光纤1、毛细玻璃管2、反射镜3组成；毛细玻璃管2的一端粘接了反射镜3，而单模光纤1的一端经过切平后，并从毛细玻璃管2的另一端里插入到毛细玻璃管2内，在毛细玻璃管2内形成了FP腔体4，然后单模光纤1与毛细玻璃管2连接处使用了光学胶进行固定；FP腔体4内填充了酒精，利用FP腔体内的酒精折射率的变化，实现温度传感。

2.如权利要求1所述的一种基于酒精填充的光纤FP温度传感器，其特征在于：光纤FP温度传感器是反射式结构，由毛细玻璃管和低反射率镜构成。

3.如权利要求1所述的一种基于酒精填充的光纤FP温度传感器，其特征在于：FP腔体4填充的介质为无水酒精。

4.如权利要求1所述的一种基于酒精填充的光纤FP温度传感器，其特征在于：光纤FP温度传感器中的光纤端面处的界面的反射率为0.16%，反射镜也为0.16%，构成了低精细度的光纤FP温度传感器。

5.如权利要求1所述的一种基于酒精填充的光纤FP温度传感器，其特征在于：FP腔体4的腔长为100μm。