CN103148956B - 一种基于涂覆微纳光纤进行温度测量的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于涂覆微纳光纤的温度测量装置及方法，包括窄线宽激光器、光纤隔离器、耦合方式为2×2的光纤耦合器、微纳光纤、涂覆材料、信号光探测器和参考光探测器，激光器的输出端通过光纤连接至光纤隔离器后再连接至光纤耦合器的第一端口，信号光探测器连接涂覆后的微纳光纤，再连接至光纤耦合器的第三端口，参考光探测器通过光纤连接至光纤耦合器的第四端口。本发明的技术效果在于，利用微纳光纤大倏逝场的特性进行温度的测量。由于当外界环境温度变化，微纳光纤涂覆材料的吸收特性会发生变化，最终导致输出光功率的变化，克服了以往光纤温度测量结构复杂，信号处理困难等难题，便于复用，能够实时在线进行准分布式测量。

Description

一种基于涂覆微纳光纤进行温度测量的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于涂覆微纳光纤进行温度测量的装置和方法。

背景技术

随着工业自动化程度的提高及连续生产规模的扩大,对温度参数测量的提出了更多、更高的要求。目前,普遍采用的热电偶很难实现对温度准确地测量。这种接触式测量也难以保证温度场的原有特征,易引起误差。而且金属热电偶必须接触被测物体,所以损坏快,增加了成本。光导纤维技术的发展,为非接触测温技术在工业生产中的应用提供了有利的前提条件，解决了许多热电偶和常规红外测温仪无法解决的问题。它具有抗电磁干扰、耐高温、抗腐蚀、小型化等优点,适用于传统温度传感器难以胜任的某些恶劣环境下的温度测量，尤其适用于油库等易燃、易爆危险环境的温度检测，在科研、工业特别是国防等领域中有着巨大的应用潜力。

现有的基于光纤的温度测量方法主要有以下三种：

（1）辐射测温法。该方法分为全辐射测温、单辐射测温及多波长测温。全辐射测温通过测量全波段的辐射能量而得到温度。但是由于周围背景的辐射、介质吸收率的变化和辐射率的预测都会给测量带来困难,因此难于实现较高的精度。单辐射测温法所选波段越窄越好,可是带宽过窄会使探测器接收的能量变得太小,从而影响其测量准确度。多波长辐射测温法是一种很精确的方法,但工艺比较复杂,且造价高,推广应用有一定困难。

（2）基于拉曼散射或布里渊散射的温度传感方法。光纤背向散射温度测量系统是用于实时测量空间温度场分布的传感系统。在系统中,光纤既是传输媒体也是传感媒体。利用光纤反Stokes背向散射的温度效应,光纤所处空间各点温度场调制了光纤中传输的光载波;经解调,将空间温度场的信息实时显示出来。它是特殊的光纤通信网络。由光纤中光的传播速度和背向光回波的时间,对所测温度点定位,它又是一个典型的光纤激光温度雷达系统。但该方法需要较复杂的系统结构，以及信号调制、解调技术。

（3）基于光纤光栅的温度传感方法。光纤光栅温度传感器是利用光纤材料的光敏性在光纤纤芯形成的空间相位光栅来进行测温的。当光纤光栅所处温度发生变化时，其反射波长将发生变化。光纤光栅以波长为编码，具有传统传感器不可比拟的优势，已广泛用于建筑、航天、石油化工、电力行业等。光纤光栅温度传感器主要有Bragg光纤光栅温度传感器和长周期光纤光栅传感器。Bragg光纤光栅是指单模掺锗光纤经紫外光照射而形成的全新光纤型Bragg光栅，光纤纤芯折射率呈现周期性分布条纹并产生Bragg光栅效应，其基本光学特性就是以共振波长为中心的窄带光学滤波。但是光纤光栅不仅对温度敏感，而且对应力敏感，存在温度、应力交叉敏感的难题。

微纳光纤是直径为微米或亚微米量级的光波导纤维，具有强约束能力、大倏逝场、强非线性效应及易于与普通单模光纤连接的优异特性。在光纤传感领域有很广的应用前景。

发明内容

为了克服上文中光纤温度传感遇到的技术难题，本发明提供了一种基于微纳光纤的温度测量装置。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，一种基于微纳光纤进行温度测量的装置，包括激光发生装置、微纳光纤和信号光电探测器，所述的激光发生装置的输出端通过微纳光纤连接信号光探测器。

所述的一种涂覆基于微纳光纤进行温度测量装置，还包括用于将激光发生装置所发射的激光分路为两路的光纤耦合器和参考光探测器，所述的光纤耦合器的输入端连接激光发生装置，光纤耦合器的两个输出端的其中一个输出端连接微纳光纤后，再连接至信号光探测器，光纤耦合器的另一个输出端通过单模光纤连接至参考光探测器。

所述的一种基于涂覆微纳光纤进行温度测量的装置，所述的激光发生装置包括激光器和光纤隔离器，所述的激光器的输出端经光纤隔离器连接至光纤耦合器的输入端。

所述的一种基于涂覆微纳光纤进行温度测量的装置，所述的微纳光纤直径为1微米-10微米。

所采用的涂覆材料可选用纯水、特氟龙、酒精、纯铝、氟化镁等，上述的几种物质，前三种为液态，后两种为固态，其共同特点是（1）折射率实部小于光纤的折射率实部1.46，（2）折射率虚部小于0，即对光纤中的传输光有吸收作用。对应于固态物质，可以使用镀膜的方法在微纳光纤表面就行涂覆，对于液态的纯水，酒精要进行封装，避免挥发，对于液态的特氟龙，直接涂覆后自己会固化。

一种基于涂覆微纳光纤进行温度测量的方法，包括以下步骤：

步骤一：将直径为125微米的普通单模光纤拉制成为直径为1微米-10微米的微纳光纤，并用特殊材料进行涂覆。

步骤二：将激光发生装置所发生的激光作为信号光连接微纳光纤；

步骤三：在微纳光纤后连接用于检测信号光强度的信号光探测器；

步骤四：激光发生装置产生激光，所产生的激光通过微纳光纤传输至信号光探测器，信号光探测器检测出激光在微纳光纤中传输由于涂覆材料吸收所减少的光能量；

步骤五：根据减少的光能量的多少利用温度标定结果来得温度。

所述的一种涂覆基于微纳光纤进行温度测量的方法，所述的步骤二还包括以下步骤：将激光发生装置首先连接光纤耦合器，将所发生的激光分成两路相同的激光，所分出的一路激光作为信号光连接微纳光纤，另一路激光作为参考光连接用于检测参考光强度的光电探测器。

所述的一种涂覆基于微纳光纤进行温度测量的方法，所述的步骤四中，在信号光探测器检测信号光强度变化的同时，参考光探测器检测参考光的光强度变化，信号光探测器所检测出的结果除去参考光探测器所检测到的参考光的光强度变化即得到激光在微纳光纤中传输由涂覆材料吸收后所减少的光能量。

所述的一种涂覆基于微纳光纤进行温度测量的方法，所述的激光发生装置包括激光器和光纤隔离器，激光器的输出端经光纤隔离器连接至光纤耦合器的输入端。

本发明的技术效果在于，利用微纳光纤大倏逝场的特性进行温度测量。由于微纳光纤具有较大的倏逝场，较多部分的光能量传输在涂覆材料之中，由于涂覆材料的吸收特性，将导致输出光功率的减少。当外界环境的温度增高，由于分子热运动增强，涂覆材料的吸收特性相应发生变化（一般会吸收变弱），从而导致涂覆材料对光功率的吸收变少，最终的输出光功率增大。该方法从原理上简单易行，便于大规模复用，灵敏度高，能够实现准分布式实时在线测量，从理论上克服了上文中提到的其他光纤温度测量方式碰到的难题。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明微纳光纤的封装结构图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明实施例1直径为1.7微米，涂覆材料是水的温度测试结果图；

图4为本发明实施例2直径为2.4微米，涂覆材料是水的温度测试结果图；

图5为本发明实施例3直径为2.1微米，涂覆材料是特氟龙的温度测试结果图；

其中1为普通单模光纤，2为微纳光纤的过渡区域，3为微纳光纤的均匀区域，4为微纳光纤的倏逝场，5为涂覆材料，6为窄线宽激光器，7为光纤隔离器，8为光纤耦合器，9为微纳光纤，10为信号光探测器，11为参考光探测器，81为光纤耦合器的第一端口，82为光纤耦合器的第二端口，83为光纤耦合器的第三端口，84为光纤耦合器的第四端口。

具体实施方式

参见图1，本实施例装置的微纳光纤是通过加热拉伸普通单模光纤（直径为125微米）得到的，最终微纳光纤的直径为1微米-10微米。微纳光纤包括普通单模光纤1，过渡区域2以及均匀区域3。由于微纳光纤的直径在微米量级，有较多部分的能量以倏逝场4的形式存在于微纳光纤的物理边界之外。为了使微纳光纤对外界环境的温度敏感，微纳光纤的表面覆盖了一层涂覆材料5，该材料对倏逝场4的能量有吸收作用，使得光在微纳光纤中传输时会引入附加的损耗。当外界温度升高时，由于分子热运动增强，涂覆材料对光的吸收作用会变化（一般是减小），最终导致光在微纳光纤中传输的附加损耗变化，从而可以解算出外界环境的变化。

参见图2，本实施例装置包括窄线宽激光器6、隔离度大于30dB的光纤隔离器7、耦合方式为2×2的光纤耦合器8、微纳光纤9、信号光探测器10和参考光探测器11。其中采用窄线宽激光器6是为消除耦合器分束比对波长的选择性。窄线宽激光器6的输出光注入隔离器7，再经过光纤耦合器8的第一端口81分为两束光，分别从光纤耦合器8的第三端口83及光纤耦合器8的第四端口84输出，其中光纤耦合器8的第三端口83的光做为信号光通过微纳光纤9后由探测器10监测光强，光纤耦合器8的第四端口84的光做为参考光由参考光探测器11监测光强。隔离器7的引入是为了消除散射光对光源的影响。

基于涂覆微纳光纤进行温度测量的方法，包括以下步骤：

步骤一：将普通的单模光纤加热到1300℃作用，光纤处于熔融状态，使用步进电机将普通光纤拉长，加热部分光纤直径减小，成为微纳光纤，最后特殊的材料涂覆在微纳光纤的表面。

步骤二：将激光发生装置所发生的激光作为信号光连接微纳光纤，为了避免由于激光发生装置本身由于功率不稳定而造成激光强度发生变化，也可在激光输出至微纳光纤前，先将激光发生装置首先连接光纤耦合器，将所发生的激光分成两路相同的激光，所分出的一路激光作为信号光连接微纳光纤，另一路激光作为参考光连接用于检测参考光强度的参考光探测器；

步骤三：在微纳光纤后连接用于检测信号光强度的信号光探测器；

步骤四：激光发生装置产生激光，所产生的激光通过微纳光纤传输至信号光探测器，信号光探测器检测出激光在微纳光纤中传输造成在空气中的倏逝场扰动而产生散射后所减少的光能量；若通过光纤耦合器连接有参考光光电探测器，则在信号光探测器检测信号光强度变化的同时，参考光探测器检测参考光的光强度变化，信号光探测器所检测出的结果除去参考光探测器所检测到的参考光的光强度变化即得到激光在微纳光纤中传输由于涂覆材料的吸收作用所减少的光能量，这是因为，通过光纤耦合器所分出的参考光的功率不仅所占激光器所发光的功率比例固定，且由于未连接微纳光纤，故参考光不受外界环境的影响，所以参考光的功率只随激光器所产生的激光功率等比例的变化，故只需将信号光的功率变化去除同时所检测的参考光功率变化，即得到消除了激光器功率波动变化的信号光强度变化。

步骤五：根据减少的光能量的多少利用温度标定的结果反推出温度的大小。该方法进行温度测量需要首先进行温度标定。当微纳光纤表面完成涂覆并接入系统中，人为改变外界的温度，可以得到附加损耗随温度变化的结果，将该结果作为温度的标定结果，这是由于不同涂覆材料的吸收系数随温度变化也是不同的，故在实际传感之前，先将装置置于一个温度可控的环境内，通过改变温度进行测试，即可以得到不同温度和不同损耗之间一一对应的关系，再将微纳光纤置于需要传感的场所，即可根据开始得到的一一对应关系以及测量得到的损耗反推出温度的大小。对应一种涂覆材料，一种直径的微纳光纤只需标定一次。不同涂覆材料的吸收作用随温度变化时不同的，所以同一标定结果不适用于不同涂覆材料。不同直径微纳光纤的倏逝场大小也是不同的，所以同一标定结果不适用于不同直径的微纳光纤。

激光发生装置包括激光器和光纤隔离器，激光器的输出端经光纤隔离器连接至光纤耦合器的输入端，光纤隔离器的引入是为了消除散射光对光源的影响，光纤隔离器利用法拉第旋光效应实现光能量的单向传输，反向传输的光能量被大大的衰减掉，基本上不能反向传输光能量。信号光探测器和参考光探测器均采用光电探测器，其功能就是将光信号转换为电信号，实施例中采用的是德国FEMTO公司生产的OE-200-IN2-FC型低噪声光电探测器。用于连接各部件所采用的是普通单模光纤，包括纤芯（不同种类单模光纤略有不同，约为8微米），包层（125微米），涂覆层（250微米），纤芯和包层组成圆柱形光波导，是约束光能量的主要传输介质，涂覆层是为了增加光纤的力学特性，这样不容易折断。

参见图2，窄线宽光源6的光通过隔离器7及耦合器8后分为两路，一路通过微纳光纤9进入信号光探测器10，一路直接进入参考光探测器11。当外界环境的温度发生变化时，涂覆材料5的吸收特性发生变化，对微纳光纤倏逝场4的吸收作用发生变化，最终得到输出光功率发生变化。

以下实施例中，首先将直径为125微米的普通单模光纤使用加热拉制的方法制作为微纳光纤。在实施例中得到了三根微纳光纤，直径分别为1.7微米，2.1微米和2.4微米，将直径为1.7微米和直径为2.4微米的微纳光纤浸入纯水之中，这样涂覆材料可以认为就是纯水，同时，将直径为2.1微米的微纳光纤使用特氟龙进行涂覆。通过改变外部温度，可以得到不同温度下对应的附加损耗。

测试结果分别如图3、图4和图5所示，可以得到，当涂覆材料为纯水时，直径为1.7微米微纳光纤的测试结果如表1所示：

温度（℃）	24	25	26.2	27.9	29.2	30.7	32	33	33.8
										损耗（dB）	13.224	13.089	12.947	12.806	12.683	12.567	12.441	12.362	12.297
温度（℃）	34.8	35.1	36	37.1	38	39.2	41	42	43
										损耗（dB）	12.225	12.178	12.09	11.977	11.892	11.776	11.632	11.541	11.44
温度（℃）	44.3	45.5	46.8	48.3	49.9	51	53	53.9	55
										损耗（dB）	11.344	11.249	11.153	11.015	10.922	10.826	10.696	10.602	10.514
温度（℃）	56	57	58	59	60	61	62	63	63.8
										损耗（dB）	10.436	10.365	10.297	10.218	10.158	10.094	9.9949	9.9378	9.8923

表1微纳光纤直径为1.7微米，涂覆材料是纯水

直径为1.7微米微纳光纤的附加损耗随温度变化的线性函数为：

y=-0.083t+15.085

其中y为附加损耗，t为温度，线性度为0.9987。

当涂覆材料为纯水时，直径为2.4微米微纳光纤的测试结果如表2所示：

温度（℃）	17	18	19	20	21	22	23	24	25
										损耗（dB）	6.185	6.156	6.101	6.056	6.024	5.984	5.954	5.911	5.863
温度（℃）	26	27	28	29	30	31	32	33	34
										损耗（dB）	5.825	5.791	5.75	5.712	5.681	5.648	5.605	5.560	5.527
温度（℃）	35	36	37	38	39	40	41	42	43
										损耗（dB）	5.477	5.429	5.391	5.353	5.323	5.277	5.231	5.199	5.165
温度（℃）	44	45	46	47	48	49	50	51	52

损耗（dB）	5.129	5.081	5.048	4.997	4.954	4.905	4.859	4.828	4.806
										温度（℃）	53	54	55	56	57	58	59	60	61
损耗（dB）	4.785	4.763	4.731	4.689	4.642	4.605	4.571	4.540	4.479
										温度（℃）	62	63	64	65	66	67	68	69	70
损耗（dB）	4.462	4.427	4.398	4.364	4.335	4.314	4.298	4.266	4.252

表2微纳光纤直径为2.4微米，涂覆材料是纯水

可以得到直径为2.4微米微纳光纤的附加损耗随温度变化的线性函数为：

y=-0.038t+6.798

其中y为附加损耗，t为温度，线性度为0.9989。上述两个实施例中，光纤的涂覆材料是纯水，所以测量温度范围为0-100℃，其测量精度与测量结果的本底噪声有关，实施例中装置的本底噪声为0.01dB。对应于实施例，可以看到微纳光纤的直径越小，其倏逝场越大，对外界环境温度的变化越敏感。直径1.7微米微纳光纤的温度测量精度为0.12℃，直径2.4微米微纳光纤的温度测量精度为0.26℃。

当涂覆材料为特氟龙时，直径为2.1微米微纳光纤的测试结果如表3所示：

温度（℃）	56	55	54	53	52	51	50	49	48
										损耗（dB）	1.539	1.565	1.584	1.604	1.622	1.647	1.678	1.703	1.720
温度（℃）	47	46	45	44	43	42	41	40	39
										损耗（dB）	1.744	1.773	1.803	1.82	1.849	1.873	1.898	1.922	1.950
温度（℃）	38	37	36	35	34	33	32	31	30
										损耗（dB）	1.976	2.004	2.044	2.064	2.086	2.112	2.153	2.177	2.205
温度（℃）	29	28	27	26	25	24	23	22	21

损耗（dB）	2.238	2.264	2.291	2.324	2.360	2.390	2.426	2.469	2.517
										温度（℃）	20	19	18	17	16	15
损耗（dB）	2.566	2.590	2.628	2.665	2.708	2.752

表3微纳光纤直径为2.1微米，涂覆材料是特氟龙

当涂覆材料是特氟龙时，可以得到直径为2.1微米微纳光纤的损耗随温度变化的线性函数为：

y=-0.029t+3.107

其中y为附加损耗，t为温度，线性度为0.9958。

与实施例1和实施例2相比，实施例3的灵敏度较小，说明特氟龙材料对光的吸收作用随温度变化相比于纯水变化较小，但是特氟龙材料的温度范围更加大，可以达到数百摄氏度，所以有更大的温度测试范围。其测量精度与测量结果的本底噪声有关，实施例中装置的本底噪声为0.01dB，所以实施例3的温度测量精度为0.33℃。

Claims (8)

1.一种基于涂覆微纳光纤进行温度测量的装置，包括激光发生装置、经过材料涂覆的微纳光纤和信号光探测器，所述的激光发生装置的输出端通过微纳光纤连接信号光探测器，微纳光纤所涂覆的材料的光学折射率实部小于微纳光纤的折射率实部，光学折射率虚部小于0。

2.根据权利要求1所述的一种基于涂覆微纳光纤进行温度测量的装置，还包括用于将激光发生装置所发射的激光分路为两路的光纤耦合器和参考光探测器，所述的光纤耦合器的输入端连接激光发生装置，光纤耦合器的两个输出端的其中一个输出端连接微纳光纤后，再连接至信号光探测器，光纤耦合器的另一个输出端通过单模光纤连接至参考光探测器。

3.根据权利要求1所述的一种基于涂覆微纳光纤进行温度测量的装置，所述的激光发生装置包括激光器和光纤隔离器，所述的激光器的输出端经光纤隔离器连接至光纤耦合器的输入端。

4.根据权利要求1所述的一种基于涂覆微纳光纤进行温度测量的装置，所述的微纳光纤直径为1微米-10微米。

5.一种采用如权利要求1-4任一项所述的基于涂覆微纳光纤进行温度测量的装置进行温度测量的方法，包括以下步骤：

步骤一：将直径为125微米的普通单模光纤拉制成为直径为1微米-10微米的微纳光纤，并用材料进行涂覆，所涂覆的材料的光学折射率实部小于微纳光纤的折射率实部，光学折射率虚部小于0；

步骤二：将激光发生装置所发生的激光作为信号光连接微纳光纤；

步骤三：在微纳光纤后连接用于检测信号光强度的信号光探测器；

步骤四：激光发生装置产生激光，所产生的激光通过微纳光纤传输至信号光探测器，信号光探测器检测出激光在微纳光纤中传输由于涂覆材料吸收 所减少的光能量；

步骤五：根据减少的光能量的多少，利用预先所得的温度标定结果来求得温度。

6.根据权利要求5所述的进行温度测量的方法，所述的步骤二包括以下步骤：将激光发生装置首先连接光纤耦合器，将所发生的激光分成两路相同的激光，所分出的一路激光作为信号光连接微纳光纤，另一路激光作为参考光连接用于检测参考光强度的参考光探测器。

7.根据权利要求5所述的进行温度测量的方法，所述的步骤四中，在信号光探测器检测信号光强度变化的同时，参考光探测器检测参考光的光强度变化，信号光探测器所检测出的结果除去参考光探测器所检测到的参考光的光强度变化即得到激光在微纳光纤中传输由涂覆材料吸收后所减少的光能量。

8.根据权利要求5所述的进行温度测量的方法，所述的激光发生装置包括激光器和光纤隔离器，激光器的输出端经光纤隔离器连接至光纤耦合器的输入端。