CN103175628A - 一种光纤型温度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光纤传感器技术领域，特别涉及一种光纤型温度传感器，包括宽带光源、第一单模光纤、第二单模光纤及多芯光纤。所述宽带光源依次通过所述第一单模光纤、多芯光纤与第二单模光纤连接。所述第一单模光纤、第二单模光纤与所述多芯光纤的连接处均为电弧放电而形成的坍塌结构。本发明提供的光纤型温度传感器具有很高的温度灵敏度，并且应力-温度交叉灵敏度较低，能够广泛地应用在高精度的具有应力干扰的温度测量场合。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感器技术领域，特别涉及一种光纤型温度传感器。
背景技术
光纤温度传感器按照工作原理可以分为很多种，如基于干涉型的传感器、基于光栅型的传感器、基于拉曼或布里渊散射的分布式传感器等。一般来说，短距离、小范围的温度测量常采用点阵式或准分布式的传感器。然而，光纤对外界环境的多个参量（如温度、应力、振动、环境折射率等）都很敏感，导致了当下光纤传感器中普遍存在的交叉灵敏度问题，从而引起光纤传感器的测量精度降低、传感可靠性下降。目前，应力不敏感的温度传感器的研究显得十分的少，美国专利US6865194B1、中国专利CN200920111364以及中国专利CN201120381879分别公开了应力不敏感的温度传感器的三种方案，这三种方案都是利用布拉格光纤光栅来实现温度测量的，而且都采用了外管保护套的结构。并不是光纤传感元件（布拉格光纤光栅）对应力不敏感，而是这三种方案都将布拉格光纤光栅内置在外管中，管内做特殊设计，留出一定长度的冗余用作缓冲并通过适当的粘合，以隔绝外界应力对布拉格光纤光栅的影响，以此达到光纤传感器隔绝应力的效果。这三种方案都经过特殊设计，需要非常小心的将布拉格光纤光栅粘合在外管中，以隔绝应力对布拉格光纤光栅的作用，因此光纤传感器原本具有的结构小巧、易弯曲的优点被破坏，而且基于布拉格光纤光栅的传感器其温度灵敏度都不高，一般为10pm/℃。有文献提到利用无截止的单模光子晶体光纤中刻写长周期光栅的方法来实现应力不敏感的温度传感，这种方法的缺点是光栅刻写复杂、高温不稳定，而且对弯曲敏感，得到的应力-温度交叉灵敏度较高，一般为1.76×10-2°C/με。还有一种利用非线性光子晶体光纤两端分别与单模和多模光纤熔接而构建的模式干涉仪，得到的温度灵敏度为73pm/℃，应力-温度交叉灵敏度为1.274×10-2°C/με，其性能仍有待提高。显然这种干涉仪的温度灵敏度低、应力-温度交叉灵敏度较高。目前已公开的基于布拉格光纤光栅温度传感器的专利，其测量原理是利用了光栅能反射由下式给出的特定波长：λB＝2neffΛ，其中neff是模式的有效折射率，Λ是光栅周期。当应力、应变、温度变化等作用时，会引起光栅周期或光纤的有效折射率的变化，导致布拉格光栅的谐振波长发生漂移，通过测量其漂移量，可以获得待测物理量的变化信息。在实际的使用过程中光纤光栅对温度、应力和应变都具有比较好的响应，所以不借助其他保护措施是无法隔绝应力作用的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种应力-温度交叉灵敏度较低，且温度灵敏度较高的光纤型温度传感器。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种光纤型温度传感器，包括：宽带光源、第一单模光纤、第二单模光纤及多芯光纤。所述宽带光源依次通过所述第一单模光纤、多芯光纤与所述第二单模光纤连接。所述第一单模光纤、第二单模光纤与所述多芯光纤的连接处均为电弧放电而形成的坍塌结构。
进一步地，还包括光学分析设备。所述光学分析设备与所述第二光纤连接。
进一步地，所述光学分析设备为光谱仪。
进一步地，所述多芯光纤的纤芯与所述第一单模光纤的纤芯及所述第二单模光纤的纤芯偏心对齐。
进一步地，所述第一单模光纤及所述第二单模光纤的纤芯同时与所述多芯光纤上由中间纤芯和外围的任意两个相邻纤芯组成的三角形的中心对准。所述第一单模光纤与所述第二单模光纤的中心设置在同一水平面内。
进一步地，所述多芯光纤的外径为125μm。
进一步地，所述多芯光纤最中间的一根芯的折射率小于外围六根芯的折射率。所述多芯光纤外围六根芯的折射率相同。
进一步地，还包括保护套。所述多芯光纤放置在所述保护套内。
本发明提供的光纤型温度传感器采用了多芯光纤，第一单模光纤、第二单模光纤与多芯光纤的连接处均为电弧放电而形成的坍塌结构，因此在这个连接处（坍塌结构处）形成光场的模场失配，从而在多芯光纤中激发出不同的导模，形成多径干涉，而多径干涉的产生能提高传感器的灵敏度。本发明提供的光纤型温度传感器中，多芯光纤的纤芯与所述第一单模光纤的纤芯及所述第二单模光纤的纤芯偏心对齐，可以形成模场失配，进而激发多芯光纤中的多径干涉，多径干涉的产生能提高传感器的灵敏度。多芯光纤最中间的一根芯的折射率小于外围六根芯的折射率，多芯光纤外围六根芯的折射率相同，这种折射率的分布可以让光场在多径干涉的各个芯中的能量分布更趋于均匀。此外，多芯光纤还可以根据需要放置在保护套内，增加了多芯光纤的使用寿命。同时，本发明提供的光纤型温度传感器的结构简单、成本较低，便于在工业上广泛应用。
附图说明
图1为本发明实施例提供的光纤型温度传感器的光纤连接示意图。
图2为本发明实施例提供的多芯光纤剖视图。
图3为本发明实施例提供的光纤型温度传感器的结构原理图。
具体实施方式
参见图1-图3，本发明实施例提供了一种光纤型温度传感器，包括宽带光源7、第一单模光纤1、第二单模光纤5、多芯光纤3及光学分析设备（本实施例中采用光谱仪8）。宽带光源7依次通过第一单模光纤1、多芯光纤3、第二单模光纤5与光学分析设备（本实施例中采用光谱仪8）连接。第一单模光纤1、第二单模光纤5与多芯光纤3的连接处均为电弧放电而形成的光纤折射率剖面近似均匀分布的坍塌结构，这里的坍塌结构是指破坏了阶跃光纤中纤芯和包层折射率分布界限分明的结构，使得这一区域的折射率近似为均匀分布，所以这里的坍塌并不是指一般意义上的结构的凸起或凹陷，当然，在试验中坍塌后的光纤连接处一般会变肿（即凸起）。第一单模光纤1、第二单模光纤5与多芯光纤3的连接处形成的光纤折射率剖面近似均匀分布的坍塌结构是通过熔接时放电形成的，一般放电10-20次。下面对第一单模光纤1、第二单模光纤5及多芯光纤3的连接关系进行详细的说明：在实际应用中，多芯光纤3的纤芯与第一单模光纤1的纤芯及第二单模光纤5的纤芯偏心对齐，参见图2，本发明实施例中第一单模光纤1及第二单模光纤5的纤芯同时与多芯光纤3上的中间纤芯和外围任意两个相邻纤芯组成的三角形的中心对准，要特别说明的是，多芯光纤3上的中间纤芯和其他任意两个纤芯组成的三角形位于多芯光纤3的竖直剖面上（剖面为圆形）。第一单模光纤1与第二单模光纤5的中心设置在同一水平面内。多芯光纤3的外径为125μm。多芯光纤3最中间的一根芯的折射率小于外围六根光纤的折射率，多芯光纤3外围六根芯的折射率相同。此外，本发明实施例提供的光纤型温度传感器还可以包括保护套，多芯光纤放置在所述保护套内。
下面对本发明实施例提供的光纤型温度传感器的工作原理进行说明：宽带光源7发出的宽带光束耦合进第一单模光纤1，在第一单模光纤1与多芯光纤3的连接处为坍塌结构，这个坍塌的区域起到耦合器的作用，它将集中于第一单模光纤1纤芯中的能量耦合到多芯光纤3的包层和多个纤芯中。光场沿着多芯光纤3中的不同路径传播，由于不同模场的有效折射率是不一样的，所以不同路径的光束经历的光程是不一样的，在多芯光纤3与第二单模光纤5连接处发生干涉作用，能量又被耦合进第二单模光纤5，由于存在不同的光程差，形成的是多径干涉。第二单模光纤5与光谱仪8连接，从光谱仪8上可以看到多个包络同时存在的干涉图样，这是由于发生多径干涉同时存在多个周期的结果。本发明实施例提供的光纤型温度传感器，虽然多芯光纤3上的纵向应力作用会引起多芯光纤3有效折射率的变化，但是多芯光纤3上不同路径产生的光程变化相差不大，那么由干涉的原理可知这时得到的干涉波峰、波谷的位置不会漂移太大，因此本发明实施例提供的光纤型温度传感器的应力-温度交叉灵敏度较低。此外，由于本发明提供的光纤型温度传感器是基于多径干涉的原理，与传统的基于双径干涉的结果相比，多径干涉谱中波峰或波谷更陡峭（即斜率更大），所以它对相位的变化具有更大的响应率，因此，本发明得到了比双径干涉仪更高的温度灵敏度。对多芯光纤施加定量的加热、制冷及应力作用，记录下光谱仪上的图形数据，再用Matlab或Origin等软件分析处理，可分别得到温度灵敏度，应力灵敏度，应力-温度交叉灵敏度，实验数据如表1所示。
表1
从表1的实验数据可知，本发明提供的光纤型温度传感器的最大温度灵敏度为130.6pm/℃，应力灵敏度典型值为0.255pm/με，而应力-温度交叉灵敏度的典型值仅为1.953×10-3°C/με。因此，本发明提供的光纤型温度传感器具有很高的温度灵敏度，并且应力-温度交叉灵敏度较低，能够广泛地应用在高精度的具有应力干扰的温度测量场合。
本发明实施例具有以下有益效果：
1、第一单模光纤、第二单模光纤与多芯光纤的连接处均为电弧放电而形成的坍塌结构，因此在这个连接处（坍塌结构处）形成光场的模场失配，从而在多芯光纤中激发出不同的导模，形成多径干涉，而多径干涉的产生能提高传感器的灵敏度。
2、多芯光纤的纤芯与所述第一单模光纤的纤芯及所述第二单模光纤的纤芯偏心对齐，可以形成模场失配，进而激发多芯光纤中的多径干涉，多径干涉的产生能提高传感器的灵敏度。
3、多芯光纤最中间的一根芯的折射率小于外围六根芯的折射率，多芯光纤外围六根芯的折射率相同，这种折射率的分布可以让光场在多径干涉的各个芯中的能量分布更趋于均匀。
4、多芯光纤还可以根据需要放置在保护套内，增加了多芯光纤的使用寿命。
5、结构简单、成本较低，便于在工业上广泛应用。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种光纤型温度传感器，其特征在于，包括：宽带光源、第一单模光纤、第二单模光纤及多芯光纤；
所述宽带光源依次通过所述第一单模光纤、多芯光纤与所述第二单模光纤连接；
所述第一单模光纤、第二单模光纤与所述多芯光纤的连接处均为电弧放电而形成的坍塌结构。
2.根据权利要求1所述的光纤型温度传感器，其特征在于，还包括光学分析设备；
所述光学分析设备与所述第二光纤连接。
3.根据权利要求2所述的光纤型温度传感器，其特征在于，所述光学分析设备为光谱仪。
4.根据权利要求1所述的光纤型温度传感器，其特征在于，所述多芯光纤的纤芯与所述第一单模光纤的纤芯及所述第二单模光纤的纤芯偏心对齐。
5.根据权利要求4所述的光纤型温度传感器，其特征在于，所述第一单模光纤及所述第二单模光纤的纤芯同时与所述多芯光纤上由中间纤芯和外围的任意两个相邻纤芯组成的三角形的中心对准；
所述第一单模光纤与所述第二单模光纤的中心设置在同一水平面内。
6.根据权利要求1所述的光纤型温度传感器，其特征在于，所述多芯光纤的外径为125μm。
7.根据权利要求1所述的光纤型温度传感器，其特征在于，所述多芯光纤最中间的一根芯的折射率小于外围六根芯的折射率；
所述多芯光纤外围六根芯的折射率相同。
8.根据权利要求1所述的光纤型温度传感器，其特征在于，还包括保护套；
所述多芯光纤放置在所述保护套内。
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