CN103852191B - 一种折射率不敏感的光纤温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种温度传感器，尤其涉及一种折射率不敏感的光纤温度传感器。一种折射率不敏感的光纤温度传感器，包括宽谱光源、传输单模光纤、耦合光纤、空心内壁波导光纤和光谱分析仪；第一传输单模光纤的一端通过第一耦合光纤与空心内壁波导光纤的一端连接，空心内壁波导光纤的另一端通过第二耦合光纤与第二传输单模光纤的一端连接，构成集成式光纤马赫‑泽德干涉仪；第一传输单模光纤的另一端与宽谱光源连接，第二传输单模光纤的另一端与光谱分析仪连接。本发明的温度传感器，利用内壁波导光纤的空气模和环形芯模之间大的有效折射率差，构造长度短、结构紧凑的马赫‑泽德干涉仪，有效减小了传感器的尺寸。

Description

一种折射率不敏感的光纤温度传感器

技术领域

本发明涉及一种温度传感器，尤其涉及一种折射率不敏感的光纤温度传感器。

背景技术

光纤传感器由于可绕性好、抗电磁干扰、可进行远距离和分布式测量等优点，广泛用于温度传感领域。

目前，光纤温度传感器主要有基于光纤布拉格光栅、长周期光纤光栅、法布里-珀罗干涉仪、双芯光子晶体光纤和各种基于纤芯模-包层模干涉的结构。基于光纤布拉格光栅的温度传感器的温度灵敏度较低；基于法布里-珀罗干涉仪的温度传感器对传感光纤两端的反射率要求很高；基于双芯光子晶体光纤的温度传感器要求对光子晶体光纤进行弯曲预处理，增加了结构的不稳定性；基于长周期光纤光栅和各种基于纤芯模-包层模干涉的结构，由于需要利用包层模，存在对传感光纤周围的折射率交叉敏感的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构紧凑，对外界折射率变化不敏感的光纤温度传感器。

本发明的目的是这样实现的：

一种折射率不敏感的光纤温度传感器，包括宽谱光源、传输单模光纤、耦合光纤、空心内壁波导光纤和光谱分析仪；第一传输单模光纤的一端通过第一耦合光纤与空心内壁波导光纤的一端连接，空心内壁波导光纤的另一端通过第二耦合光纤与第二传输单模光纤的一端连接，构成集成式光纤马赫-泽德干涉仪；第一传输单模光纤的另一端与宽谱光源连接，第二传输单模光纤的另一端与光谱分析仪连接。

空心内壁波导光纤包括空气孔、环形芯和包层，所述的空气孔位于空心内壁波导光纤的轴心、所述的环形芯和包层与空气孔同轴，包层环绕环形芯，环形芯环绕空气孔。

空气孔的直径范围为20μm-80μm，环形芯的壁厚为2μm-8μm，包层的外径为125μm。

耦合光纤为阶跃折射率多模光纤，纤芯直径不小于空心内壁波导光纤的环形芯外径。

第一传输单模光纤、第一耦合光纤、空心内壁波导光纤、第二耦合光纤和第二传输单模光纤之间是通过熔融焊接连接的。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明的温度传感器，利用内壁波导光纤的空气模和环形芯模之间大的有效折射率差，构造长度短、结构紧凑的马赫-泽德干涉仪，有效减小了传感器的尺寸。

（2）本发明的温度传感器，利用内壁波导光纤的包层的隔离作用，使空气模和环形芯模的有效折射率不受外界介质折射率的影响，解决了温度与折射率交叉敏感的问题。

附图说明

图1是本发明实施例中的基于内壁波导光纤的温度传感器的结构示意图。

图2是一种内壁波导光纤的端面结构示意图。

图3是本发明实施例中的温度传感器在空气和水中的输出光谱。

图4是本发明实施例中的温度传感器在不同温度下的输出光谱。

具体实施方式

以下结合附图举例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

结合图1，本发明的一种折射率不敏感的光纤温度传感器，由宽谱光源1、传输单模光纤2、耦合光纤3、空心内壁波导光纤4、传输单模光纤5、耦合光纤6和光谱分析仪7组成；传输单模光纤2的一端通过耦合光纤3与空心内壁波导光纤4的一端连接，空心内壁波导光纤4的另一端通过耦合光纤5与传输单模光纤6的一端连接，构成集成式光纤马赫-泽德干涉仪；传输单模光纤2的另一端与宽谱光源1连接，传输单模光纤6的另一端与光谱分析仪7连接。

结合图2，空心内壁波导光纤4包括位于光纤轴心的空气孔41、与空气孔同轴的环形芯42和包层43；空气孔41的直径为62μm，环形芯42的壁厚为3.3μm，包层的外径为125μm。

耦合光纤3和耦合光纤5为阶跃折射率多模光纤，纤芯直径为105μm；

传输单模光纤2、耦合光纤3、空心内壁波导光纤4、耦合光纤5和传输单模光纤6之间是通过熔融焊接连接的。

在工作时，宽谱光源1发出的光经过传输单模光纤2进入耦合光纤3，通过耦合光纤3的大直径纤芯耦合入内壁波导光纤4的空气孔41和环形芯42，分别以空气模和环形芯模的形式在内壁波导光纤4中传输。从内壁波导光纤4输出的两束光经耦合光纤5后进入传输单模光纤6中并发生干涉；干涉信号被光谱分析仪7检测。如果外界折射发生变化，空气模和环形芯模的有效折射率都不会改变，因此干涉光谱不会发生偏移。如果外界温度发生变化，空气模和环形芯模的有效折射率都会发生相应的改变，同时内壁波导光纤4的长度也会发生变化，因此空气模和纤芯模经过内壁波导光纤4后的光程差会发生变化，从而引起干涉光谱发生偏移。通过检测干涉光谱的偏移量变化就可以实现对温度变化的测量。

图3是利用图1所示结构的光纤温度传感器测得的在空气和水中的输出光谱。其中实线为空气中的光谱，虚线为水中的光谱。室温下空气的折射率约为1，水的折射率为1.3327。

图4为利用图1所示结构的光纤温度传感器测得的不同温度下的输出光谱。其中曲线A为30℃，曲线B为50℃，曲线C为70℃，曲线D为90℃。

本发明是基于光纤干涉原理，利用空心内壁波导光纤的空气孔和环形芯具有不同热光系数的特性，通过监测干涉光谱的偏移来测量温度的变化。下面以使用宽谱光源进行测量为例，具体给出本发明专利的工作原理。

如图2所示的空心内壁波导光纤由空气孔、环形芯和包层组成。第一传输单模光纤的纤芯模经第一耦合光纤后转换成空心内壁波导光纤的空气模和环形芯模，空气模和环形芯模经第二耦合光纤耦合入第二传输单模光纤的纤芯中，从而构成集成式光纤马赫-泽德干涉仪。设空心内壁波导光纤的长度为L，空气模和环形芯模的有效折射率分别为n₁和n₂。那么根据干涉原理，两束光的光程差在干涉谱中干涉极小处等于半波长的奇数倍，即对于某个干涉极小，有

$(n_2-n_1)L=(m+\frac{1}{2})\mathrm{\λ}---\left(1\right)$

其中m为整数，λ是干涉极小处对应的波长。

由于空心内壁波导光纤的包层的存在，空气模和环形芯模的有效折射率n₁和n₂不受光纤周围介质的折射率影响，干涉谱不随周围介质折射率的变化发生改变，因此本发明的基于空心内壁波导光纤的马赫-泽德干涉仪对于周围介质的折射率是不敏感的。

由于空气和石英具有不同的热光系数和热膨胀系数，当温度发生ΔT的变化时，热光效应会使空气模和环形芯模的有效折射率n₁和n₂产生Δn₁和Δn₂的改变量，同时热膨胀效应会使空心内壁波导的长度L会产生ΔL的改变量，那么空气模和环形芯模之间的光程差变为(n₂-n₁+Δn₂-Δn₁)(L+ΔL)。

由于两路干涉臂的光程差发生变化，那么透射光谱中干涉峰的位置会发生偏移，设偏移量为Δλ。通常较小的温度变化引起的光程差变化不会超过一个波长，那么对于新的干涉极小所对应的波长λ+Δλ，有

$(n_2-n_1+\mathrm{\Δ}{n}_2-\mathrm{\Δ}{n}_1)(L+\mathrm{\ΔL})=(m+\frac{1}{2})(\mathrm{\λ}+\mathrm{\Δ\λ})---\left(2\right)$

结合公式（1）和（2），得到单位温度变化引起的干涉光谱的偏移量为

$\mathrm{\δ\λ}=\frac{1}{\mathrm{\ΔT}}\·\frac{(\mathrm{\Δ}{n}_2-\mathrm{\Δ}{n}_1)L+(n_2-n_1)\mathrm{\ΔL}+(\mathrm{\Δ}{n}_2-\mathrm{\Δ}{n}_1)\mathrm{\ΔL}}{(n_2-n_1)L}---\left(3\right)$

Claims (2)

1.一种折射率不敏感的光纤温度传感器，包括宽谱光源、传输单模光纤、耦合光纤、空心内壁波导光纤和光谱分析仪；其特征在于：第一传输单模光纤的一端通过第一耦合光纤与空心内壁波导光纤的一端连接，空心内壁波导光纤的另一端通过第二耦合光纤与第二传输单模光纤的一端连接，构成集成式光纤马赫-泽德干涉仪；第一传输单模光纤的另一端与宽谱光源连接，第二传输单模光纤的另一端与光谱分析仪连接；

所述的空心内壁波导光纤包括空气孔、环形芯和包层，所述的空气孔位于空心内壁波导光纤的轴心、所述的环形芯和包层与空气孔同轴，包层环绕环形芯，环形芯环绕空气孔；

所述的空气孔的直径范围为20μm-80μm，环形芯的壁厚为2μm-8μm，包层的外径为125μm；

所述的耦合光纤为阶跃折射率多模光纤，纤芯直径不小于空心内壁波导光纤的环形芯外径；第一传输单模光纤的纤芯模经第一耦合光纤后转换成空心内壁波导光纤的空气模和环形芯模，空气模和环形芯模经第二耦合光纤耦合入第二传输单模光纤的纤芯中，从而构成集成式光纤马赫-泽德干涉仪，设空心内壁波导光纤的长度为L，空气模和环形芯模的有效折射率分别为n₁和n₂，其关系为

$(n_2-n_1)L=(m+\frac{1}{2})\mathrm{\λ};$

其中m为整数，λ是干涉极小处对应的波长。

2.根据权利要求1所述的一种折射率不敏感的光纤温度传感器，其特征在于：所述的第一传输单模光纤、第一耦合光纤、空心内壁波导光纤、第二耦合光纤和第二传输单模光纤之间是通过熔融焊接连接的。