CN103926020B - 一种基于s型结构光纤和空气腔的温度传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于S型结构光纤和空气腔的温度传感器，包括光源、单模光纤、光谱分析仪、温度传感探头。所述的温度传感探头与光源连接的一端为S型结构光纤、与光谱分析仪连接的一端为单模光纤，S型结构光纤与单模光纤相对一端的端面切割整齐并用光学固化胶固定在同一块铝合金基板上，两端面无偏心间隔相对，两端面之间的空隙构成空气腔。将温度传感探头放在温度变化的环境中，当温度变大，铝合金基板会发生膨胀，空气腔长度变大，从而引起相位差改变，干涉谱会随着温度的变化而发生漂移，通过检测到的干涉谱变化就可得到温度信息。本发明提供的传感器在宽温度范围区间具备良好的线性度、高灵敏度、简单小巧等优点。

Description

一种基于S型结构光纤和空气腔的温度传感器

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S型结构光纤和空气腔的温度传感器。

背景技术

在科学研究和工业生产等重要领域，都要进行温度检测与控制。随着科技与生产力的进步与发展，在国民经济各个部门和人们的日常生活中对于温度的测量精度要求也不断提高。而主要采用热电阻、热电偶、半导体温度传感器作为温度传感元件的传统测量温度传感器，它们不仅灵敏度低，而且抗电磁干扰能力差，已经满足不了现在的需求。同时它们不宜远距离测量，这样会带来很大的偏差，不适合在高灵敏度要求的场合使用。目前光纤温度传感器有诸多优点，比如抗电磁干扰、防燃、防爆、尺寸小、对被测温度场影响小等，受到越来越多人们的关注。目前有很多类型的光纤传感器，例如光纤光栅温度传感器、光纤荧光温度传感器和光纤F-P传感器等。但是光纤光栅解调成本较高，光纤荧光温度传感器对探测装置要求很高，光纤F-P传感器工艺复杂，这些装置在实际应用中受到限制，不能被广泛的应用到生产和研究中。因此研制工艺简单、生产成本低并且灵敏度高的光纤温度传感器是很有必要的。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种结构简单、灵敏度高、成本低等特点的基于S型结构光纤和空气腔的温度传感器，该传感器可在加油站温度监测、矿井安全火灾监测、电力系统温度监测、建筑物结构强度监测中得到应用。

本发明提供的基于S型结构光纤和空气腔的温度传感器包括光源，所述的光源通过单模光纤与温度传感探头的一端连接，温度传感探头的另一端通过单模光纤连接到光谱分析仪上；

所述的温度传感探头部分包括S型结构光纤，S型结构光纤的左端通过单模光纤与光源连接，S型结构光纤右端端面切割整齐，并固定在光纤夹持器上，S型结构光纤的右端部用光学固化胶固定在铝合金基板上；与光谱分析仪连接的单模光纤左端端面同样切割整齐并用光学固化胶固定在所述同一块铝合金基板上；S型结构光纤与单模光纤切割整齐的一端的端面无偏心间隔相对(但不熔接在一起)，两端面之间的空隙构成空气腔。

所述的空气腔长度小于等于100μm；

所述的S型结构光纤是单模光纤在熔接机上放电而成的，腰直径为45-70μm，轴向偏移量为100-160μm。

本发明制作的基于S型结构光纤和空气腔的温度传感器的工作原理：

当光在S型结构光纤的末端进入空气腔，光会在空气腔中发生多光束干涉。空气腔的作用是对于所有的光都产生相位差。这样采用矩阵法去分析空气腔的作用。

对于空气腔，它的矩阵方程为：

$M=\left[\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right]/t_{\mathrm{gap}}^2$

其中

并且其中的 $r_{\mathrm{gap}}=\frac{n_{\mathrm{eff}}-n_{\mathrm{gap}}}{n_{\mathrm{eff}}+n_{\mathrm{gap}}},t_{\mathrm{gap}}=\sqrt{1-r_{\mathrm{gap}}^2},f=\frac{2\mathrm{\π}{n}_{\mathrm{gap}}{L}_{\mathrm{gap}}}{\mathrm{\λ}},$ α为空气腔引起损耗系数，n_gap为纤芯模式的有效折射率，L_gap为空气腔长度，λ为光的波长。

根据α，r_gap，t_gap都是给定，这个矩阵M只和L_gap有关。由于在长距离传输，包层模式衰减的太大，只有纤芯模式能够通过空气腔并传输到下一段的单模光纤中，所以有：

$\left[a_{\mathrm{co}}\right]=\left[\begin{array}{cc}A& B\end{array}\right]/t_{\mathrm{gap}}^2\·\left[\begin{array}{c}{a}_{\mathrm{co}}\left(s\right)\\ a_{\mathrm{cl}}^v\left(s\right)\end{array}\right]$

a_co为纤芯模式的光振幅，a_co(s)，分别为光传播进入空气腔之前纤芯模式和V阶包层模式的光振幅。由于这个式子中出现e^±i·f，当f等于常数N，a_co会周期性有最小值，并且，L_gap＝L_gap0+ΔL_gap，这样谐振波长为：

$\mathrm{\λ}=\frac{{2\mathrm{\πn}}_{\mathrm{gap}}\mathrm{\Δ}{L}_{\mathrm{gap}}}{N}+\frac{{2\mathrm{\πn}}_{\mathrm{gap}}{L}_{\mathrm{gap}0}}{N}$

其中N为常数，n_gap为空气腔的折射率，L_gap0为初始的空气腔长度，ΔL_gap为空气腔变化的长度。

当温度变大，热膨胀系数为22×10^-6/℃的铝合金会发生膨胀，这样会导致空气腔长度变大，即ΔL_gap变大。从而引起相位差改变，输出干涉光谱波长漂移。输出干涉光谱会随着温度的变化而发生漂移，通过解调干涉光谱漂移可以实现温度测量。

本发明的优点和有益效果：

本发明提供的传感器在宽温度范围区间具备良好的线性度、高灵敏度、简单小巧等优点。

附图说明

图1是本发明中基于S型结构光纤和空气腔的温度传感器的结构示意图；

图2是本发明中基于S型结构光纤和空气腔的温度传感器的温度传感探头的结构示意图；

图中：1.光源，2.温度传感探头，3.光谱分析仪，4.单模光纤，5.铝合金基板，6.光纤夹持器，7.光学固化胶，8.S型结构光纤，9.空气腔。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1所示，本发明提供的基于S型结构光纤和空气腔的温度传感器，包括光源1、温度传感探头2、光谱分析仪3、单模光纤4。所述的光源1通过单模光纤4与温度传感探头2一端连接，温度传感探头2的另一端通过单模光纤4连接到光谱分析仪3上。

如图2所示，温度传感探头2包括S型结构光纤8，S型结构光纤8的左端通过单模光纤4与光源1连接，S型结构光纤右端端面切割整齐，并固定在光纤夹持器6上，S型结构光纤的右端部用光学固化胶7固定在热膨胀系数为22×10^-6/℃的铝合金基板5上；与光谱分析仪连接的单模光纤4的左端端面同样切割整齐并用光学固化胶7固定在所述同一块铝合金基板5上；S型结构光纤8与单模光纤4切割整齐的一端的端面无偏心间隔相对(但不熔接在一起)，两端面之间的空隙构成空气腔9，空气腔长度小于等于100μm。

当光在S型结构光纤8的末端进入空气腔9时，光会在空气腔9中发生多光束干涉。空气腔9的作用是对于所有的光产生相位差。当温度变大，膨胀系数为22×10^-6/℃的铝合金材料5会发生膨胀，这样会导致空气腔9长度变大，即ΔLgap变大，从而引起相位差改变，输出干涉光谱波长漂移。S型结构光纤8的传输图谱会相应随着空气腔9长度变大而漂移，即输出干涉光谱会随着温度的变化而发生漂移，通过解调干涉光谱漂移可以实现温度测量。

通过适当的校准后，就可以对未知的环境中的温度进行测量，本实施具备在工作范围内良好的线性度，其灵敏度极高，且结构简单。

Claims (2)

1.一种基于S型结构光纤和空气腔的温度传感器，其特征在于：该温度传感器包括光源、单模光纤、光谱分析仪、温度传感探头；所述的光源通过单模光纤与温度传感探头的一端连接，温度传感探头的另一端通过单模光纤连接到光谱分析仪上；

所述的温度传感探头部分包括S型结构光纤，S型结构光纤的左端通过单模光纤与光源连接，S型结构光纤右端端面切割整齐，并固定在光纤夹持器上，S型结构光纤的右端部用光学固化胶固定在铝合金基板上；与光谱分析仪连接的单模光纤的左端端面同样切割整齐并用光学固化胶固定在同一块所述铝合金基板上；S型结构光纤与单模光纤切割整齐的一端的端面无偏心间隔相对，两端面之间的空隙构成空气腔。

2.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于：所述的空气腔长度小于等于100μm。