CN104266777B - 一种基于纤芯失配衰减器的全光纤温度传感器 - Google Patents
一种基于纤芯失配衰减器的全光纤温度传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于纤芯失配衰减器的全光纤温度传感器制作方法，属于光纤传感器制造技术领域。本方法采用光纤熔接机两次放电熔接错位放置的单模光纤，形成两个纤芯失配衰减器，然后再采用光纤熔接机和光纤拉锥机加工形成新的传感结构。熔接结构和光纤可以产生满足条件的光程差，实现马赫‑泽德干涉条件。当外界温度、折射率等条件变化，引起传感部分光纤有效光程差变化，从而引起透射传输谱漂移。该传感器整个结构制作简单、机械强度好、灵敏度高。采用单模光纤，降低了成本，避免了传统光纤传感器交叉敏感的影响，提高了准确度，检测结果具有很好的可重复性。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于纤芯失配衰减器的全光纤温度传感器制作方法，属于光纤传感器制造技术领域。
背景技术
目前，光纤传感器多基于法布-珀罗(Fabry-Perot)干涉、长周期光栅(Long-period gratings)、布拉格光栅(Bragg grating)、迈克尔逊(Michelson)干涉仪和马赫-泽德(Mach-Zehnder)干涉仪原理，本新型传感器为基于马赫-泽德干涉仪(MZI)原理。T.Hu，Y.Wang，C.Liao，and D.Wang，″Miniaturized fiber in-line Mach-Zehnderinterferometer based on inner air cavity for high-temperature sensing″，OpticsLetters，37(24)，5082-5084(2012)公布的在光纤上加工空腔的制造方法是较为常见的一种方法，但其加工过程过于比较麻烦，且灵敏度不够高。而Li B，Jiang L，Wang S，Zhou L，Xiao H and Tsai H L，“Ultra-Abrupt Tapered Fiber Mach-Zehnder InterferometerSensors”Sensors，11，5729-5739(2011)公开的利用单模光纤制作MZI干涉仪的方法，制作出传感器存在交叉敏感的问题。
发明内容
本发明的目的是为解决现有全光纤温度传感器制作复杂的问题，提出一种基于纤芯失配衰减器的全光纤温度传感器制作方法，采用光纤熔接机放电熔接错位放置的单模光纤，形成新型传感结构。熔接结构和光纤可以产生满足条件的光程差，实现马赫-泽德干涉条件。当外界温度、折射率等条件变化，引起传感部分光纤有效光程差变化，从而引起透射传输谱漂移。
一种基于纤芯失配衰减器的全光纤温度传感器制作方法，具体包括如下步骤：
步骤一，取两根单模光纤，用剥离钳去除涂覆层，使用切割刀切平端面，然后将两切平光纤端固定在光纤熔接机上，设置光纤熔接机熔接模式为手动模式(设置清洁放电时间和预熔放电时间在50ms至300ms范围内，熔接放电时间在600ms至1000ms范围内，预熔放电强度和熔接放电强度在预设值50％至70％之间)，盖上熔接机防风罩，两光纤自动靠近。
步骤二，控制光纤熔接机的夹具，沿着光纤径向方向移动光纤，使两光纤轴偏差一定距离，距离范围在3μm到5μm之间，然后轴向移动光纤，使两端面接触，进行一次放电，实现错位焊接，形成第一个错位熔接点，即得到第一个纤芯失配衰减器。
步骤三，距离第一个错位熔接点一定距离(大于10mm，不超过30mm)处切断光纤，切断的端面平滑；再取一根端面光整、洁净的单模光纤，重复步骤一和步骤二，得到第二个纤芯失配衰减器。
步骤四，将光纤置于拉锥机光纤夹持器上，设置拉锥机氢气流量在200sccm至100sccm范围内，拉伸速率为不超过100μm/s，拉伸长度在2000μm至5000μm范围内。点燃火焰进行拉锥，最终得到光纤锥，光纤锥光纤最小部分直径为97μm。
根据本发明方法制作的全光纤温度传感器在使用时两端熔接光纤跳线，然后直接接入可调谐激光器中，测量透射信号。测量温度时，直接将传感器贴近或者接触放置于被测物即可。
有益效果
本发明采用光纤熔接机和光纤拉锥机加工，制作一种结构简单稳定的高灵敏度新型微传感器。该传感器整个结构制作简单、机械强度好、灵敏度高。采用单模光纤，降低了成本。常温至1000℃的高温均可以采用本传感器测量，且当温度超过250摄氏度时，灵敏度超过100pm/℃。因为传感器对折射率和应力变化的不敏感，从而避免了传统光纤传感器交叉敏感的影响，提高了准确度。
将本发明所设计的全光纤传感器用于检测环境温度时，可以不受环境中所包含气液固体成分和应力的影响，具有较高的准确度和灵敏度。本发明所设计的全光纤传感器经过标定后，如果不是人为破坏传感结构，检测结果具有很好的可重复性。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明温度检测装置；
图3为对加工的微传感器进行光谱检测时获得的透射光谱图；
标号说明：
1-第一个错位熔接点；2-第二个错位熔接点；3-第一根SM-28光纤；4-光纤锥；5-第二根SM-28光纤；6-工控机；7-SM-28传输光纤；8-传感器主体；9-可调谐激光器；10-高温炉。
具体实施方式
具体实施方案如下：
一种采用光纤熔接机和光纤拉锥机加工实现的基于马赫-泽德干涉仪原理的全光纤新型高灵敏度温度传感器，具体实施方式主要包括是新型传感结构的制备和传感器温度测试。本发明制作和测试所使用的光纤均为图1中SM-28光纤。
1.制备新型传感结构
新型传感结构的制备过程：
步骤一，取两根单模光纤，用剥离钳去除涂覆层，使用切割刀切平端面，然后将两切平光纤端固定在光纤熔接机上，设置光纤熔接机熔接模式为手动模式(设置清洁放电时间为100ms，预熔放电时间为110ms，熔接放电时间为720ms，电流预熔放电强度为预设值60％，熔接放电强度为预设值50％)，盖上熔接机防风罩，两光纤自动靠近。
所述预设值为每台熔接机基于自动熔接光纤时的固定参数。
步骤二，控制光纤熔接机的夹具，沿着光纤径向方向移动光纤，使两光纤轴偏差3μm左右，然后轴向移动光纤，使两端面接触，进行一次放电，实现错位焊接，形成第一个错位熔接点1，即得到第一个纤芯失配衰减器。
步骤三，距离第一个错位熔接点22.5mm处切断光纤，切断的端面平滑；再取一根端面光整、洁净的单模光纤，重复步骤一和步骤二，得到第二个错位熔接点2，即第二个纤芯失配衰减器。
步骤四，将光纤置于拉锥机光纤夹持器上，设置拉锥机氢气流量为150sccm，拉伸速率为55μm/s，拉伸长度为4500μm。点燃火焰进行拉锥，最终得到光纤锥4，光纤锥4最小部分直径为97μm。
2.传感器温度检测
温度检测过程：
步骤一：将如图1所示的光纤传感器主体8两端熔接上FC/APC接头，然后置于图2高温炉10中，高温炉10通过SM-28传输光纤7连接在可调谐激光器9上；
步骤二：利用图2中工控机6控制高温炉10的温度，并通过工控机6定时采集一定温度下可调谐激光器9检测到的传感器主体8的透射传输谱。通过光纤传感器透射谱衰减峰值的移动对温度进行检测。图3为传感器接入图2可调谐激光器9中得到的透射传输谱。
Claims (5)
1.基于纤芯失配衰减器的全光纤温度传感器制作方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
步骤一，取两根单模光纤，用剥离钳去除涂覆层，使用切割刀切平端面，然后将两切平光纤端固定在光纤熔接机上，设置光纤熔接机熔接模式为手动模式，盖上熔接机防风罩，两光纤自动靠近；
步骤二，控制光纤熔接机的夹具，沿着光纤径向方向移动光纤，使两光纤轴偏差距离3μm到5μm之间，然后轴向移动光纤，使两端面接触，进行一次放电，实现错位焊接，形成第一个错位熔接点，得到第一个纤芯失配衰减器；
步骤三，距离第一个错位熔接点10mm到30mm距离处切断光纤，切断的端面平滑；再取一根端面光整、洁净的单模光纤，重复步骤一和步骤二，得到第二个纤芯失配衰减器；
步骤四，将光纤置于拉锥机光纤夹持器上，设置拉锥机氢气流量在100sccm至200sccm范围内，拉伸速率为不超过100μm/s，拉伸长度在2000μm至5000μm范围内；点燃火焰进行拉锥，得到光纤锥。
2.根据权利要求1所述的基于纤芯失配衰减器的全光纤温度传感器制作方法，其特征在于：放电得到第一个错位熔接点的清洁放电时间和预熔放电时间在50ms至300ms范围内，熔接放电时间在600ms至1000ms范围内，预熔放电强度和熔接放电强度在预设值50％至70％之间。
3.根据权利要求2所述的基于纤芯失配衰减器的全光纤温度传感器制作方法，其特征在于：所述预设值为每台熔接机基于自动熔接光纤时的固定参数。
4.根据权利要求1所述的基于纤芯失配衰减器的全光纤温度传感器制作方法，其特征在于：光纤锥光纤最小部分直径为97μm。
5.根据权利要求1所述的基于纤芯失配衰减器的全光纤温度传感器制作方法，其特征在于：根据本方法制作的全光纤温度传感器测量透射信号时两端熔接光纤跳线，接入可调谐激光器；测量温度时，将传感器的光纤锥部分贴近或者接触放置于被测物。
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