CN104359586A - 一种光纤温度传感器 - Google Patents
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Abstract
一种光纤温度传感器，属于光纤传感技术领域，包括一根单模光纤和一块具有180°圆弧面的金属板，所述单模光纤的中部呈180°弯曲地贴合地固定于所述金属板的圆弧面上。本发明结构简单、设计合理、制作方便、成本低廉且灵敏度高、使用效果好，相较于现有技术，本发明的基于光纤宏弯曲产生回音壁模的温度传感器，谐振波长随着温度变化而发生变化。这样将温度信号变化转化为光信号变化，实现高灵敏度和高精度的温度测量。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种简单实用的光纤温度传感器。
背景技术
在科研和生产中，经常遇到温度测量问题，传统的温度传感器有热电偶、热电阻温度传感器、热敏电阻温度传感器、半导体温度传感器等。光纤温度传感器是20世纪70年代发展起来的一种新型传感器。与传统的温度传感器相比，它具有灵敏度高，体积小，质量轻，易弯曲，不产生电磁干扰，不受电磁干扰，抗腐蚀性好等优点，特别适用于易燃、易爆、空间狭窄和具有腐蚀性强的气体、液体以及射线污染等苛刻环境条件下的温度检测。
光纤宏弯损耗理论始于20世纪70年代，最初光纤的宏弯损耗理论是用来预测光纤通信中弯曲带来的不利影响。自20世纪90年代开始，学者开始利用光纤宏弯损耗特性研究光纤宏弯传感器。相比于微弯以及光纤光栅等传感技术，国内外对这方面的研究还很少。
1994年，英国的F.M.Haran 最早明确提出利用光纤宏弯特性进行温度传感,参考文献[1] Haran F M, Barton J S, Kidd S R, et al. Optical fibre interferometric sensors using buffer guided light[J]. Measurement Science and Technology, 1994, 5(5): 526，利用光纤弯曲时光在包层及涂覆层产生的回音壁模与纤芯导模之间的相互作用形成干涉计进行温度传感。这种方法的优势是不需要除去涂覆层，缺点是相位的测量比较困难。2005年时，美国的Sung Hyun Nam 将单模光纤的涂覆层剥离，再用氢氟酸将包层变薄，然后将包层变薄的光纤绕成直径4.1mm的环后，利用光在光纤包层和空气界面之间反射形成的回音壁模并与纤芯的导模之间进行耦合以实现高温传感，参考文献[2] Nam, Sung Hyun, and Shizhuo Yin. "High-temperature sensing using whispering gallery mode resonance in bent optical fibers." Photonics Technology Letters, IEEE 17.11 (2005): 2391-2393。剥除涂覆层和腐蚀处理不仅使得工艺复杂，成本增加，而且腐蚀后光纤脆弱，抗干扰能力差。 2006年印度的A.S.Lalasangi利用纤芯导模和涂覆层-空气界面形成的回音壁模之间的相位干涉实现温度传感,参考文献[3] LALASANGI A S, KULKARNI V K, Pattanshetti I I, et al. Bend induced loss in single mode fiber for designing simple interferometric temperature sensor[J]. JOURNAL OF OPTOELECTRONICS AND ADVANCED MATERIALS, 2006, 8(5): 1901-1904。这种传感器的测试装置简单，但相对而言比较粗糙，精度比较低。中国发明专利CN102288325 B公开了一种“一种光纤温度传感器”，其是利用两段保偏光纤、起偏器和光纤反射镜组合，第二段保偏光纤与第一段保偏光纤的偏振轴之间呈45°熔接连接，其缺点为结构复杂，制作成本高，体积大，灵敏度低。中国专利申请200310111511.2公开了一种“微弯光纤温度传感器”，该微弯光纤温度传感器在温度变化时，温度感应器的几何尺寸因为热胀冷缩发生而推动光纤弯曲形变器运动，改变光纤的弯曲程度，从而实现对信号光纤中光强的调制，其缺点是灵敏度低，体积大等缺点。
发明内容
为了克服现有上述光纤温度传感器的不足，本发明提供一种利用光纤宏弯曲原理的光纤温度传感器。
本发明包括一根单模光纤和一块具有180°圆弧面的金属板，所述单模光纤的中部呈180°弯曲地贴合地固定于所述金属板的圆弧面上。
本发明是基于光纤宏弯曲的光损耗特性，温度变化改变光纤弯曲损耗的光纤温度传感器。本发明利用光纤中传播模内全反射条件因待测物理量的变化而受到影响，部分能量在弯曲区域从侧面逸出，使光纤中的光通量减少，通过检查光能量的变化从而测出相应的物理量，即环境影响的调制可以转化为光纤弯曲损耗的形式。
当光通过传感头一端进入单模光纤的一端时，光纤纤芯中辐射出的光在包层/涂覆层与涂覆层/空气层界面发生反射。在包层半径比纤芯半径大的多的情况下，包层内表面附近会出现光线的散焦面，从纤芯导模中辐射出的光在散焦面和包层之间传播，这样就形成了回音壁模。利用光纤中传播模全内反射条件因温度变化而受到影响，通过检查光能量的变化从而测出相应的温度变化。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、结构特别简单，仅用一段单模光纤和一个稳定固定圆槽组成传感头和传输结构，实现对温度的测量，是极简单的传感装置。
2、光纤是普通单模光纤，且不需要去除涂覆层以及对包层进行任何处理，成本低廉、制作方便。
3、使用操作简便，各个组件之间连接关系简单合理，通过本温度传感器和光源、光谱仪配合使用，实现对较大温度范围进行实时准确、快速可靠的测量。
综上所述，本发明结构简单、设计合理、制作方便、成本低廉且灵敏度高、使用效果好，相较于现有技术，本发明的基于光纤宏弯曲产生回音壁模的温度传感器，谐振波长随着温度变化而发生变化。这样将温度信号变化转化为光信号变化，实现高灵敏度和高精度的温度测量。
另外，为了使单模光纤的中部能够很好地定位于金属板上，并呈180°弯曲，本发明还可在金属板外表面开设呈180°弯曲的光滑的凹槽，所述单模光纤的中部设置在该凹槽。
进一步地，为了加强单模光纤的中部与金属板之间的连接关系，本发明还可在单模光纤的中部的两端与金属板之间分别设置固定用UV胶层。
附图说明
图1为本发明在测试中的一种应用结构示意图。
图2为金属圆盘的侧向结构示意图。
图3为室温下弯曲光纤传感器光谱图。
图4为实测的谐振波长随温度变化关系图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的光纤温度传感器进行详细说明。本发明提供一个实例来说明光纤宏弯曲作为传感元件所形成的温度传感器。
如图1、2所示，光纤温度传感装置主要由一根单模光纤1和一块金属圆盘2组成。
金属圆盘2的直径为1～2cm，在金属圆盘2的外圆周上开设有一个光滑的环形的凹槽21。
单模光纤1的中部呈180°弯曲地贴合地配合于凹槽21内，并且在180°的弧形段的两端以UV胶层与金属圆盘2相互固定。
宽带光源3发出宽谱光源用于将光通过单模光纤1传输至本光纤温度传感装置，再将包含温度信息的光信息通过同一根单模光纤1传输至光谱仪4。
图3中，横坐标为波长，纵坐标为透射率值。图3所示，为室温下透射光谱，通过温控装置逐步设置不同的温度，进而得到一系列不同温度下对应的透射光谱，从而得到被测位置的温度信息。
图4所示为不同温度下对应的透射谐振峰波长。测量结果显示多个谐振波长均能对温度进行测量表征，谐振波长越长，拟合直线越陡峭。最高温度灵敏度高2.927nm/°C，灵敏度和精度都很高。
以上所述，仅仅是本发明的一个实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所做任何的简单修改、变更以及等效参数结构变化，均人属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (3)
1.一种光纤温度传感器，其特征在于包括一根单模光纤和一块具有180°圆弧面的金属板，所述单模光纤的中部呈180°弯曲地贴合地固定于所述金属板的圆弧面上。
2.根据权利要求1所述的光纤温度传感器，其特征在于在金属板外表面开设呈180°弯曲的光滑的凹槽，所述单模光纤的中部设置在该凹槽。
3.根据权利要求1或2所述的光纤温度传感器，其特征在于在单模光纤的中部的两端与金属板之间分别设置固定用UV胶层。
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