CN105115623B - 基于迈克尔逊干涉理论的微型光纤高温传感器及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微型迈克尔逊干涉理论的光纤高温传感器及制作方法，所述传感器由光纤(1)构成，其光纤纤芯分裂成两个部分，一部分在端面具有一平面反射面(5)，另一部分在端面具有一45°反射面(6)；当一束光沿光纤纤芯(3)入射到端面时，分裂成两束光，其中一束光在平面反射面(5)形成反射，构成迈克尔逊干涉仪的一干涉臂；另一束光在45°反射面形成全反射后经过光纤壁反射面(4)再次反射，从45°反射面(6)重新耦合回光纤纤芯(3)，构成迈克尔逊干涉仪的另一个干涉臂；两束光在光纤纤芯相遇后形成迈克尔逊干涉条纹。相比于传统的法珀或者马赫泽德温度传感，本发明具有理论创新性；结构简单，性能可靠，制作成本有优势。
Description
技术领域
本发明涉及于光纤传感领域，特别是涉及一种基于微型迈克尔逊干涉理论的全光纤温度传感器及制作方法。
背景技术
全光纤型传感器通常是直接在光纤上设计微结构来实现传感。该传感器具有微型化优点而广泛应用于温度、压力、应变及折射率等物理量的测量。其中，在温度传感器方面，全光纤型传感器由于组成材料单一，不存在热膨胀系数失配问题，具有更高的温度响应动态范围，因而克服了一般非全光纤传感器(如MEMS传感器)由于不同材料之间的热膨胀系数失配而限制测温范围的缺陷，受到国内外众多研究人员的关注。一般来说，全光纤高温传感器基于干涉原理，利用热光效应和热膨胀效应改变干涉信号相位差，实现温度传感。从目前报道来看，传感器材料主要有两种，一是采用普通二氧化硅光纤温度响应可达到将近1000℃，特殊地，蓝宝石光纤则可达到1600℃。传感器根据干涉类型分类主要有三种，分别是法珀型、马赫泽德型和迈克尔逊型。对于法珀型传感器，通常采用特殊光纤(例如中空光纤、中空光子晶体光纤等)或者飞秒激光器在光纤上直接构造法珀微腔，这种结构受外界因素影响较小，性能稳定，是应用最广泛的全光纤型传感器，但是需要特殊光纤或特殊设备(例如飞秒激光器)，具有较高的制作成本和工艺难度。马赫泽德型通常是在两段光纤之间熔入另一种类型光纤，其透射干涉谱信噪比较高，但是光纤结构强度受到一定的破坏，且容易受到弯曲、应力的因素的影响。通过高温实验分析其高温响应特性。迈克尔逊干涉型采用光纤耦合器将一束光分到两路光纤中，通过调制光束在两路光纤中的光程实现位移测量，同样也适用于测量其他可以转化为位移的物理量。该方法中，为了实现两路光纤的光程匹配，通常需要使用机械移动部件，因此测量精度和重复性往往受机械移动件影响，仅适用于测量精度和稳定性要求较低的场合。
发明内容
为了克服现有传感器存在的问题，并降低制作成本和工艺难度，本发明针对以上不足，提出了一种基于微型迈克尔逊干涉理论的全光纤温度传感器及制作方法，采用光纤研磨机直接在光纤端面构造迈克尔逊微结构，使光纤芯层的光分束成两束光，并经反射后再次耦合回光纤形成双光束干涉，通过光纤的热光效应和热膨胀效应来改变干涉信号光程差，从而实现温度的传感和测量。
本发明公开了一种基于微型迈克尔逊干涉理论的光纤高温传感器，所述传感器由光纤1构成，所述光纤1又包括光纤包层2和光纤纤芯3；所述光纤包层2具有光纤反射壁4，所述光纤纤芯3具有端面；所述光纤纤芯分裂成两个部分，一部分在所述端面具有一平面反射面5，另一部分在所述端面具有一45°反射面6；当一束光沿所述光纤纤芯3入射到所述端面时，分裂成两束光，其中一束光在平面反射面5形成反射，构成迈克尔逊干涉仪的一干涉臂，得到参考光束8；另一束光在45°反射面形成全反射后经过光纤壁反射面4再次反射，从45°反射面6重新耦合回光纤纤芯3，构成迈克尔逊干涉仪的另一个干涉臂，得到传感光束9；参考光束8和传感光束9这两束光在光纤纤芯相遇后形成迈克尔逊干涉条纹，干涉光束之间的光程差为光纤半径与折射率的乘积决定；当温度变化时，光纤半径和折射率会由于热膨胀效应和热光效应而发生改变，从而引起干涉光谱的变化，通过干涉光谱分析即可实现光程差测量，导出待测温度值。
本发明还提出了一种基于微型迈克尔逊干涉理论的光纤高温传感器制作方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤一、固定光纤插芯10到卡槽，调整研磨角度为45°；研磨机转盘11上首先贴9μm光纤研磨纸12，设置研磨机转盘11转速为150转/分钟，将光纤插芯10研磨30分钟；然后依次更换3μm光纤研磨纸13和1μm光纤研磨纸14各研磨10分钟，研磨机转盘11转速保持150转/分钟不变，此时，光纤插芯10研磨完成；根据研磨效果应及时往光纤研磨纸12、13、14和光纤插芯10之间喷水；
步骤二、将光纤1固定在已研磨好的光纤插芯10内，光纤1稍微伸出光纤插芯10约100μm，采用1μm光纤研磨纸14，研磨机转盘11转速设定为100转/分钟，缓慢调节光纤插芯10靠近光纤研磨纸14，两者完全贴上之后，匀速研磨10分钟；更换0.3μm光纤抛光纸15，相同的方法抛光10分钟，此时，光纤纤芯末端45°反射面6制作完成；
步骤三、将光纤插芯10更换成端面磨平的平端光纤插芯16，调节平端光纤插芯16端面与0.3μm光纤抛光纸15的距离为10～20μm，研磨机转盘11转速设定为50转/分钟；将上一步研磨好45°反射面6的光纤1从平端光纤插芯16插入并缓慢与抛光纸15靠近，当两者接触后，轻轻压住光纤1，开始研磨平面反射面5；在研磨平面反射面5时，每研磨10秒将光纤1取出来在显微镜下观察，然后根据观察结果，调整下次研磨时间，逐步将两个研磨的交汇线控制在光纤纤芯3之内，至此，光纤传感器制作完成。
与现有技术相比，本发明具有如下积极效果：
1、本发明提出的基于微型光纤迈克尔逊温度传感器，采用直接研磨光纤构成，务须熔接其他特种光纤，结构简单，性能可靠；也不需使用飞秒激光器等昂贵的加工设备，经济实惠，具有更大的成本优势。
2、本发明提出的基于微型光纤迈克尔逊温度传感器，其温度传感原理在于利用光纤的热光效应和热膨胀效应实现干涉光程差的改变，实现温度到干涉光程差的转化。相比于传统的法珀或者马赫泽德温度传感，本发明具有理论创新性。
3、本发明提出的基于微型光纤迈克尔逊温度传感器，通过改变光纤的材质实现不同温度范围的传感，普通的SiO2光纤传感最高温度达到1000℃，使用蓝宝石光纤传感最高温度达到1700℃。
附图说明
图1是基于微型全光纤迈克尔逊温度传感器结构示意图；
图2是基于微型全光纤迈克尔逊温度传感器制作方法示意图一；
图3是基于微型全光纤迈克尔逊温度传感器制作方法示意图二；
图4是基于微型全光纤迈克尔逊温度传感器制作方法示意图三；
图5是基于微型全光纤迈克尔逊温度传感器制作方法示意图四；
图6是基于微型全光纤迈克尔逊温度传感器制作方法示意图五；
图7是基于微型全光纤迈克尔逊温度传感器的实验系统示意图；
图8是基于微型全光纤迈克尔逊温度传感器输出的干涉信号光谱图；
图9是基于微型全光纤迈克尔逊温度传感器输出光谱峰值随温度漂移图；
图10是基于微型全光纤迈克尔逊温度传感器温度解调曲线；
图中，1、光纤，2、光纤包层，3、光纤纤芯，4、光纤壁反射面，5、平面反射面，6、45°反射面，7、入射光，8、参考光束，9、传感光束，10、光纤插芯，11、研磨机转盘，12、9μm光纤研磨纸，13、3μm光纤研磨纸，14、1μm光纤研磨纸，15、0.3um光纤抛光纸，16、平端光纤插芯，17、SLD宽带光源，18、环形器，19、光谱仪，20、传感头，21、高温炉，22、迈克尔逊干涉条纹，23、干涉峰值随温度漂移曲线，24、实验数据，25、拟合曲线。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述，这些实施方式若存在示例性的内容，不应解释成对本发明的限制。
迈克尔逊干涉的基本原理是将一束光分成两束，其中一束反射光传播一定距离后从固定反射镜反射回光分束处，称为参考臂；另一束光同样传播一定距离后反射回分束处，其光程将受到外界物理量的调制，称为传感臂。两束光在分束处合束成后将产生双光束干涉，干涉信号携带一定光程差信息。当外界物理量调制传感臂光程时，将导致光程差发生变化，从而通过解调干涉条纹获得光程差变化情况来实现传感测量。在光纤传感领域，早期的光纤迈克尔逊干涉仪采用光纤耦合器将一束光分到两路光纤中，通过调制光束在两路光纤中的光程实现位移测量，同样也适用于测量其他可以转化为位移的物理量。该方法中，为了实现两路光纤的光程匹配，通常需要使用机械移动部件，因此测量低精度和重复性往往受机械移动件影响，仅适用于测量精度和稳定性要求较低的场合。本发明所提出的这种集成光纤结构直接在光纤中制作微型迈克尔逊干涉仪具有微型化、高稳定性、强适应性、制作成本低等优点。本发明的全光纤温度传感器的温度灵敏度由光纤半径、折射率、热光系数和热膨胀系数共同决定。
实施例1：基于微型全光纤迈克尔逊温度传感器的结构与制作。
如图1所示，该传感器是通过将光纤1端面研磨加工，将光纤纤芯3分裂成两部分，第一部分纤芯磨平形成反射面5，第二部分纤芯磨成45°角构成反射面6，光纤壁反射面4，从而形成一个微型迈克尔逊干涉仪。制作过程为：首先如图2所示固定光纤插芯10到卡槽，调整研磨角度为45°；转盘11上首先贴9μm光纤研磨纸12，设置转盘11转速为150转/分钟，研磨光纤插芯10～30分钟；然后依次更换3μm光纤研磨纸13和1μm光纤研磨纸14各研磨10分钟，转盘11转速保持150转/分钟不变，此时，45°的光纤插芯10研磨完成。需要注意的是在研磨过程中，根据研磨效果应及时往光纤研磨纸12、13、14和光纤插芯10之间喷水，这样既能防止光纤插芯10将光纤研磨纸12、13、14划坏，又可以保证研磨表面质量。研磨好光纤插芯10后，如图3所示将光纤1固定在已研磨好的光纤插芯10内，光纤1稍微伸出光纤插芯10约100μm，采用1μm光纤研磨纸14，转盘11转速设定为100转/分钟，缓慢调节光纤插芯10靠近光纤研磨纸14，两者完全贴上之后，匀速研磨10分钟；更换0.3μm光纤抛光纸15，相同的方法抛光10分钟，此时，光纤纤芯末端45°反射面6制作完成如图4所示。最后在光纤纤芯末端研磨平面反射面5，如图5所示，将光纤插芯10更换成端面磨平的光纤插芯16，调节光纤插芯16端面与0.3μm光纤抛光纸15的距离为10～20μm，转盘11转速设定为50转/分钟；将上一步研磨好45°光纤1从光纤插芯16插入缓慢与抛光纸15靠近，当两者接触后，用力轻轻压住光纤1，开始研磨平面反射面5。在研磨平面反射面5时，每研磨10秒就把光纤1取出来在显微镜下观察，然后根据观察结果，调整下次研磨时间，逐步将研磨交汇线控制在光纤纤芯3内，传感器制作完成，如图6所示。
实施例2：基于微型全光纤迈克尔逊温度传感器的测量原理
如图1所示，通过研磨光纤端面的方式，将光纤芯层3分裂成两部分，第一部分纤芯磨平形成平面反射面5，光束垂直反射形成参考光束8，光强为I1；第二部分纤芯磨成45°角构成45°角反射面6，光束在该反射面发生全反射，反射光垂直入射到光纤外壁，经光纤壁反射面4反射后，再次以45°角入射到反射面6，部分光再次全反射耦合回光纤纤芯3形成传感光束9，光强为I2参考光束8和传感光束9相遇后将产生双光束干涉，干涉光强可表示为：
式中，δ＝4πnL/λ为两束光之间位相差，n为光纤包层2折射率，L为包层2半径，λ为入射光7波长，自由光谱范围可表示为FSR＝λ2/2nL。光纤包层2的热光效应和热膨胀效应是改变干涉信号光程差的两个主要因素，因此，干涉信号光程差可表示成温度T的函数：
Δ＝2L(1+αT)·(n+μT) (2)
式中，α和μ分别为SiO2热膨胀系数和热光系数。将(2)式对温度T求导，即可获得传感器光程差的温度影响灵敏度：
由于光纤1的热光系数和热膨胀系数均很小，公式(2)中高次项和公式(3)中第三项可以忽略不计。因此，理论上近似来说，传感器产生光程差与温度变化量呈线性关系，光程差温度灵敏度由光纤半径、折射率、热光系数和热膨胀系数共同决定。根据近似简化后的公式(3)可得，光谱干涉峰值波长漂移灵敏度可表示为Sλ＝2L(μ+αn)/M，其中，M＝round(λ/FSR)为干涉级次，FSR为波长λ附近的自由光谱范围，round表示对括号内结果四舍五入取整。对于石英光纤来说，折射率、热光系数和热膨胀系数均为近似常数，因此，光纤半径越大，将获得的温度灵敏度越高。例如，当光纤包层半径为L＝62.5μm，折射率n＝1.46，热膨胀数为α＝5.5×10-7/℃，热光系数为μ＝1.1×10-5/℃，则传感器反射光谱干涉条纹在1550nm波长附近的自由光谱范围为13.16nm，光谱干涉峰值波长随温度漂移的灵敏度为12.398pm/℃。
实例例3：基于微型全光纤迈克尔逊温度传感器的实验系统及解调
基于微型全光纤迈克尔逊温度传感器的实验系统如图7所示，宽带光源(SLD)17发出的光经过环形器18入射到微型光纤迈克尔逊传感器20，反射光信号再次经过环形器18入射到光谱仪19。如图8所示为光谱仪接收到的迈克尔逊干涉条纹22。将传感器20置于高温炉21中，用高温炉21提供温度变化，从常温25℃开始，温度逐渐升高到950℃，升温梯度约为50℃。图9所示为传感器干涉光谱峰值随温度由常温到600℃变化而均匀地漂移，通过追迹干涉光谱峰值波长的漂移量，即可表征温度的变化。图10所示为光谱干涉峰值波长随温度变化曲线，可以看出波长漂移与温度变化之间存在良好的单调关系，三次多项式拟合曲线与实验数据吻合度很好。不过，这与公式(2)理论推导的近似线性关系不相符，原因在于光纤的实际热光系数和热膨胀系数均会随温度变化而并非绝对常数。因此，在较大的温度变化情况下，对传感器光程差的非线性影响表现得较为明显，从而导致光谱干涉峰值波长的温度响应存在非线性现象。在实际工程应用中，通过温度标定和曲线拟合，可降低其对温度测量性能的影响。
所述光纤包括单模光纤、多模光纤和蓝宝石光纤。
所述光纤插芯包括陶瓷插芯、Pyrex玻璃插芯和二氧化硅玻璃插芯。
Claims (5)
1.一种基于微型迈克尔逊干涉理论的光纤高温传感器，其特征在于，所述传感器由光纤(1)构成，所述光纤(1)又包括光纤包层(2)和光纤纤芯(3)；所述光纤包层(2)具有光纤反射壁(4)，所述光纤纤芯(3)具有端面；所述光纤纤芯分裂成两个部分，一部分在所述端面具有一平面反射面(5)，另一部分在所述端面具有一45°反射面(6)；当一束光沿所述光纤纤芯(3)入射到所述端面时，分裂成两束光，其中一束光在平面反射面(5)形成反射，构成迈克尔逊干涉仪的一干涉臂，得到参考光束(8)；另一束光在45°反射面形成全反射后经过光纤壁反射面(4)再次反射，从45°反射面(6)重新耦合回光纤纤芯(3)，构成迈克尔逊干涉仪的另一个干涉臂，得到传感光束(9)；参考光束(8)和传感光束(9)这两束光在光纤纤芯相遇后形成迈克尔逊干涉条纹，干涉光束之间的光程差为光纤半径与折射率的乘积决定；当温度变化时，光纤半径和折射率会由于热膨胀效应和热光效应而发生改变，从而引起干涉光谱的变化，通过干涉光谱分析即可实现光程差测量，导出待测温度值。
2.如权利要求1所述的基于微型迈克尔逊干涉理论的光纤高温传感器，其特征在于，所述光纤包括单模光纤、多模光纤和蓝宝石光纤。
3.一种基于微型迈克尔逊干涉理论的光纤高温传感器制作方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
步骤一、固定光纤插芯(10)到卡槽，调整研磨角度为45°；研磨机转盘(11)上首先贴9μm光纤研磨纸(12)，设置研磨机转盘(11)转速为150转/分钟，将光纤插芯(10)研磨30分钟；然后依次更换3μm光纤研磨纸(13)和1μm光纤研磨纸(14)各研磨10分钟，研磨机转盘(11)转速保持150转/分钟不变，此时，光纤插芯(10)研磨完成；根据研磨效果应及时往9μm光纤研磨纸(12)、3μm光纤研磨纸(13)、1μm光纤研磨纸(14)和光纤插芯(10)之间喷水；
步骤二、将光纤(1)固定在已研磨好的光纤插芯(10)内，光纤(1)稍微伸出光纤插芯(10)约100μm，采用1μm光纤研磨纸(14)，研磨机转盘(11)转速设定为100转/分钟，缓慢调节光纤插芯(10)靠近光纤研磨纸(14)，两者完全贴上之后，匀速研磨10分钟；更换0.3μm光纤抛光纸(15)，相同的方法抛光10分钟，此时，光纤纤芯末端的45°反射面(6)制作完成；
步骤三、将光纤插芯(10)更换成端面磨平的平端光纤插芯(16)，调节平端光纤插芯(16)端面与0.3μm光纤抛光纸(15)的距离为10～20μm，研磨机转盘(11)转速设定为50转/分钟；将上一步研磨好45°反射面(6)的光纤(1)从平端光纤插芯(16)插入并缓慢与抛光纸(15)靠近，当两者接触后，轻轻压住光纤(1)，开始研磨平面反射面(5)；在研磨平面反射面(5)时，每研磨10秒将光纤(1)取出来在显微镜下观察，然后根据观察结果，调整下次研磨时间，逐步将两个研磨的交汇线控制在光纤纤芯(3)之内，至此，光纤传感器制作完成。
4.如权利要求3所述的基于微型迈克尔逊干涉理论的光纤高温传感器制作方法，其特征在于，所述光纤包括单模光纤、多模光纤和蓝宝石光纤。
5.如权利要求3所述的基于微型迈克尔逊干涉理论的光纤高温传感器制作方法，其特征在于，所述光纤插芯包括陶瓷插芯、Pyrex玻璃插芯和二氧化硅玻璃插芯。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP02 | Change in the address of a patent holder |
Address after: 300350 District, Jinnan District, Tianjin Haihe Education Park, 135 beautiful road, Beiyang campus of Tianjin University Patentee after: Tianjin University Address before: 300072 Tianjin City, Nankai District Wei Jin Road No. 92 Patentee before: Tianjin University |
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| CP02 | Change in the address of a patent holder | ||
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