CN105806511A - 基于球锥串联结构的微光纤超小型温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于球锥串联结构的微光纤超小型温度传感器，属于光纤传感技术领域。包括光源、光纤模块和光谱探测器；所述光纤模块进一步包括第一耦合光纤，微光纤和第二耦合光纤；所述微光纤是通过电弧放电而形成的一种球锥串联结构的一维微光纤，包括光纤微球、光纤锥和球锥连接区域，其光纤微球包层部分和光纤锥包层部分相互连接，而光纤微球纤芯部分和光纤锥纤芯部分不相互连接，这构成一个法布里‑珀罗干涉仪，从而实现对环境温度的高灵敏度和高稳定的探测。本发明提供的基于球锥串联结构的微光纤超小型温度传感器的检测灵敏度可达17.24pm/℃，且具有体积超小、重量轻、低损耗的特点；以及具很大的市场应用前景。

Description

基于球锥串联结构的微光纤超小型温度传感器

技术领域

本发明涉及一种光纤温度传感器，特别涉及一种基于球锥串联结构的微光纤超小型温度传感器，属于光纤传感技术领域。

背景技术

近年来，温度传感器在石油勘探，食品安全，环境质量检测和生物医学等领域的应用越来越广泛。温度传感器作为检测温度参数的关键部件，其检测的原理主要是通过感知环境温度，将温度信息转换成相关的物理参量，从而进行温度的检测、监控、分析、报警等。当今，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展；光纤传感作为结合纤维光学，微电子学、精密机械和信息传输等学科的高新技术，其发展倍受关注。光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光信号经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等发生变化，成为被调制的信号源，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。由于光纤具有很多优异的性能，例如：具有抗电磁辐射干扰和抗原子辐射干扰的性能，且径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，将其引入温度传感器中很有优势。目前，低成本简单结构的温度传感器的研究比较少，美国专利US6865194B1、韩国专利1993-0006932和中国专利CN201120381879分别公开了光纤温度传感器的三种方案，这三种方案都是利用光纤布拉格光栅实现对温度的探测，但由于制作光纤布拉光栅通常需要利用相位掩模技术和紫外激光器刻写，因此成本较高，制作工艺相当复杂，这对于市场应用的普遍推广非常不利，因此对低成本简单结构的新型光纤温度传感器的研究与开发成为当务之急。

发明内容

本发明的目的就是提供一种体积小、重量轻、结构紧凑、稳定性强的基于球锥串联结构的微光纤超小型的温度传感器；该微光纤超小型温度传感器可以有效用于传感应用中，成本低、结构简单且具有较高的灵敏度和稳定性，以及很大的市场应用前景。

本发明的基本设计思想是：设计一种基于锥球串联结构的微光纤超小型温度传感器。它包括光源、光纤模块和光谱探测器；该光纤模块进一步包括第一耦合光纤、微光纤和第二耦合光纤；所述微光纤是一种通过电弧放电而形成的球锥串联结构的微光纤，它包括光纤微球、球锥连接区域和光纤锥，所述光纤微球和光纤锥在球锥连接区域的包层部分相互连接，而纤芯部分不相互连接，光纤微球的纤芯与光纤锥的纤芯分别形成两个反射面，这样构成一个法布里-珀罗干涉仪；所述光源发出的光经第一耦合光纤后进入微光纤，再经第二耦合光纤后输出，最后由光谱探测器对环境温度进行测量。由于所述微光纤构成一个法布里-珀罗干涉仪，当环境温度改变时，经过微光纤的传输光谱发生实时偏移，利用光谱探测器接收微光纤的干涉传输光谱变化，进而得到待测环境温度。

为实现本发明的上述目的，本发明采用由以下技术措施构成的技术方案来实现的。

本发明所述的一种基于球锥串联结构的微光纤超小型温度传感器，其特征在于包括光源、光纤模块和光谱探测器；所述光纤模块进一步包括第一耦合光纤、微光纤和第二耦合光纤；所述光源发出的光经第一耦合光纤后进入微光纤，此时光在微光纤内传播，然后再进入光纤模块中第二耦合光纤，并由第二耦合光纤连接的光谱探测器接收经过微光纤的干涉传输谱的变化，进而可得到待测环境温度。

上述技术方案中，所述的微光纤是通过电弧放电而形成的一种球锥串联结构的微光纤；它由光纤微球、球锥连接区域和光纤锥串联构成的一维微光纤。

上述技术方案中，所述微光纤中光纤微球部分包括光纤微球包层和光纤微球纤芯；光纤锥部分包括光纤锥包层和光纤锥纤芯；所述光纤微球包层与光纤锥包层在球锥连接区域相互连接；而光纤微球纤芯与光纤锥纤芯在球锥连接区域不相互连接。

上述技术方案中，所述微光纤中光纤微球部分的光纤微球纤芯和光纤锥部分的光纤锥纤芯形成两个反射面，构成一个法布里-珀罗腔，从而使得光纤微球、球锥连接区域与光纤锥整体构成一个法布里-珀罗干涉仪。

上述技术方案中，所述的微光纤由单模光纤通过电弧放电制备而成。

上述技术方案中，所述的第一耦合光纤和第二耦合光纤均采用通信单模光纤。

上述技术方案中，所述的光源为宽谱光源。

上述技术方案中，所述的光谱探测器为光谱分析仪，光谱分析仪的最小分辨率为0.05nm。

上述技术方案中，所述微光纤中光纤锥的锥角为锐角，其角度大于0°而小于90°。

本发明所述的基于球锥串联结构的微光纤超小型温度传感器，由于微光纤是球锥串联的一维结构，并且构成这种串联结构的光纤微球和光纤锥的包层部分在球锥连接区域相互连接，而它们的纤芯部分在球锥连接区域不相互连接，两个不相互连接的纤芯形成两个反射面，这构成一个法布里-珀罗腔，因此这种结构的微光纤构成一个法布里-珀罗干涉仪，此干涉仪的腔长为构成微光纤的光纤微球和光纤锥在球锥连接区域不相互连接的纤芯部分之间的距离为L₀，该法布里-珀罗干涉仪的自由光谱范围为

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{2{\mathrm{nL}}_0}---\left(1\right)$

其中λ是波长值，n是光纤的折射率。干涉谱有N个干涉峰，第N阶干涉峰对应的波长为

${\mathrm{\λ}}_N=\frac{4{\mathrm{nL}}_0}{2N+1},N=0,1,2,\mathrm{...}---\left(2\right)$

由于光纤的热光系数和热膨胀系数与温度有关，当环境温度改变时，产生的干涉谱会发生偏移，因此该温度传感器的灵敏度为

$\frac{\∂{\mathrm{\λ}}_N}{\∂T}={\mathrm{\λ}}_N\left(\frac{1}{n}\frac{\∂n}{\∂T}+\frac{1}{L_0}\frac{\∂L_0}{\∂T}\right)---\left(3\right)$

其中是热光系数，是热膨胀系数。所述温度传感器的灵敏度表达式中的热光系数与热膨胀系数都与温度相关，所以该干涉仪可以被用作温度传感，当环境温度发生变化时，通过探测第N阶干涉峰的变化，即可以得到对应的环境温度。

本发明与现有技术相比具有以下特点和有益技术效果：

1、本发明所公开的基于球锥串联结构的微光纤超小型温度传感器，由于其为基于球锥串联结构的一维微光纤，其中构成这种串联结构的微光纤中的光纤微球和光纤锥中的包层部分相互连接而纤芯部分不相互连接，因此该微光纤构成了一个法布里-珀罗干涉仪，它能够产生明显的干涉条纹，因而可以有效用于传感应用中。

2、本发明所公开的基于球锥串联结构的微光纤超小型温度传感器，由于其微光纤是一维结构，且所用材料可通过普通通信单模光纤制备而成，同其他光纤结构相比，尺寸更小，功耗更低。

3、本发明所公开的基于球锥串联结构的微光纤超小型温度传感器，其结构简单、性能稳定、且具有较高的灵敏度和稳定性；其灵敏度可达到17.24pm/℃，温度测量可重复性误差小于4％。

附图说明

图1是本发明基于球锥串联结构的微光纤超小型温度传感器的整体结构示意图；

图2是图1中所述的微光纤结构示意图；

图3是本发明实施例在不同环境温度下的干涉光谱示意图；

图4是本发明实施例在干涉峰随环境温度的变化曲线；

图5是本发明实施例在三个不同温度下的干涉谱随时间的变化曲线。

图中，1-光源，2-第一耦合光纤，3-微光纤，4-第二耦合光纤，5-光谱探测器，6-光纤模块，7-光纤微球，8-球锥连接区域，9-光纤锥，10-光纤微球包层，11-光纤微球纤芯，12-光纤锥包层，13-光纤锥纤芯。

具体实施方式

以下将结合附图并用具体实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不意味着是对本发明所保护内容的任何限定。

图1中，本发明所述的基于球锥串联结构的微光纤超小型温度传感器，包括光源1、由第一耦合光纤2、微光纤3和第二耦合光纤4构成的光纤模块6，以及光谱探测器5；所述光源1发出的光经过第一耦合光纤2后进入微光纤3，此光在微光纤3内传播，然后再进入第二耦合光纤4，并由第二耦合光纤4连接的光谱探测器5接收经过微光纤3输出的干涉传输谱的变化，进而即可得到待测环境温度。

图2中，所述微光纤3为基于球锥串联结构的一维微光纤，它包括光纤微球7、光纤锥9和球锥连接区域8；其中，光纤微球7包括光纤微球包层10和光纤微球纤芯11；光纤锥9包括光纤锥包层12和光纤锥纤芯13；所述光纤微球7的光纤微球包层10部分和光纤锥9的光纤锥包层12部分在球锥连接区域8相互连接，而光纤微球7的光纤微球纤芯11部分和光纤锥9的光纤锥纤芯13部分在球锥连接区域8不相互连接；因此该微光纤构成了一个法布里-珀罗干涉仪，它能够产生明显的干涉条纹。

实施例

本实施例所述的第一耦合光纤2和第二耦合光纤4均采用通信单模光纤，型号为Corning公司生产的SMF-28e。

所述的光源1为宽谱光源，型号为COFIBER公司生产的ASE-1064，其所发射出的光波长值的范围为1062nm-1080nm之间，中心波长为1064nm。

所述的光谱探测器5为光谱分析仪，型号为YOWOGAWA公司生产的AQ6370C，光谱分析仪的最小分辨率为0.05nm。

所述微光纤3是利用光纤熔接机，型号为FITEL公司生产的S177，通过电弧放电制备而成的。

所述微光纤3为基于球锥串联结构的一维微光纤，它包括光纤微球7、球锥连接区域8和光纤锥9。

所述微光纤3中光纤微球7的直径为139μm，光纤锥9的锥角为30°，光纤微球7和光纤锥9之间的球锥连接区域8的长度为61μm；所述光纤微球纤芯11和光纤锥纤芯13之间的距离为74μm；所述微光纤3所用材料为单模光纤，其折射率n为1.46，该微光纤3长度为423μm。

所述基于球锥串联结构的微光纤超小型温度传感器用于环境温度的测量其具体操作如下：

本实施例按照图1所示的结构连接好各元器件。

所述光源1依次通过第一耦合光纤2、微光纤3、第二耦合光纤4与光谱探测器5连接。

所述微光纤3中光纤微球7的光纤微球包层10和光纤锥9的光纤锥包层12部分相互连接而它们的纤芯部分不相互连接，它们的纤芯部分之间有一小段间隔，这形成了一个法布里-珀罗腔，当入射光通过第一耦合光纤2传输进入微光纤3，会发生法布里-珀罗干涉，光纤微球7的光纤微球纤芯11和光纤锥9的光纤锥纤芯13之间的距离为74μm，即构成的法布里-珀罗干涉仪的腔长L₀为74μm。使用时，将微光纤3置于高温炉中，初始温度设为35℃，待炉中温度稳定后，开启光源1，光源1发出的光通过第一耦合光纤2进入微光纤3中，光在微光纤3内传播，并经过微光纤3中光纤微球7、球锥连接区域8和光纤锥9后，导出的光通过第二耦合光纤4进入光谱探测器5即光谱分析仪；光在微光纤3中传播时，光谱分析仪可以检测出该球锥串联结构的微光纤构成的法布里-珀罗干涉仪的自由光谱范围为Δλ，微光纤3的折射率为1.46，构成的法布里-珀罗干涉仪的腔长L₀为74μm，其对应的Δλ为5.24nm。选取干涉谱的第N阶干涉峰Δλ_N作为指示峰，以每15℃为间隔逐步升高炉内的温度，从初始35℃逐步升高至170℃，图3为通过本实施例得到的在环境温度分别为35℃、50℃、65℃、80℃和95℃下的通过光谱分析仪探测得到的干涉传输谱示意图，光源1所发出的光束的波长范围为1062nm-1080nm，选取波长为1065nm的干涉波长作为指示波长，对应的波长范围为1063nm-1069nm，图3中所示曲线的峰值所对应的波长即光谱分析仪检测的波长Δλ_N，从图3中可以看出波长Δλ_N值随着环境温度的变化而变化，不同的环境温度对应不同的波长。

通过本实施例得到的微光纤3的干涉波长随待测环境温度的变化曲线如图4所示，初始温度为35℃，相应的干涉波长(λ＝1064.95nm)为初始波长，温度以每15℃为间隔从35℃逐步升高至170℃，从图4中可以看出随着环境温度的升高，干涉波长发生线性偏移，对应的灵敏度为17.24pm/℃。

通过以上实施例得到的微光纤3的干涉波长在三种不同温度下的时间响应曲线如图5所示，对应的温度在35℃、110℃和170℃三种不同温度下的最大波长偏差分别约为0.080nm、0.079nm和0.052nm，对应的温度测量误差小于4％，因此这些变化是稳定的可重复的，而且微光纤3的一系列参数可以重置。

Claims (9)

1.一种基于球锥串联结构的微光纤超小型温度传感器，其特征在于包括光源(1)、由第一耦合光纤(2)、微光纤(3)和第二耦合光纤(4)组成的光纤模块(6)，以及光谱探测器(5)；所述光源(1)发出的光经第一耦合光纤(2)后进入微光纤(3)，此时光在微光纤(3)内传播后进入光纤模块(6)中第二耦合光纤(4)，并由第二耦合光纤(4)连接的光谱探测器(5)接收经过微光纤(3)的干涉传输谱的变化，进而得到待测环境温度。

2.根据权利要求1所述的基于球锥串联结构的微光纤超小型温度传感器，其特征在于所述的微光纤(3)是通过电弧放电而形成的一种球锥串联结构的微光纤；它由光纤微球(7)、球锥连接区域(8)和光纤锥(9)串联构成的一维微光纤。

3.根据权利要求2所述的基于球锥串联结构的微光纤超小型温度传感器，其特征在于所述微光纤(3)中光纤微球(7)部分包括光纤微球包层(10)和光纤微球纤芯(11)；光纤锥(9)部分包括光纤锥包层(12)和光纤锥纤芯(13)；所述光纤微球包层(10)与光纤锥包层(12)在球锥连接区域(8)相互连接；而光纤微球纤芯(11)与光纤锥纤芯(13)在球锥连接区域(8)不相互连接。

4.根据权利要求3所述的基于球锥串联结构的微光纤超小型温度传感器，其特征在于所述微光纤(3)中光纤微球(7)部分的光纤微球纤芯(11)和光纤锥(9)部分的光纤锥纤芯(13)形成两个反射面，构成一个法布里-珀罗腔，使得光纤微球(7)、球锥连接区域(8)与光纤锥(9)整体构成一个法布里-珀罗干涉仪。

5.根据权利要求1或2所述的基于球锥串联结构的微光纤超小型温度传感器，其特征在于所述微光纤(3)由单模光纤通过电弧放电制备而成。

6.根据权利要求1所述的基于球锥串联结构的微光纤超小型温度传感器，其特征在于所述的第一耦合光纤(2)和第二耦合光纤(4)均采用通信单模光纤。

7.根据权利要求1所述的基于球锥串联结构的微光纤超小型温度传感器，其特征在于所述的光源(1)为宽谱光源。

8.根据权利要求1所述的基于球锥串联结构的微光纤超小型温度传感器，其特征在于所述的光谱探测器(5)为光谱分析仪，其最小分辨率为0.05nm。

9.根据权利要求1或2所述的基于球锥串联结构的微光纤超小型温度传感器，其特征在于所述微光纤(3)中光纤锥(9)的锥角为锐角，其角度大于0°而小于90°。