CN106644154A - 一种基于毛细管结构的光纤高温传感器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于毛细管结构的光纤高温传感器及制备方法，该传感器包括毛细管，毛细管两端设置有输入光纤和输出光纤；光纤高温传感器的输入端通过输入光纤与光源相连，输出端通过输出光纤与光谱仪相连，输入光纤和输出光纤均为单模光纤；毛细管的内径为75μm，外径为125μm，长度为10～50mm；当检测区域的环境温度在0到1000℃内发生变化时，毛细管中每个透射峰的波长发生相应改变，通过光谱仪检测透射峰波长的变化实现对温度变化的检测。本发明的光纤高温传感器结构简单，造价低廉，测量精度高。

Description

一种基于毛细管结构的光纤高温传感器及制备方法

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种基于毛细管结构的光纤高温传感器及制备方法。

背景技术

温度测量涉及的范围非常广泛，涉及到机械工业、油井、采矿业、航空航天等多种行业的环境监测。目前的温度传感器有很多种，包括热电阻和热电偶等电学器件等。然而传统电学传感器由于其结构涉及到电学材料，其使用寿命和探测范围受到限制。此外在特殊场合，比如长距离的传感信号传输方面，其稳定性和可靠性受到许多因素的制约。光纤温度传感器是基于光纤为载体的器件，其结构紧凑小巧，价格低廉，适合大范围探测，长距离传输信号，在工业应用领域具有传统电学传感器所不具备的优势。目前光纤温度传感器的主要形式为光纤布拉格光栅器件，其主要通过在光纤纤芯内部引入周期性折射率实现构建。由于目前大规模生产此类器件采用的折射率调制方式为紫外激光激发双光子吸收，其折射率调制效果在一定高的温度范围(400℃以上)下会发生退化，从而制约了这类器件在更高温度环境下的使用。而采用飞秒激光制备的布拉格光栅器件虽然可以承受700度以上的高温，然而其制作成本高昂，且光栅本身在1000度以上高温下长期工作依然会发生退化，无法真正实现可靠的高温传感探测。

随着工业技术的发展，对高温环境下温度的测量要求越来越多，尤其是在航空航天领域和能源领域等，需要传感器能够对1000度以上的温度进行监测。相比基于光纤光栅的温度传感器，以纯石英材料或者更高熔点的材料为传感介质的光纤传感器可以更加适应高温传感的实际需要。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中1000度以上高温使用时会发生退化，且成本高的缺陷，提供一种基于毛细管结构的光纤高温传感器及制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种基于毛细管结构的光纤高温传感器，包括毛细管，毛细管两端设置有输入光纤和输出光纤；光纤高温传感器的输入端通过输入光纤与光源相连，输出端通过输出光纤与光谱仪相连，输入光纤和输出光纤均为单模光纤；毛细管的内径为75μm，外径为125μm，长度为10～50mm；当检测区域的环境温度发生变化时，毛细管中每个透射峰的波长发生相应改变，通过光谱仪检测透射峰波长的变化实现对温度变化的检测。

进一步地，本发明的输入光纤、输出光纤和毛细管外径相同，且光纤纤芯正对毛细管中心，三者之间通过对芯熔接的方式进行熔接。

进一步地，本发明的毛细管的材料为石英或蓝宝石。

进一步地，本发明的输入光纤和输出光纤的外包层直径为125μm，纤芯直径为8μm。

本发明提供一种基于毛细管结构的光纤高温传感器的制备方法，包括以下步骤：

S1、毛细管预处理：选取一根毛细管，其内径为75μm，外径为125μm，使用刀片去除掉毛细管的涂覆保护层，并用酒精擦拭毛细管表面以除去涂覆层残留物；使用光纤切割刀将毛细管的一端切平整，然后间隔10～50mm的距离，切割出另一个平整的端面；

S2、熔接单模光纤：使用光纤熔接机的手动操作功能，将输入端和输出端的单模光纤的纤芯与毛细管的中心手动对齐；设置光纤熔接机的熔接参数为：放电强度20单位，放电时间700ms，将预处理后的毛细管与单模光纤进行熔接得到光纤高温传感器。

本发明产生的有益效果是：本发明的基于毛细管结构的光纤高温传感器，通过检测毛细管内透射峰的波长变化进而得到温度的检测值，测量效果好，精度高，能够广泛应用于各种实际场景；且该传感器的耐高温性能很好，能够长期在高于1000度的环境中使用，耐用性强；该传感器的结构简单，造价低廉，测量精度高。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1(a)是本发明实施例的毛细管横截面的结构示意图；

图1(b)是本发明实施例的光纤高温传感器的结构示意图；

图2(a)是本发明实施例的测量实验装置结构示意图；

图2(b)是本发明实施例的原始光谱；

图3(a)是本发明实施例的光谱在不同温度下的漂移图；

图3(b)是本发明实施例的传感器的波长与温度关系；

图中，1-输入光纤，2-毛细管，3-输出光纤。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1(a)和图1(b)所示，本发明实施例的基于毛细管结构的光纤高温传感器，包括毛细管2，毛细管2两端设置有输入光纤1和输出光纤3；如图2(a)所示，光纤高温传感器的输入端通过输入光纤1与光源相连，输出端通过输出光纤3与光谱仪相连，输入光纤1和输出光纤3均为单模光纤；毛细管2的内径为75μm，外径为125μm，长度为10～50mm；当检测区域的环境温度发生变化时，毛细管2中每个透射峰的波长发生相应改变，通过光谱仪检测透射峰波长的变化实现对温度变化的检测。

输入光纤1、输出光纤3和毛细管2外径相同，且光纤纤芯正对毛细管中心，三者之间通过对芯熔接的方式进行熔接。毛细管2的材料为石英或蓝宝石。输入光纤1和输出光纤3的外包层直径为125μm，纤芯直径为8μm。

在本发明的另一个具体实施例中，毛细管横截面有内外两层，内径75μm，外径125μm。所用单模光纤为标准单模光纤，外包层直径125μm，纤芯直径8μm。该传感器结构包括输入光纤、输出光纤以及毛细管结构。从光源发出的光经过单模光纤传输到毛细管中，会在毛细管的包层中形成反谐振反射效应，从而在透射光谱中产生多个透射峰。当毛细管所处的环境的温度发生改变时，每个透射峰的波长位置会发生相应的改变，通过监测光谱仪上的透射峰波长可以实现对温度的测量。

本发明实施例的基于毛细管结构的光纤高温传感器的制备方法，包括以下步骤：

S1、毛细管预处理：选取一根毛细管，其内径为75μm，外径为125μm，使用刀片去除掉毛细管的涂覆保护层，并用酒精擦拭毛细管表面以除去涂覆层残留物；使用光纤切割刀将毛细管的一端切平整，然后间隔10～50mm的距离，切割出另一个平整的端面；

S2、熔接单模光纤：使用光纤熔接机的手动操作功能，将输入端和输出端的单模光纤的纤芯与毛细管的中心手动对齐；设置光纤熔接机的熔接参数为：放电强度20单位，放电时间700ms，将预处理后的毛细管与单模光纤进行熔接得到光纤高温传感器。

在本发明的另一个具体实施例中，该光纤高温传感器的制作方法包括以下步骤：

一、毛细管预处理。选取一端毛细管，使用刀片去除掉毛细管的涂覆保护层，并用酒精擦拭毛细管表面以除去涂覆层残留物。使用光纤切割刀将毛细管的一端切平整，然后在离该端面一段距离处切出另外一个平整的端面，具体的距离根据实际需要而定，这里我们选取13mm。

二、和普通单模光纤的熔接。处理过的毛细管最后需要和单模光纤熔接起来，包括输入单模光纤和输出单模光纤。熔接使用光纤熔接机的手动操作功能来完成。由于单模光纤和毛细管的直径不同，手动对准时要保证两者的纤芯正对着，防止错位造成多模干涉。熔接参数设置为放电强度20单位，放电时间700ms，将处理过的毛细管的两端都按上述要求熔接上单模光纤即完成传感器的制作。

使用该光纤高温传感器进行温度测量的应用过程为：

将器件两端的单模光纤分别接上光源和光谱仪就会得到图2(b)中的原始光谱图。当高温传感器用于测量温度时，将器件的探头部分即毛细管部分，放置在温度变化的环境中(高温管式炉)。当管式炉中的温度发生变化时，器件的光谱的会相应的产生变化，光谱的中透射峰的波长位置会随着温度的增加而发生红移。如图3(a)和图3(b)所示，通过监测光谱上波长的变化，就可以获得温度信息。在整个测量温度的过程中，光谱的温度响应表现得比较线性，其测量灵敏度为20pm/℃。测量温度由以下表达式给出：

T_测量＝T_初始+Δλ_漂移/20

T初始是初始温度值，Δλ_漂移是波长漂移值。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于毛细管结构的光纤高温传感器，其特征在于，包括毛细管(2)，毛细管(2)两端设置有输入光纤(1)和输出光纤(3)；光纤高温传感器的输入端通过输入光纤(1)与光源相连，输出端通过输出光纤(3)与光谱仪相连，输入光纤(1)和输出光纤(3)均为单模光纤；毛细管(2)的内径为75μm，外径为125μm，长度为10～50mm；当检测区域的环境温度发生变化时，毛细管(2)中每个透射峰的波长发生相应改变，通过光谱仪检测透射峰波长的变化实现对温度变化的检测。

2.根据权利要求1所述的基于毛细管结构的光纤高温传感器，其特征在于，输入光纤(1)、输出光纤(3)和毛细管(2)外径相同，且光纤纤芯正对毛细管中心，三者之间通过对芯熔接的方式进行熔接。

3.根据权利要求1所述的基于毛细管结构的光纤高温传感器，其特征在于，毛细管(2)的材料为石英或蓝宝石。

4.根据权利要求1所述的基于毛细管结构的光纤高温传感器，其特征在于，输入光纤(1)和输出光纤(3)的外包层直径为125μm，纤芯直径为8μm。

5.一种权利要求1的基于毛细管结构的光纤高温传感器的制备方法，其特征在于,包括以下步骤：

S1、毛细管预处理：选取一根毛细管，其内径为75μm，外径为125μm，使用刀片去除掉毛细管的涂覆保护层，并用酒精擦拭毛细管表面以除去涂覆层残留物；使用光纤切割刀将毛细管的一端切平整，然后间隔10～50mm的距离，切割出另一个平整的端面；

S2、熔接单模光纤：使用光纤熔接机的手动操作功能，将输入端和输出端的单模光纤的纤芯与毛细管的中心手动对齐；设置光纤熔接机的熔接参数为：放电强度20单位，放电时间700ms，将预处理后的毛细管与单模光纤进行熔接得到光纤高温传感器。