CN106959172B - 高灵敏度紧凑m-z干涉温度传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高灵敏度紧凑M‑Z干涉温度传感器及其制作方法，该传感器包括依次连接的输入单模光纤、微结构光纤和输出单模光纤，微结构光纤置于待测环境下，输入单模光纤的纤芯分别与微结构光纤的纤芯以及填充有高热光系数介质的空气孔连接，以使输入单模光纤输出光的一部分通过微结构光纤的纤芯传输给输出单模光纤，另一部分光通过微结构光纤中填充有高热光系数介质的空气孔传输给输出单模光纤；输出单模光纤将接收到的光传输给光谱分析仪进行光谱分析，从而根据光谱分析结果确定待测环境下的温度。本发明通过利用在微结构光纤中填充高热光系数介质，可以提供一种高灵敏度且结构超紧凑的M‑Z温度传感器。

Description

高灵敏度紧凑M-Z干涉温度传感器及其制作方法

技术领域

本发明属于温度检测领域，具体涉及一种高灵敏度紧凑M-Z(马赫-曾德尔)干涉温度传感器及其制作方法。

背景技术

光纤M-Z干涉传感器是一种应用非常广泛的全光纤干涉器件，其具有优异的光学滤波特性。M-Z干涉传感器具有两个干涉臂，一路称为参考臂，另一路称为探测臂，在传感应用中，将探测臂放置待测环境中，干涉臂中传输的光受待测环境影响，与参考臂中的光之间产生相位差，导致干涉条纹发生变化，通过干涉条纹的变化探测待测量的变化。但传统M-Z干涉传感器属于分立元件，干涉臂与传感臂相互分离，其具有一定的局限性，包括：(1)体积大，在局域小环境中的应用受到限制；(2)参考臂与干涉臂容易受除所测物理量外不一致环境因素的影响，降低测量的准确性。在纤式光纤马赫-曾德尔干涉传感器与传统分立式M-Z干涉传感器不同，其参考臂与干涉臂集成于单根光纤上，其具有结构简单、易于操作、灵敏度高等优点，因而逐步成为新一代传感器的研究方向之一，被广泛应用于生物、化学和物理等传感领域。

然而，目前的在纤式M-Z干涉传感器存在的共同问题是传播纤芯模与包层模的路径具有很小的折射率差，且其热光系数与热膨胀系数较小，基于以上所述方法制作的光纤温度传感器的长度虽然可以为厘米甚至毫米量级，但其灵敏度较低，通常限制在每摄氏度干涉谱漂移量仅为皮米量级，这在一定程度上限制了其在温度测量的实际应用。

发明内容

本发明提供一种高灵敏度紧凑M-Z干涉温度传感器及其制作方法，以解决目前M-Z干涉温度传感器存在的灵敏度较低的问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种高灵敏度紧凑M-Z干涉温度传感器，包括依次连接的输入单模光纤、微结构光纤和输出单模光纤，输入单模光纤和输出单模光纤分别偏置熔接在微结构光纤的两侧，所述微结构光纤置于待测环境下，所述输入单模光纤的纤芯分别与所述微结构光纤的纤芯以及填充有高热光系数介质的空气孔连接，以使所述输入单模光纤输出光的一部分通过所述微结构光纤的纤芯传输给所述输出单模光纤，另一部分光通过所述微结构光纤中填充有高热光系数介质的空气孔传输给所述输出单模光纤；

所述输出单模光纤将接收到的光传输给光谱分析仪进行光谱分析，从而根据光谱分析结果确定待测环境下的温度。

在一种可选的实现方式中，所述输入单模光纤传输给所述微结构光纤中填充有高热光系数介质的空气孔的光量大于传输给所述微结构光纤中纤芯的光量。

在另一种可选的实现方式中，所述输入单模光纤和所述输出单模光纤对称设置在所述微结构光纤的两侧。

在另一种可选的实现方式中，所述微结构光纤表面还设置有与所述空气孔连通，并用于将所述高热光系数介质填充至所述空气孔的微型孔。

在另一种可选的实现方式中，所述微型孔上还设有密封结构。

在另一种可选的实现方式中，所述高热光系数介质为异丙醇溶液或酒精溶液。

在另一种可选的实现方式中，所述输入单模光纤和输出单模光纤的纤芯直径为8.2μm，包层直径为125μm；微结构光纤纤芯直径：14μm，包层直径为125μm，空气孔直径范围为14μm-58μm，所述微型孔的直径为15μm，深度为35μm。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种高灵敏度紧凑M-Z干涉温度传感器的制作方法，包括：

将输入单模光纤和输出单模光纤分别偏置熔接在微结构光纤的两侧，以使所述输入单模光纤的纤芯分别与微结构光纤中纤芯和对应空气孔连接；

在所述微结构光纤的表面上制成与所述对应空气孔中至少一个连通的微型孔；以及，向所述微型孔内填充高热光系数介质，以使所述高热光系数介质填充至对应空气孔内。

在一种可选的实现方式中，在向所述微型孔内填充高热光系数介质之后，所述方法还包括：对所述微型孔进行密封处理。

本发明的有益效果是：

1、由于微结构光纤中纤芯的热光系数较小，因此本发明通过在微结构光纤的空气孔中填充高热光系数介质，使得微结构光纤中纤芯与填充在空气孔内介质的热光系数存在数量级的差异，这样当输入单模光纤的光纤分别与微结构光纤的纤芯以及填充有高热光系数介质的空气孔连接时，输入单模光纤输入的光将分成两部分分别进入微结构光纤的纤芯以及填充有高热光系数介质的空气孔，因此沿微结构光纤的纤芯以及填充有高热光系数介质的空气孔传输的两束光存在较大的相位差，在输出单模光纤中将形成明显的双光束干涉效应，从而提高M-Z干涉传感器的灵敏度，并使得M-Z干涉传感器更加紧凑，基于这种干涉效应可以确定微结构光纤所处待测环境下的温度；

2、由于相比于微结构光纤中的纤芯，微结构光纤中空气孔内的光耗能更大，因此本发明通过使所述输入单模光纤传输给所述微结构光纤中填充有高热光系数介质的空气孔的光量大于传输给所述微结构光纤中纤芯的光量，可以使双光束干涉的两束光能量相同，从而使M-Z传感器具有最大的干涉对比度，方便温度测量；

3、本发明通过使所述输入单模光纤和所述输出单模光纤可以对称设置在所述微结构光纤的两侧，可以保证将对应量的光准确传输给光谱分析仪进行光谱分析；

4、本发明通过设置微型孔，可以将高热光系数介质填充至微结构光纤空气孔内；

5、本发明通过在微型孔上设置密封结构，可以避免填充至微结构光纤空气孔内的高热光系数介质溢出。

由此，本发明通过在微结构光纤中注入高热光系数的液体，相互干涉的两臂具有较高的热光系数差值，使得制作出的光纤温度传感器具有较高灵敏度。本发明作为传感头的微结构光纤长度仅为百微米级别，使得该传感器相对于其它传感器具有结构紧凑的特点。本发明仅有少量液体封装于光纤内，安全可靠。

附图说明

图1是本发明高灵敏度紧凑M-Z干涉温度传感器的一个实施例立体图；

图2是本发明高灵敏度紧凑M-Z干涉温度传感器的一个实施例侧视图；

图3是本发明微结构光纤的一个实施例截面剖视图；

图4是本发明输入/输出单模光纤与微结构光纤中纤芯的偏置熔接示意图；

图5是本发明高灵敏度紧凑M-Z干涉温度传感器的制作方法的一个实施例流程图；

图6是本发明在不同温度下透射谱波长变化图；

图7是本发明光波长随温度变化漂移图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

结合图1至图3所示，该高灵敏度紧凑M-Z干涉传感器可以包括依次连接的输入单模光纤1、微结构光纤2和输出单模光纤3，所述微结构光纤2置于待测环境下，所述输入单模光纤1的纤芯11分别与所述微结构光纤2中纤芯21以及填充有高热光系数介质的空气孔22连接，以使所述输入单模光纤1输出光的一部分通过所述微结构光纤2中纤芯21传输给所述输出单模光纤3，另一部分光通过所述微结构光纤2中填充有高热光系数介质的空气孔22传输给所述输出单模光纤3；所述输出单模光纤3将接收到的光传输给光谱分析仪进行光谱分析，从而根据光谱分析结果确定待测环境下的温度。

在使用本发明时，可以先将宽带光源接至输入单模光纤1，输出单模光纤3接至光谱分析仪，然后将微结构光纤2置于待测环境中，输入单模光纤1输入的光一部分从其纤芯传输给微结构光纤2的纤芯21，再沿着微结构光纤2的纤芯21传输给输出单模光纤3，另一部分从其纤芯传输给微结构光纤2中填充有高热光系数介质的空气孔22，再沿着填充有高热光系数介质的空气孔22传输给输出单模光纤3，输出单模光纤3将接收到的光传输给光谱分析仪进行光谱分析，根据光谱分析结果就可以确定待测环境下的温度。

由上述实施例可见，由于微结构光纤中纤芯的热光系数较小，因此本发明通过在微结构光纤的空气孔中填充高热光系数介质，使得微结构光纤中纤芯与填充在空气孔内介质的热光系数存在数量级的差异，这样当输入单模光纤的光纤分别与微结构光纤中纤芯以及填充有高热光系数介质的空气孔连接时，输入单模光纤输出光将分成两部分分别进入微结构光纤纤芯以及填充有高热光系数介质的空气孔，因此沿微结构光纤纤芯以及沿填充有高热光系数介质的空气孔传输的两束光存在较大的相位差，在输出单模光纤中将形成明显的双光束干涉效应，从而提高M-Z干涉传感器的灵敏度，并使M-Z干涉传感器更加紧凑，基于这种干涉效应可以确定微结构光纤所处待测环境下的温度。

另外，所述输入单模光纤1传输给所述微结构光纤2中填充有高热光系数介质的空气孔22的光量大于传输给所述微结构光纤2中纤芯21的光量。由于相比于微结构光纤中的纤芯，微结构光纤中空气孔内的光耗能更大，因此本发明通过使所述输入单模光纤传输给所述微结构光纤中填充有高热光系数介质的空气孔的光量大于传输给所述微结构光纤中纤芯的光量，可以使双光束干涉的两束光能量相同，从而使M-Z传感器具有最大的干涉对比度，方便温度测量。为了保证将对应量的光准确传输给光谱分析仪进行光谱分析，所述输入单模光纤1和所述输出单模光纤3可以对称设置在所述微结构光纤的两侧。

在填充高热光系数介质时，该高热光系数介质可以是热光系数大于微结构光纤中纤芯热光系数的任意介质，例如异丙醇溶液(纯度：99.5％；热光系数：-4.5×10-4/K)或酒精溶液(纯度：99.5％；热光系数：-3.94×10-4/K)等。为了将高热光系数介质填充至微结构光纤空气孔内，在所述微结构光纤2表面还设置有与所述空气孔连通的微型孔23；为了保证高热光系数介质快速均匀地填充至微结构光纤空气孔内，在微结构光纤2的两端可以分别开设微型孔23；为了避免填充至微结构光纤空气孔内的高热光系数介质溢出，所述微型孔23上还可以设有密封结构24。

本实施例中，以输入单模光纤1和输出单模光纤2的纤芯直径为8.2μm，包层直径为125μm，微结构光纤为柚子型，且其纤芯直径为14μm，空气孔直径范围为58μm，包层直径为125μm为例，输入单模光纤1和输出单模光纤3对称偏置熔接在微结构光纤2的两侧，偏置距离(即输入单模光纤1和输出单模光纤3表面与微结构光纤2表面之间的距离)为7.5μm。由于无论是单模光纤，还是微结构光纤，其纤芯都位于其中心位置处，因此当单模光纤偏置熔接在微结构光纤上时，对应地单模光纤与微结构光纤中的纤芯将发生偏离。结合图4所示，当单模光纤与微结构光纤非偏置熔接时，单模光纤的纤芯位于A位置处，当单模光纤与微结构光纤偏置熔接且偏置距离为7.5μm时，单模光纤的纤芯位于B位置处，通过数学计算，可以得出当单模光纤的纤芯位于B位置处时，单模光纤纤芯与微结构光纤纤芯的接触截面长度为3.6μm，单模光纤纤芯与微结构光纤空气孔的接触截面长度为4.6μm，由此可见输入单模光纤1传输给所述微结构光纤2中填充有高热光系数介质的空气孔22的光量大于传输给所述微结构光纤2中纤芯21的光量。在开设微型孔23时，微型孔的直径可以为15μm，深度可以为35μm，由于微结构光纤的包层直径为125μm，纤芯直径为14μm，空气孔直径范围为58μm，因此当微型孔的深度为35μm时，微型孔可以与空气孔连通，并且当微型孔的直径为15μm时，微型孔可以与两个空气孔连通，这样有助于一次性将更多的高热光系数介质填充至空气孔中。

参见图5，为本发明高灵敏度紧凑M-Z干涉温度传感器的制作方法的一个实施例流程图，可以包括以下步骤：

步骤S501、将输入单模光纤和输出单模光纤分别偏置熔接在微结构光纤的两侧，以使输入单模光纤纤芯分别与微结构光纤中纤芯和对应空气孔连接。

本实施例中，首先可以采用OptiBPM光学软件仿真出纤芯基模和包层模的能量差值最小时，输入/输出单模光纤与微结构光纤的偏置距离，此时M-Z干涉传感器具有较好的光谱特性。以输入单模光纤1和输出单模光纤2的纤芯直径为8.2μm，包层直径为125μm，微结构光纤为柚子型，且其纤芯直径为14μm，空气孔直径范围为58μm，包层直径为125μm为例，实验中，使用光纤切割刀切取长度为百微米长度的微结构光纤，设定商用手动熔接机的偏置距离7.5μm，利用手动熔接的方式将输入单模光纤和输出单模光纤分别与微结构光纤的两端同方向偏置熔接，熔接好的光纤M-Z干涉传感器的干涉谱对比度可达15dB以上。

步骤S502、在所述微结构光纤的表面上制成与所述对应空气孔中至少一个连通的微型孔。

本实施例中，在制作微型孔时，沿着微结构光纤的偏置方向，利用790nm的飞秒激光脉冲在微结构光纤两侧的表面分别制作出一个直径为15μm、深度为35μm的微型孔，使得充当一个干涉臂的微结构空气孔与外界空气互联。由于微孔的直径很小，几乎没有能量泄露到外界的空气中，因此光纤M-Z干涉传感器的干涉谱在加工微孔前后几乎没有变化。

步骤S503、向所述微型孔内填充高热光系数介质，以使所述高热光系数介质填充至对应空气孔内。在向所述微型孔内填充高热光系数介质之后，所述方法还包括：对所述微型孔进行密封处理。

本实施例中，在填充高热光系数介质时，将带有微型孔的光纤M-Z干涉传感器放置在注有异丙醇或酒精的培养皿中，利用毛细浸润作用，将异丙醇溶液或酒精溶液填充至微结构光纤的空气孔中并使用紫外胶封住微孔防止溶液挥发。这样，输入单模光纤的出射光一部分耦合进入微结构光纤的纤芯，另一部分耦合进入注满高热光系数液体的空气孔，在温度变化时，由于丙醇或酒精与微结构光纤纤芯的热光系数差别较大，因此两路干涉光的光程差会发生较大变化，从而透射谱会发生较大漂移，从而实现高灵敏度的温度传感。另外，为了保证将对应光量准确传输给光谱分析仪进行光谱分析，输入单模光纤和所述输出单模光纤可以对称设置在所述微结构光纤的两侧。

由上述实施例可见，由于微结构光纤中纤芯的热光系数较小，因此本发明通过在微结构光纤的空气孔中填充高热光系数介质，使得微结构光纤中纤芯与填充在空气孔内介质的热光系数存在数量级的差异，这样当输入单模光纤的光纤分别与微结构光纤中纤芯以及填充有高热光系数介质的空气孔连接时，输入单模光纤输出光将分成两部分分别进入微结构光纤的纤芯以及填充有高热光系数介质的空气孔，因此沿微结构光纤的纤芯以及填充有高热光系数介质的空气孔传输的光存在较大的相位差，在输出单模光纤中将形成明显的双光束干涉效应，从而提高M-Z干涉传感器的灵敏度，并使M-Z干涉传感器更加紧凑，基于这种干涉效应可以确定微结构光纤所处待测环境下的温度。

参见图6，为本发明在不同温度下透射谱波长变化图。本实施例以微结构光纤长度为400μm、填充的液体为异丙醇的干涉结构为例。参见图7，为发明光波长随温度变化漂移图。图6中是通过追踪干涉极小值对应的波长随温度变化的大小来确定温度大小，就是选择干涉极小值点作为观测对象，不同温度下对应不同的干涉极小值波长，下面的线形图7可以很好体现干涉谱随温度变化的规律。从图7可以看出，y表示干涉极小值波长，x表示温度，并且y与x成正比关系，其中当温度呈现上升趋势时，y与x之间的关系可以为：y＝1452.09+3.55x，当温度呈现下降趋势时，y与x之间的关系可以为：y＝1448.84+3.64x。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (9)

1.一种高灵敏度紧凑M-Z干涉温度传感器，其特征在于，包括依次连接的输入单模光纤、微结构光纤和输出单模光纤，输入单模光纤和输出单模光纤分别偏置熔接在微结构光纤的两侧，所述微结构光纤置于待测环境下，所述输入单模光纤的纤芯分别与所述微结构光纤的纤芯以及填充有高热光系数介质的空气孔连接，以使所述输入单模光纤输出光的一部分通过所述微结构光纤的纤芯传输给所述输出单模光纤，另一部分光通过所述微结构光纤中填充有高热光系数介质的空气孔传输给所述输出单模光纤；

所述输出单模光纤将接收到的光传输给光谱分析仪进行光谱分析，从而根据光谱分析结果确定待测环境下的温度。

2.根据权利要求1所述的高灵敏度紧凑M-Z干涉温度传感器，其特征在于，所述输入单模光纤传输给所述微结构光纤中填充有高热光系数介质的空气孔的光量大于传输给所述微结构光纤中纤芯的光量。

3.根据权利要求1所述的高灵敏度紧凑M-Z干涉温度传感器，其特征在于，所述输入单模光纤和所述输出单模光纤对称设置在所述微结构光纤的两侧。

4.根据权利要求1所述的高灵敏度紧凑M-Z干涉温度传感器，其特征在于，所述微结构光纤表面还设置有与所述空气孔连通，并用于将所述高热光系数介质填充至所述空气孔的微型孔。

5.根据权利要求4所述的高灵敏度紧凑M-Z干涉温度传感器，其特征在于，所述微型孔上还设有密封结构。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的高灵敏度紧凑M-Z干涉温度传感器，其特征在于，所述高热光系数介质为异丙醇溶液或酒精溶液。

7.根据权利要求4所述的高灵敏度紧凑M-Z干涉温度传感器，其特征在于，所述输入单模光纤和输出单模光纤的纤芯直径为8.2μm，包层直径为125μm；微结构光纤纤芯直径：14μm，包层直径为125μm，空气孔直径范围为14μm-58μm，所述微型孔的直径为15μm，深度为35μm。

8.一种高灵敏度紧凑M-Z干涉温度传感器的制作方法，其特征在于，包括：

将输入单模光纤和输出单模光纤分别偏置熔接在微结构光纤的两侧，以使所述输入单模光纤的纤芯分别与微结构光纤的纤芯和对应空气孔连接；

在所述微结构光纤的表面上制成与所述对应空气孔中至少一个连通的微型孔；以及，向所述微型孔内填充高热光系数介质，以使所述高热光系数介质填充至对应空气孔内。

9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，在向所述微型孔内填充高热光系数介质之后，所述方法还包括：对所述微型孔进行密封处理。