CN108195486A - 一种基于金属镀膜的光纤悬臂梁温度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种基于金属镀膜的光纤悬臂梁温度传感器，属于光纤传感器技术领域。包括激光光源、光电探测器、光纤环形器、光纤、固支端、光纤悬臂梁、金属膜、法布里—珀罗腔和光纤端面；光纤悬臂梁位于光纤端面上，通过光纤端面边缘的固支端与光纤端面连接。光纤悬臂梁与光纤端面平行，构成法布里‑珀罗腔，形成光纤一体化结构。光纤悬臂梁外表面镀有金属膜，形成双膜结构。激光光源与光纤环形器端口A连接，光纤悬臂梁一体化结构与光纤环形器端口B连接，光电探测器与光纤环形器端口C连接。本发明利用金属膜受温度影响发生伸缩与光纤悬臂梁产生双膜热挠曲效应，使光纤悬臂梁产生热挠曲，导致法布里‑珀罗腔的腔长发生改变。由激光光源发出的光信号在法布里‑珀罗腔中反射，受法布里‑珀罗腔腔长调制，检测反射光信号即可检测温度。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种基于金属镀膜的光纤悬臂梁温度传感器。
背景技术
光纤温度传感器是目前最常用的温度传感器之一。光纤温度传感器的种类主要有光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器以及基于弯曲损耗的光纤温度传感器等。与传统的传感器相比，光纤传感器有很多优点，其主要优点为性能优、对象广、可兼容、易成网、成本低的优点。并且光纤是耐腐蚀的传输介质，其有灵敏度高，重量轻，体积小，外形可变，可绕等优点，有利于航空、航天以及狭窄空间的应用。光纤悬臂梁传感探头结合光纤传感器和悬臂梁的特点，使之具有光纤传感器的各种优点，如微型探头、易实现多点式分布检测、远距离检测、抗干扰、高精度、低功耗特性和全光传输等优点。
而光纤法布里-珀罗结构温度传感器是目前最常用的干涉型光纤温度传感器之一，通常由光纤端面与膜片构成法布里-珀罗腔，当温度改变时，法布里-珀罗腔发生变化，由激光光源发出的光信号在法布里-珀罗腔中发生改变，通过检测光信号来检测温度。该温度传感器可以实现微型化，在各种狭小空间内使用。并且有较高的精度。
现有的法布里-珀罗腔光纤温度传感器所采用的方式是在光纤端面腐蚀出一个凹槽，然后在光纤端面上结合一层基板，在基板上镀上一层膨胀系数较大的金属膜，利用金属膜在不同温度下发生形变使得双膜发生热挠曲，从而让光纤端面与双膜形成的法布里-珀罗腔的腔长产生变化，由激光光源发出的光信号在腔中发生改变，检测光信号即可检测温度。
这种温度传感器的缺点是法布里-珀罗腔为封闭腔，当传感器测量不同温度时腔内气体会因为温度改变而收缩或膨胀从而导致双金属膜的热挠曲变得更加剧烈，导致测量精度下降。
发明内容
为了解决上述技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于金属镀膜的光纤悬臂梁温度传感器，该温度传感器采用普通标准单模光纤和镀有金属膜的光纤悬臂梁，实现光纤一体化结构，缩减了传感器的体积，适用于狭小空间温度的测量；采用了光纤悬臂梁结构的法布里-珀罗腔，消除了封闭式法布里-珀罗腔中空气对传感器精度的干扰。
本发明采用的技术方案为：一种基于金属镀膜的光纤悬臂梁温度传感器，包括激光光源、光电探测器、光纤环形器、光纤、固支端、光纤悬臂梁、金属膜、法布里—珀罗腔和光纤端面；所述的光纤悬臂梁位于光纤端面上，由光纤端面边缘的固支端连接光纤悬臂梁与光纤端面，光纤悬臂梁与光纤端面平行，构成法布里—珀罗腔，形成光纤一体化结构；所述的光纤悬臂梁长度为90μm-110μm，宽为20μm-30μm，厚度为2μm-5μm。所述的固支端高度为5μm-10μm，厚度为3μm-4μm，固支端宽度与悬臂梁宽度一致；所述的激光光源与光纤环形器端口A连接，光纤一体化结构与光纤环形器端口B连接，光电探测器与光纤环形器端口C连接；所述的光纤悬臂梁外侧金属膜厚度为1μm-1.5μm。
本发明的有益效果是：
1.器件结构简单，光纤温度传感器体积小，满足传感器微型化要求，适用于狭小空间检测；
2.光纤悬臂梁与光纤端面形成法布里-珀罗腔，该法布里-珀罗腔为非封闭腔，消除了封闭式法布里-珀罗腔中气体随着温度的变化而膨胀使得膜片热挠曲加剧对传感器精度的干扰，其检测精度可达亚纳米精度，可有效提高传感探头的检测精度；
3.在光纤悬臂梁外表面镀有金属膜，光纤悬臂梁材质二氧化硅与金属膜膨胀系数相差较大，使得在较小温差下光纤悬臂梁可以产生较大的热挠曲，提高了对温度的检测精度。
附图说明
下面结合附图及具体方式对本发明作进一步说明。
图1为本发明一种基于金属镀膜的光纤悬臂梁温度传感器的正视图；
图2为本发明一种基于金属镀膜的光纤悬臂梁温度传感器的俯视图；
图3为本发明一种基于金属镀膜的光纤悬臂梁温度传感器的检测原理图；
图1-3中： 1为激光光源、2为光电探测器、3为光纤环形器、4为光纤、5为光纤端面、6为法布里—珀罗腔、7为光纤悬臂梁、8为腔固支端、9为金属膜。
具体实施方式
图1-3中，一种基于金属镀膜的光纤悬臂梁温度传感器，包括激光光源1、光电探测器2、光纤环形器3、光纤4、光纤端面5、法布里—珀罗腔6、光纤悬臂梁7、固支端8、金属膜9；所述的光纤悬臂梁7位于光纤端面5 上，通过光纤端面5边缘的固支端8与光纤端面5连接，光纤悬臂梁7与光纤端面5构成法布里-珀罗腔6，形成光纤一体化结构；所述光纤悬臂梁7长度为90μm-110μm，悬臂梁宽为20μm-30μm，悬臂梁厚度为2μm-5μm所述的光纤悬臂梁7采用光学微加工工艺制作，优选工艺为飞秒激光工艺；所述的金属膜9镀于光纤悬臂梁7的外表面，厚度为1μm-1.5μm；所述的金属膜9采用化学气相沉积法镀膜；所述的固支端8高度为5μm-15μm，厚度为3μm-4μm，固支端8宽度与光纤悬臂梁7宽度一致；所述的激光光源1与光纤环形器3端口A连接，光纤一体化结构与光纤环形器3端口B连接，光电探测器2与光纤环形器3端口C连接。
本发明检测温度的基本原理为：在待测环境中，金属膜受温度影响发生伸缩，与光纤悬臂梁产生双膜热挠曲效应，使光纤悬臂梁发生热挠曲，法布里-珀罗腔的腔长发生相应改变，由激光光源发出的光信号经过耦合进入光纤，入射到法布里-珀罗腔中，在法布里-珀罗腔中反射后由光电探测器接收。待测环境的温度越高，光纤悬臂梁产生的热挠曲程度越大，法布里-珀罗腔的腔长变化越大，因此光电探测器接收到的光信号也发生相应变化。通过对光电探测器接收到的输出光信号进行信号调解即可得到待测环境温度的大小。
Claims (4)
1.一种基于金属镀膜的光纤悬臂梁温度传感器，包括：激光光源、光电探测器、光纤环形器、光纤、固支端、光纤悬臂梁、金属膜、法布里—珀罗腔和光纤端面；所述的光纤悬臂梁位于光纤端面上，由光纤端面边缘的固支端连接；光纤悬臂梁与光纤端面平行，构成法布里—珀罗腔，形成光纤一体化结构；所述的光纤悬臂梁采用光学微加工工艺制作，优选工艺为飞秒激光工艺；所述的光纤悬臂梁外侧镀有金属膜，形成双膜结构；所述的金属膜采用化学气相沉积法镀膜；所述的激光光源、光电探测器与光纤一体化结构通过光纤环形器连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于金属镀膜的光纤悬臂梁温度传感器，其特征在于：所述的光纤悬臂梁长度为90μm-110μm，宽度为20μm-30μm，厚度为2μm-5μm；固支端高度为5μm-10μm，厚度为3μm-4μm，宽度与光纤悬臂梁宽度相同。
3.根据权利要求1所述的一种基于金属镀膜的光纤悬臂梁温度传感器，其特征在于：所述的金属膜可选用铝、银、锌等，金属膜厚度为1μm-1.5μm。
4.根据权利要求1所述的一种基于金属镀膜的光纤悬臂梁温度传感器，其特征在于：所述的激光光源与光纤环形器端口A连接，光纤一体化结构与光纤环形器端口B连接，光电探测器与光纤环形器端口C连接。
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