CN108267241A - 一种基于混合型双花生结的高灵敏度光纤温度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种基于混合型双花生结的高灵敏度光纤温度传感器，该光纤传感器包括宽带光源和混合型双花生结传感单元，宽带光源和混合型双花生结传感单元间隙设置，混合型双花生结传感单元的后方设置有光谱仪，宽带光源、混合型双花生结传感单元和光谱分析仪通过光纤熔接的方式依次相互连接。混合型双花生结传感单元包括单模光纤入射端、第一个花生结、稀土光纤、第二个花生结和单模光纤出射端。第一个花生结包括第一单模光纤微球和第一稀土光纤微球，第二个花生结包括第二稀土光纤微球和第二单模光纤微球。该光纤传感器具有体积小、制造简单、紧凑性高等特点，利用稀土光纤的高热光效应，能有效提高传感器对温度的灵敏度，实现高灵敏度温度传感。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于混合型双花生结的高灵敏度光纤温度传感器，可用于光纤传感技术领域。
背景技术
光纤传感器以光波为载体，光纤为媒质实现被测信号的传输与感知，与传统的传感器相比，光纤传感器具有信息容量大、抗电磁干扰、抗腐蚀、结构简单、体积小等特。光纤传感器的应用范围已渗透至国防军事、土木工程、能源环保、医学健康等各个领域，能够实现对温度、应力、振动、电磁场等众多物理量的测量。
当前应用于温度测试的光纤传感器主要有光纤光栅传感器、光子晶体光纤传感器、错位结构光纤传感等，但是这些传感器在实际应用中还需考虑许多因素，如：传感器的制作成本，使用的寿命长短，灵敏度低等问题。基于光纤马赫泽德干涉结构级联布拉格光纤光栅的光纤温度传感器对光纤光栅刻写技术有较高的要求；光子晶体光纤传感器制作成本较高，结构相对复杂，并且重复性有待提高。2012年，重庆大学提出采用标准通信用单模光纤制备花生结光纤温度传感器，其灵敏度最高只能到0.047nm/℃；2015年，中国计量学院利用错位熔接法和标准通信用单模光纤制备获得的级联花生结光纤传感器实现了0.057nm/℃温度灵敏度；2017年，天津理工大学提出基于多模光纤和标准通信用单模光纤构造双花生结光纤传感器，灵敏度为0.06nm/℃。
目前，光纤温度传感器的灵敏度还有待提高。研究并实现一种高灵敏度、低成本、体积小，重复性高，紧凑性高，易实现的光纤传感器在目前仍然具有较高的研究与应用价值。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种基于混合型双花生结的高灵敏度光纤温度传感器。
本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种基于混合型双花生结的高灵敏度光纤温度传感器，包括宽带光源和混合型双花生结传感单元，所述宽带光源和混合型双花生结传感单元间隙设置，所述混合型双花生结传感单元的后方设置有光谱仪，所述宽带光源、混合型双花生结传感单元和光谱分析仪通过光纤熔接的方式依次相互连接，所述混合型双花生结传感单元包括单模光纤入射端、第一个花生结、稀土光纤、第二个花生结和单模光纤出射端。
优选地，所述第一个花生结包括第一单模光纤微球和第一稀土光纤微球，所述第二个花生结包括第二稀土光纤微球和第二单模光纤微球。
优选地，所述第一单模光纤微球、第一稀土光纤微球、第二稀土光纤微球、第二单模光纤微球均由加热熔融光纤尾纤制备获得。
优选地，所述第一个花生结将光纤纤芯里的一部分光激发到光纤包层中，形成多阶包层模式，另一部分仍在纤芯中传输，纤芯里的基模与包层里的各阶包层模式经过第二个花生结时，包层模式被耦合到纤芯与原有的纤芯模式发生干涉。
优选地，所述宽带光源的光经过单模光纤入射端后，在第一个花生结处，由于芯径的不匹配，部分光注入包层，并激发出高阶包层模在包层中传输，两部分光经过一定距离传输，产生相位差，在第二个花生结处，包层模耦合进纤芯，在纤芯里与纤芯模产生干涉，干涉光通过单模光纤出射端连接到光谱仪上。
优选地，纤芯模式和包层模式在花生结结构中干涉后的光强为：
在包层中形成的多阶包层光模式进行干涉，不同阶数的包层模式对应不同的有效折射率，Icore和Iclad分别为花生结干涉光路中的纤芯模式和m阶包层模式光场强度，二者的相位差为：
λ0为中心波长，和分别为纤芯模式和m阶包层模式的有效折射率，Δneff为二者的有效折射率差，L为两个花生结熔接点之间的距离，即双花生结结构干涉仪的长度；
当N＝1，2，3，…时，干涉光谱处于波谷，波长为：
干涉光谱波长漂移量为：
其中δ是光纤的热光系数，k是光纤的热膨胀系数。
本发明技术方案的优点主要体现在：本发明利用标准通信单模光纤和稀土掺杂光纤熔融法制备混合型双花生结，具有灵敏度高、全光纤耦合、体积小、制作简单、成本低、重复性高、结构紧凑等特点。本发明的混合型双花生结利用稀土掺杂光纤更大的热膨胀系数和热光系数特性，提高了光纤花生结中形成的干涉谱对外界环境温度的敏感性，提高了其温度传感灵敏度。本发明所有器件均采用全光纤耦合方式，结构紧凑稳定、抗电磁干扰能力较强，在环境监测、电网维护、油田检测等恶劣温度测试环境都具有较高的应用价值。
附图说明
图1为本发明的一种基于混合型双花生结的高灵敏度光纤温度传感器的组成结构示意图。
图2为本发明的混合型双花生结传感单元工作示意图。
图3为本发明的一种基于混合型双花生结的高灵敏度光纤温度传感器测试获得的光谱随温度升高，波长发生漂移的实验结果图。
具体实施方式
本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
本发明揭示了一种基于混合型双花生结的高灵敏度光纤温度传感器，如图1，一种基于混合型双花生结的高灵敏度光纤温度传感器，包括宽带光源1和混合型双花生结传感单元2，所述宽带光源1和混合型双花生结传感单元2间隙设置，混合型双花生结传感单元2的后方设置有光谱仪3，所述宽带光源1、混合型双花生结传感单元2和光谱分析仪3通过光纤熔接的方式依次相互连接。
如图2和图3所示，所述混合型双花生结传感单元2包括单模光纤入射端21、第一个花生结22、稀土光纤23、第二个花生结24和单模光纤出射端25，所述第一个花生结22包括第一单模光纤微球221和第一稀土光纤微球222，所述第二个花生结24包括第二稀土光纤微球241和第二单模光纤微球242。
所述第一单模光纤微球221、第一稀土光纤微球222、第二稀土光纤微球241、第二单模光纤微球242均由加热熔融光纤尾纤制备获得。将单模光纤微球和稀土光纤微球通过光纤熔接的方式连接制成花生结，两个花生结之间通过光纤熔接的方式相互连接，具体地，先把单模光纤入射端21和单模光纤出射端25的尾纤熔成小球，再把稀土光纤23的两端都熔成小球，最后把单模光纤入射端21尾端的小球和稀土光纤23一端的小球熔接在一起成为第一个花生结22，把单模光纤出射端25尾端的小球和稀土光纤23另一端的小球熔接在一起成为第二个花生结24。混合型双花生结结构由标准单模光纤和稀土光纤熔接制作而成，具有灵敏度高、全光纤耦合、体积小、制作简单、成本低、重复性高和结构紧凑等特点。利用稀土光纤更大的热膨胀系数和热光系数，能有效提高混合型双花生结结构的干涉谱对温度的灵敏度，实现高灵敏度传感。
所述第一个花生结22将光纤纤芯里的一部分光激发到光纤包层中，形成多阶包层模式，另一部分仍在纤芯中传输，纤芯里的基模与包层里的各阶包层模式经过第二个花生结24时，包层模式被耦合到纤芯与原有的纤芯模式发生干涉。所述宽带光源的光经过单模光纤入射端21后，在第一个花生结22处，由于芯径的不匹配，部分光注入包层，并激发出高阶包层模在包层中传输，两部分光经过一定距离传输，产生相位差，在第二个花生结24处，包层模耦合进纤芯，在纤芯里与纤芯模产生干涉，干涉光通过单模光纤出射端连接到光谱仪3上，将混合型双花生结置于温变环境中或者接触温度变化被测物，其干涉谱随温度的增大，向长波长方向移动，可以通过波长的变化解调出被测温度的变化，以较高的高灵敏度感知被测温度的变化。
纤芯模式和包层模式在花生结结构中干涉后的光强为：
在包层中形成的多阶包层光模式进行干涉，不同阶数的包层模式对应不同的有效折射率，Icore和Iclad分别为花生结干涉光路中的纤芯模式和m阶包层模式光场强度，二者的相位差为：
λ0为中心波长，和分别为纤芯模式和m阶包层模式的有效折射率，Δneff为二者的有效折射率差，L为两个花生结熔接点之间的距离，即双花生结结构干涉仪的长度；
当N＝1，2，3，…时，干涉光谱处于波谷，波长为：
干涉光谱波长漂移量为：
其中δ是光纤的热光系数，k是光纤的热膨胀系数。
从上式可以看出，本发明采用稀土光纤和单模光纤熔融连接构成双花生结传感单元，由于稀土光纤具有更大的(相比于普通标准通信用石英光纤)热膨胀系数和热光系数，在相同温度变化条件下将产生更大的波长漂移，有效地提高了传感器对温度的灵敏度，实现高灵敏度传感。
图3为一种基于混合型双花生结的高灵敏度光纤温度传感器测试获得的光谱随温度升高，波长发生漂移的实验结果图，其中横坐标为波长，纵坐标为透射光功率。由图3可以看出，随着温度的增大，双花生结传感单元干涉谱向长波长移动，其波长随温度变化的灵敏度可达0.268nm/℃,相较于普通双花生结传感单元的灵敏度0.05nm/℃，提高了5.4倍。
本发明针对现有光纤温度传感器的制作成本高、制作工艺复杂、紧凑性低、灵敏度有待改进等缺点，提出了一种基于混合型双花生结的高灵敏度光纤温度传感器，该光纤传感器具有体积小、制造简单、低成本、紧凑性高等特点，并且利用稀土掺杂光纤大热膨胀系数和热光系数特性，提高了光纤花生结中形成的干涉谱对外界环境温度的敏感性，提高了其温度传感灵敏度。
本发明所有器件均采用全光纤耦合方式，结构紧凑稳定、抗电磁干扰能力较强，在环境监测、电网维护、油田检测等恶劣温度测试环境都具有较高的应用价值。
本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于混合型双花生结的高灵敏度光纤温度传感器，其特征在于：包括宽带光源(1)和混合型双花生结传感单元(2)，所述宽带光源(1)和混合型双花生结传感单元(2)间隙设置，混合型双花生结传感单元(2)的后方设置有光谱仪(3)，所述宽带光源(1)、混合型双花生结传感单元(2)和光谱分析仪(3)通过光纤熔接的方式依次相互连接，所述混合型双花生结传感单元(2)包括单模光纤入射端(21)、第一个花生结(22)、稀土光纤(23)、第二个花生结(24)和单模光纤出射端(25)。
2.根据权利要求1所述的一种基于混合型双花生结的高灵敏度光纤温度传感器，其特征在于：所述第一个花生结(22)包括第一单模光纤微球(221)和第一稀土光纤微球(222)，所述第二个花生结(24)包括第二稀土光纤微球(241)和第二单模光纤微球(242)。
3.根据权利要求2所述的一种基于混合型双花生结的高灵敏度光纤温度传感器，其特征在于：所述第一单模光纤微球(221)、第二单模光纤微球(242)、第一稀土光纤微球(222)和第二稀土光纤微球(241)均由加热熔融稀土光纤尾纤制备获得。
4.根据权利要求1所述的一种基于混合型双花生结的高灵敏度光纤温度传感器，其特征在于：所述第一个花生结(22)将光纤纤芯里的一部分光激发到光纤包层中，形成多阶包层模式，另一部分仍在纤芯中传输，纤芯里的基模与包层里的各阶包层模式经过第二个花生结(24)时，包层模式被耦合到纤芯与原有的纤芯模式发生干涉。
5.根据权利要求4所述的一种基于混合型双花生结的高灵敏度光纤温度传感器，其特征在于：所述宽带光源的光经过单模光纤入射端(21)后，在第一个花生结(22)处，由于芯径的不匹配，部分光注入包层，并激发出高阶包层模在包层中传输，两部分光经过一定距离传输，产生相位差，在第二个花生结(24)处，包层模耦合进纤芯，在纤芯里与纤芯模产生干涉，干涉光通过单模光纤出射端连接到光谱仪(3)上。
6.根据权利要求4所述的一种基于混合型双花生结的高灵敏度光纤温度传感器，其特征在于：纤芯模式和包层模式在花生结结构中干涉后的光强为：
在包层中形成的多阶包层光模式进行干涉，不同阶数的包层模式对应不同的有效折射率，Icore和Iclad分别为花生结干涉光路中的纤芯模式和m阶包层模式光场强度，二者的相位差为：
λ0为中心波长，和分别为纤芯模式和m阶包层模式的有效折射率，Δneff为二者的有效折射率差，L为两个花生结熔接点之间的距离，即双花生结结构干涉仪的长度；
当N＝1，2，3，…时，干涉光谱处于波谷，波长为：
干涉光谱随温度变化的波长漂移量为：
其中δ是光纤的热光系数，k是光纤的热膨胀系数。
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| 史伟;付士杰;房强;盛泉;张海伟;白晓磊;史冠男;李锦辉;姚建铨;: "基于稀土掺杂石英光纤的单频光纤激光器", 红外与激光工程, no. 10 * |
| 高平安;荣强周;孙浩;忽满利;: "纤芯失配熔接的高灵敏度光纤折射率传感器", 应用光学, no. 03 * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112050966A (zh) * | 2019-06-06 | 2020-12-08 | 武汉工程大学 | 一种基于混合级联结构的光纤传感器及制备方法 |
| CN111665220A (zh) * | 2020-07-16 | 2020-09-15 | 哈尔滨理工大学 | 一种基于花生结构的无温度干扰m-z型折射率传感器 |
| CN113687551A (zh) * | 2021-09-07 | 2021-11-23 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于相变材料Ge2Sb2Te5的马赫曾德尔干涉非易失性多级光开关及其制备方法 |
| CN113687551B (zh) * | 2021-09-07 | 2023-12-12 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于相变材料Ge2Sb2Te5的马赫曾德尔干涉非易失性多级光开关及其制备方法 |
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