CN108279079A - 一种基于无芯光纤径向大错位结构涂覆聚二甲基硅氧烷的点式温度传感装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光纤传感技术领域，提供了一种基于无芯光纤径向大错位结构涂覆聚二甲基硅氧烷的点式温度传感装置。包括宽带光源、传感单元、光谱仪，宽带光源通过入射单模光纤与传感单元一端连接，光谱仪通过出射单模光纤与传感单元另一端连接；其特征在于，所述传感单元是将入射单模光纤和出射单模光纤的一端制成无芯光纤结构，令无芯光纤端进行同轴向大错位熔接形成的结构，其包括顺次连接的入射无芯光纤、错位无芯光纤和出射无芯光纤；传感单元表面涂覆聚二甲基硅氧烷。本发明结构紧凑，在高温度灵敏度、窄测量范围的单点温度测量场合具有很大的应用潜力。

Description

一种基于无芯光纤径向大错位结构涂覆聚二甲基硅氧烷的点 式温度传感装置
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于无芯光纤径向大错位结构涂覆聚二甲基硅氧烷的点式温度传感装置。
背景技术
光纤温度传感器凭借其体积小、重量轻、抗电磁干扰、耐腐蚀的优良特性逐渐获得广泛的认可。光纤温度传感器可分为点式和分布式，本发明只用于单点温度测量，故不对光纤分布式温度传感器进行介绍。
目前常见的光纤点式温度传感器主要可分为两类：一类是通过光纤本身材料的热光效应或热膨胀效应来进行传感测温，另一类是通过对光纤进行填充或涂覆具有热光效应或热膨胀效应的材料来进行测温。
第一类是最早出现的光纤点式温度传感器，其又包括光栅类、光纤干涉仪类。利用布拉格光纤光栅和长周期光纤光栅的热膨胀效应改变光栅周期来进行温度测量，通常温度灵敏度不到0.2nm/℃；光纤干涉仪主要通过热光效应或热膨胀效应改变干涉的光程差，最终造成干涉谐振谷的移动：普通的光纤马赫-曾德尔干涉仪结构，例如单模多模单模或多模单模多模结构尽管结构稳定，但温度灵敏也都不会超过0.1nm/℃；光纤萨格纳克干涉仪光纤同样是利用热光效应改变光纤的双折射性质；光纤法布里-珀罗干涉仪主要用于大温度尺度和高温，其解调方法不是波长解调，因此灵敏度计算标准也不是波长灵敏度。总而言之，传统的光纤点式温度传感器温度灵敏度太低。
另一类光纤点式温度传感器本质上是在传统光纤点式温度传感器的基础上发展起来的。通过在布拉格光纤光栅和长周期光纤光栅外表面涂覆聚二甲基硅氧烷，可以利用涂覆材料更高的热膨胀系数，从而增强光栅的温度灵敏度，达到至少4倍；对于光纤马赫-曾德尔干涉仪也一样，利用具有包层具有高热光系数的多模光纤可实现高达-3.195nm/℃的温度灵敏度；而在普通的光纤法布里-珀罗干涉仪端面涂覆聚二甲基硅氧烷从而改变反射光的强度，进而影响干涉谷的强度；通过在边孔光纤中填充酒精，可以改变边孔光纤的双折射系数，进而实现更高灵敏度的温度测量。总之，这类新型的光纤点式温度传感器丰富了光纤温度传感器的类型，是目前的发展方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构紧凑、具有高温度灵敏度和窄测量范围的基于无芯光纤径向大错位结构涂覆聚二甲基硅氧烷的点式温度传感装置。为了达到上述目的，本发明提出在无芯光纤径向大错位结构上涂覆聚二甲基硅氧烷，无芯光纤径向大错位结构对外界折射率变化及其敏感，通过涂覆聚二甲基硅氧烷的高热光系数，间接提高无芯光纤径向大错位结构的温度灵敏度，并且外界折射率的变化被涂覆的聚二甲基硅氧烷隔离，保证该装置没有温度折射率交叉敏感问题。
本发明的具体技术方案为：
一种基于无芯光纤径向大错位结构涂覆聚二甲基硅氧烷的点式温度传感装置，包括宽带光源、传感单元、光谱仪，宽带光源通过入射单模光纤与传感单元一端连接，光谱仪通过出射单模光纤与传感单元另一端连接；所述传感单元是将入射单模光纤和出射单模光纤的一端制成无芯光纤结构，令无芯光纤端进行同轴向大错位熔接形成的结构，其包括顺次连接的入射无芯光纤、错位无芯光纤和出射无芯光纤；传感单元表面涂覆聚二甲基硅氧烷。
上述传感单元中的入射无芯光纤与错位无芯光纤的错位量和错位无芯光纤与出射无芯光纤的错位量相同，错位量为40～80μm。
上述传感单元表面涂覆聚二甲基硅氧烷，全覆盖所述传感单元中的无芯结构，并通过加热至100℃保持35min以上使其完全固化。
上述宽带光源的光谱范围为1525nm-1610nm的放大自发辐射宽带光源。
上述方案中，所述的光纤点式温度传感器，当光从带有径向大错位并涂覆聚二甲基硅氧烷的无芯光纤的一端进入后，由于入射无芯光纤与错位无芯光纤的熔接截面(即径向大错位)的存在，致使一部分光在光纤结构外传播，即在涂覆的聚二甲基硅氧烷中传播，而另一部分光仍然在错位无芯光纤中传播，因此，其起到了分束器的作用；同理这两部分光传播到出射无芯光纤与出射单模光纤的熔接截面(即另一个径向大错位)时，两部分光都会有部分光重新回到出射无芯光纤中，其可以作为合束器，这样就形成了光纤马赫-曾德尔干涉仪。
当外界温度变化时，聚二甲基硅氧烷的热光效应会改变在其中传播中的光的光程，由于光纤的热光系数相对于聚二甲基硅氧烷太小，因此可以忽略。故外界温度变化引起m级干涉条纹波谷(或波峰)的波长漂移量Δλm与外界温度变化ΔT的比值可以表示为
式中ε代表聚二甲基硅氧烷的热光系数，λm代表温度变化前m级干涉条纹波谷(或波峰)所处的波长值，T为温度的初始值，nco为在错位段无芯光纤中传播的光的有效折射率，nPDMS为在聚二甲基硅氧烷中传播的光的有效折射率。因此，通过检测温度引起干涉条纹波谷(或波峰)的波长漂移变化Δλm，就可以实现外界温度的传感。并且由式(1)可知，该结构的温度灵敏度为负值，并且由于聚二甲基硅氧烷的折射率相对于空气或水拥有更高的折射率，更加接近与无芯光纤的折射率，所以该结构的温度灵敏度将会很高。
此外，聚二甲基硅氧烷是常用的生物相容性好的微流控芯片材料，在本发明的传感单元区域直接制作微流控芯片，可在生化温度测量领域实现最佳应用。
本发明具有以下优点：
1.该结构紧凑小巧，只需要利用普通的光纤切割熔接和简单的聚二甲基硅氧烷封装，就能完成该探头的制作。
2.利用聚二甲基硅氧烷的高折射率可以获得极高的温度灵敏度。
3.本发明中外界折射率的变化被涂覆的聚二甲基硅氧烷隔离，保证该装置没有温度折射率交叉敏感问题。
附图说明
图1为本发明的示意简图；
图2为本发明的传感单元的结构示意简图；
图3为本发明在23.21℃-24.09℃温度范围内，传输谱线与温度变化之间的关系；
图4为上述图3中左边波谷的透射损耗与温度变化的关系；
图5为上述图3中右边波谷的透射损耗与温度变化的关系；
图中：1宽带光源；2传感单元；3光谱仪；4出射单模光纤；5温控箱；6入射单模光纤；7入射无芯光纤；8错位无芯光纤；9出射无芯光纤；10出射单模光纤包层；11出射单模光纤纤芯；12出射无芯光纤与出射单模光纤的熔接截面；13错位无芯光纤与出射无芯光纤的熔接截面；14入射无芯光纤与错位无芯光纤的熔接截面；15入射单模光纤与入射无芯光纤的熔接截面；16入射单模光纤纤芯；17入射单模光纤包层；18涂覆的聚二甲基硅氧烷。
具体实施方式
在图1所示的基于无芯光纤径向大错位结构涂覆聚二甲基硅氧烷的点式温度传感装置示意图中，传感单元2的一端通过入射单模光纤6与宽带光源1相连接，传感单元2的另一端则通过出射单模光纤4与光谱仪3相连接，传感单元4被放置于温控箱5中，温控箱5可以实时控制并显示其箱中的温度，当温度保持不变时，从光谱仪3中记录相应温度下的透射光谱，如图3所示。
如图2所示，本发明的传感单元2的制作需要进行固定长度光纤切割、光纤同轴熔接、光纤径向大错位熔接和涂覆聚二甲基硅氧烷的操作。固定长度光纤切割需要配合使用光纤切割刀以及一维位移平台，切割光纤前必须先去除相应光纤的涂覆层，然后使用蘸有无水乙醇的擦镜纸将光纤擦拭干净，最后才能进行切割；本发明中入射无芯光纤7、错位无芯光纤8与出射无芯光纤9的长度分别为2000μm、800μm、2000μm。进行光纤同轴熔接时，采用古河Fitel S178型熔接机，使用单模光纤与多模光纤的程序进行自动熔接；进行光纤径向大错位熔接，使用该型熔接机的错位熔接程序并进行手动熔接，使用手动熔接时，必须尽可能对准光纤，然后只在一个径向方向进行错位偏移；本发明中入射无芯光纤7与错位无芯光纤8和错位无芯光纤8与出射无芯光纤9的错位偏移方向都是同一方向，最终熔接后保证入射无芯光纤7和出射无芯光纤9保持同轴，且错位量均为60μm。涂覆用的聚二甲基硅氧烷选自Dow Corning的Sylgard 184，涂覆前必须保持光纤结构干净，涂覆后加热至100℃保持35min使其完全固化，需要注意的是，具体的固化温度和固化时间详见所用聚二甲基硅氧烷的产品手册。
如图3所示本发明在23.21℃-24.09℃温度范围内传输光谱与温度变化之间的关系，传传输光谱中出现了明显的干涉现象；由图4可知左边波谷的温度灵敏度为10.45nm/℃，由图5可知右边波谷的温度灵敏度为9.63nm/℃，可以看出本发明的传感装置对温度十分敏感。当运用到具体检测环境温度时，通过从光谱仪中提取波谷的漂移量，即可获得温度的变化值。

Claims (5)

1.一种基于无芯光纤径向大错位结构涂覆聚二甲基硅氧烷的点式温度传感装置，包括宽带光源、传感单元、光谱仪，宽带光源通过入射单模光纤与传感单元一端连接，光谱仪通过出射单模光纤与传感单元另一端连接；其特征在于，所述传感单元是将入射单模光纤和出射单模光纤的一端制成无芯光纤结构，令无芯光纤端进行同轴向大错位熔接形成的结构，其包括顺次连接的入射无芯光纤、错位无芯光纤和出射无芯光纤；传感单元表面涂覆聚二甲基硅氧烷。
2.根据权利要求1所述的基于无芯光纤径向大错位结构涂覆聚二甲基硅氧烷的点式温度传感装置，其特征在于，传感单元中的入射无芯光纤与错位无芯光纤的错位量和错位无芯光纤与出射无芯光纤的错位量相同，错位量为40～80μm。
3.根据权利要求1或2所述的基于无芯光纤径向大错位结构涂覆聚二甲基硅氧烷的点式温度传感装置，其特征在于：所述传感单元表面涂覆聚二甲基硅氧烷，全覆盖所述传感单元中的无芯结构，并通过加热至100℃保持35min以上使其完全固化。
4.根据权利要求1或2所述的基于无芯光纤径向大错位结构涂覆聚二甲基硅氧烷的点式温度传感装置，其特征在于：所述宽带光源的光谱范围为1525nm-1610nm的放大自发辐射宽带光源。
5.根据权利要求3所述的基于无芯光纤径向大错位结构涂覆聚二甲基硅氧烷的点式温度传感装置，其特征在于：所述宽带光源的光谱范围为1525nm-1610nm的放大自发辐射宽带光源。
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