CN108534911B - 一种基于d型光纤与微球耦合的温度传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于D型光纤与微球耦合的温度传感器及其制作方法，所述传感器包括宽带光源、第一连接光纤、D型光纤、微球、第二连接光纤和光谱分析仪；所述宽带光源、所述第一连接光纤、所述D型光纤、所述第二连接光纤和所述光谱分析仪依次连接，所述微球与所述D型光纤接触；所述D型光纤是通过将光纤沿轴向切除包层形成截面为D型抛磨面的光纤结构，所述微球与所述D型抛磨面的平坦区域接触。本发明提供的温度传感器，采用D型光纤作为外部耦合器件来激发WGM，D型结构比较稳定，更容易引出倏逝波，将光耦合到微球中，形成WGM共振，当微球周围相对温度变化时，引起WGM频谱偏移，从而实现对周围温度的检测。

Description

一种基于D型光纤与微球耦合的温度传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于D型光纤与微球耦合的温度传感器及其制作方法。

背景技术

光纤测温是20世纪70年代发展起来的一门新兴测温技术，与传统的温度传感器相比，光纤温度传感器具有动态范围大、灵敏度高、响应快、抗电磁干扰强、易被各种光探测器件接收，可方便地进行光电或电光转换，易于高度发展的现代电子装置和计算机相匹配，是一种低损耗传输线。光纤本身不带电、体积小、质量轻、易弯曲、抗辐射性能好，特别适合在易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用，因而受到了广泛的重视。目前光纤温度传感器的研究分为传光型和传感型，其调制方式可以是强度调制、相位调制、频率调制和波长调制，根据调制原理有相干型和非相干型。

公告号为CN103175628B的中国专利公开了一种光纤温度传感器，包括宽带光源、第一单模光纤、第二单模光纤及多芯光纤，所述宽带光源依次通过所述第一单模光纤、多芯光纤与第二单模光纤连接，所述第一单模光纤、第二单模光纤与所述多芯光纤的连接处均为电弧放电而形成的坍塌结构。

公告号为CN103335741B的中国专利公开了一种基于石墨烯的光纤温度传感器及其制作方法，所述传感器是在一段圆形普通光纤上，其中一段长度为1~3cm的区域设为光纤传感区，光纤传感区的部分包层被去除，光纤包层与纤芯界面的最短距离为1~3μm，在光纤传感区上沉积了还原氧化石墨烯薄膜，还原氧化石墨烯薄膜的厚度为10~30μm。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明第一方面提供了一种基于D型光纤与微球耦合的温度传感器，所述传感器包括宽带光源、第一连接光纤、D型光纤、微球、第二连接光纤和光谱分析仪；所述宽带光源、所述第一连接光纤、所述D型光纤、所述第二连接光纤和所述光谱分析仪依次连接，所述微球与所述D型光纤接触。

其中，所述D型光纤是通过将光纤沿轴向切除包层形成截面为D型抛磨面的光纤结构，所述微球与所述D型抛磨面的平坦区域接触。

其中，所述D型光纤中，D型抛磨面与纤芯的最短垂直距离为0~2μm。

其中，所述微球的直径为100~200μm。

优选地，所述微球的直径为110μm, 130μm, 150μm, 170μm，190μm。

其中，所述第一连接光纤和所述第二连接光纤为单模光纤。

其中，所述D型光纤为单模光纤。

其中，所述微球为单模光纤。

其中，所述微球通过电弧在光纤剥离涂覆层的切割端连续放电，使光纤尖端呈球形制备得到。

本发明第二方面提供了一种基于D型光纤与微球耦合的温度传感器的制作方法，包括以下步骤：

A、首先在单模光纤中间位置沿轴向切除包层形成截面为D型抛磨面的光纤结构，制备得到D型光纤，所述D型光纤两端分别为第一连接光纤和第二连接光纤，在单模光纤剥离涂覆层的切割端通过电弧连续放电，使光纤尖端呈球形制备得到微球；

B、再将所述D型光纤悬空固定在载玻片表面，在所述D型抛磨面平坦区域放置所述微球，通过定位台控制所述D型光纤抛磨面平坦区域与所述微球接触，直到在D型光纤的透射光谱中清楚观察到光学回音壁共振，以达到最大的光耦合效率；

C、最后将所述第一连接光纤与宽带光源连接，所述第二连接光纤与光谱分析仪连接，使所述宽带光源发出的光依次通过所述第一连接光纤、与所述微球接触的所述D型光纤和所述第二连接光纤，入射到所述光谱分析仪上。

其中，所述D型光纤中，D型抛磨面与纤芯的最短垂直距离为0~2μm。

倏逝波是指当一束光从光密介质入射到光疏介质时，在满足全反射的条件下，光能全部返回到光密介质中，但入射光在光疏介质中产生的电磁波并不完全消失，而是要穿透一个波长的深度，再沿着界面继续传播大约有半个波长的距离再返回光密介质，我们称进入光疏介质的波为倏逝波（消逝波或衰逝波）。

回音壁模式（以下简称WGM）指的是特定波长（一系列）的光在环形腔，或者类环形腔（比如多边形）内，在闭合腔体的边界内，通过边界连续的全反射，将光子长时间的局域在腔内保持稳定的行波传输模式。几种比较常见的玻璃材料的回音壁模式微腔包括微球腔(Microsphere)，微盘腔(Microdisk)和微环芯腔(Microtoroid)。

本发明的有益效果：

本发明提供的D型光纤与微球耦合的温度传感器，微球与D型光纤接触，微球作为一种独特的WGM微腔，能够以超高品质因子Q因素来承载谐振模式，当微球周围的温度发生变化时，微球的直径和折射率也随之变化，导致WGM微腔共振频谱的位置变化显著，从而实现对温度的检测。本发明采用微球作为WGM微腔，由于微球与D型光纤的纤芯很近，D型光纤抛磨面表面的倏逝波更容易耦合到微球中来，形成WGM共振，通过透射谱可以观测到WGM共振峰。利用微球的超高品质因子Q，当微球所在的外部环境温度发生变化时，微球的直径也随之变化，从而引起WGM的频谱偏移，通过光谱分析仪在D型光纤输出处观察到相应的透射谱，实现对周围温度的高灵敏度检测。

本发明提供的温度传感器，取材方便，价格低廉，采用D型光纤作为外部耦合器件来激发WGM，D型结构比较稳定，更容易引出倏逝波，将光耦合到微球中，形成WGM共振，当微球周围相对温度变化时，引起WGM频谱偏移，从而实现对周围温度的检测。相比其他温度传感器，本发明提供的温度传感器对周围温度的变化非常敏感，结构简单且稳定，成本低，在光纤温度传感领域具有巨大的应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对应本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的温度传感器的整体结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的温度传感器中D型光纤与普通光纤耦合的结构示意图；

图3为本发明实施例2~5提供的温度传感器中D型光纤与普通光纤耦合的结构示意图；

图中附图标记所对应的名称为：1- 宽带光源，2-第一连接光纤，3-D型光纤，301-包层，302-纤芯，303-D型抛磨面，4-微球，5-第二连接光纤，6-光谱分析仪，7-载玻片。

具体实施方式

以下是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

实施例1

本发明提供了一种基于D型光纤与微球耦合的温度传感器，如图1和图2所示，所述传感器包括宽带光源1、第一连接光纤2、D型光纤3、微球4、第二连接光纤5和光谱分析仪6；所述宽带光源1、所述第一连接光纤2、所述D型光纤3、所述第二连接光纤5和所述光谱分析仪6依次连接，所述微球4与所述D型光纤3接触，所述微球4通过电弧在光纤剥离涂覆层的切割端连续放电，使光纤尖端呈球形制备得到，直径为110μm；所述第一连接光纤2、D型光纤3、微球4和第二连接光纤5均采用单模光纤。

所述温度传感器通过以下方法制备得到：

A、首先在单模光纤中间位置沿轴向切除包层301形成截面为D型抛磨面303的光纤结构，制备得到D型光纤3，所述D型抛磨面303平坦区域的包层301完全切除，使纤芯302裸露，所述D型光纤3两端分别为第一连接光纤2和第二连接光纤5；在单模光纤剥离涂覆层的切割端通过电弧连续放电，使光纤尖端呈球形制备得到微球4，所述微球4的直径为110μm；

B、再将所述D型光纤3悬空固定在载玻片7表面，在所述D型抛磨面303平坦区域放置所述微球4，通过定位台控制所述D型光纤3抛磨面平坦区域与所述微球4接触，直到在D型光纤3的透射光谱中清楚观察到光学回音壁共振，以达到最大的光耦合效率；

C、最后将所述第一连接光纤2与宽带光源1连接，所述第二连接光纤5与光谱分析仪6连接，使所述宽带光源1发出的光依次通过所述第一连接光纤2、与所述微球4接触的所述D型光纤3和所述第二连接光纤5，入射到所述光谱分析仪上6。

实施例2

本发明提供了一种基于D型光纤与微球耦合的温度传感器，如图1和图3所示，所述传感器包括宽带光源1、第一连接光纤2、D型光纤3、微球4、第二连接光纤5和光谱分析仪6；所述宽带光源1、所述第一连接光纤2、所述D型光纤3、所述第二连接光纤5和所述光谱分析仪6依次连接，所述微球4与所述D型光纤3接触，所述微球4通过电弧在光纤剥离涂覆层的切割端连续放电，使光纤尖端呈球形制备得到，直径为130μm；所述第一连接光纤2、D型光纤3、微球4和第二连接光纤5均采用单模光纤。

所述温度传感器通过以下方法制备得到：

A、首先在单模光纤中间位置沿轴向切除包层301形成截面为D型抛磨面303的光纤结构，制备得到D型光纤3，所述D型抛磨面303与纤芯302的最短垂直距离d=1.5μm，所述D型光纤3两端分别为第一连接光纤2和第二连接光纤5；在单模光纤剥离涂覆层的切割端通过电弧连续放电，使光纤尖端呈球形制备得到微球4，所述微球4的直径为130μm；

B、再将所述D型光纤3悬空固定在载玻片7表面，在所述D型抛磨面303平坦区域放置所述微球4，通过定位台控制所述D型光纤3抛磨面平坦区域与所述微球4接触，直到在D型光纤3的透射光谱中清楚观察到光学回音壁共振，以达到最大的光耦合效率；

C、最后将所述第一连接光纤2与宽带光源1连接，所述第二连接光纤5与光谱分析仪6连接，使所述宽带光源1发出的光依次通过所述第一连接光纤2、与所述微球4接触的所述D型光纤3和所述第二连接光纤5，入射到所述光谱分析仪上6。

实施例3

本发明提供了一种基于D型光纤与微球耦合的温度传感器，如图1和图3所示，所述传感器包括宽带光源1、第一连接光纤2、D型光纤3、微球4、第二连接光纤5和光谱分析仪6；所述宽带光源1、所述第一连接光纤2、所述D型光纤3、所述第二连接光纤5和所述光谱分析仪6依次连接，所述微球4与所述D型光纤3接触，所述微球4通过电弧在光纤剥离涂覆层的切割端连续放电，使光纤尖端呈球形制备得到，直径为150μm；所述第一连接光纤2、D型光纤3、微球4和第二连接光纤5均采用单模光纤。

所述温度传感器通过以下方法制备得到：

A、首先在单模光纤中间位置沿轴向切除包层301形成截面为D型抛磨面303的光纤结构，制备得到D型光纤3，所述D型抛磨面303与纤芯302的最短垂直距离d=0.5μm，所述D型光纤3两端分别为第一连接光纤2和第二连接光纤5；在单模光纤剥离涂覆层的切割端通过电弧连续放电，使光纤尖端呈球形制备得到微球4，所述微球4的直径为150μm；

B、再将所述D型光纤3悬空固定在载玻片7表面，在所述D型抛磨面303平坦区域放置所述微球4，通过定位台控制所述D型光纤3抛磨面平坦区域与所述微球4接触，直到在D型光纤3的透射光谱中清楚观察到光学回音壁共振，以达到最大的光耦合效率；

C、最后将所述第一连接光纤2与宽带光源1连接，所述第二连接光纤5与光谱分析仪6连接，使所述宽带光源1发出的光依次通过所述第一连接光纤2、与所述微球4接触的所述D型光纤3和所述第二连接光纤5，入射到所述光谱分析仪上6。

实施例4

本发明提供了一种基于D型光纤与微球耦合的温度传感器，如图1和图3所示，所述传感器包括宽带光源1、第一连接光纤2、D型光纤3、微球4、第二连接光纤5和光谱分析仪6；所述宽带光源1、所述第一连接光纤2、所述D型光纤3、所述第二连接光纤5和所述光谱分析仪6依次连接，所述微球4与所述D型光纤3接触，所述微球4通过电弧在光纤剥离涂覆层的切割端连续放电，使光纤尖端呈球形制备得到，直径为170μm；所述第一连接光纤2、D型光纤3、微球4和第二连接光纤5均采用单模光纤。

所述温度传感器通过以下方法制备得到：

A、首先在单模光纤中间位置沿轴向切除包层301形成截面为D型抛磨面303的光纤结构，制备得到D型光纤3，所述D型抛磨面303与纤芯302的最短垂直距离d=2μm，所述D型光纤3两端分别为第一连接光纤2和第二连接光纤5；在单模光纤剥离涂覆层的切割端通过电弧连续放电，使光纤尖端呈球形制备得到微球4，所述微球4的直径为170μm；

B、再将所述D型光纤3悬空固定在载玻片7表面，在所述D型抛磨面303平坦区域放置所述微球4，通过定位台控制所述D型光纤3抛磨面平坦区域与所述微球4接触，直到在D型光纤3的透射光谱中清楚观察到光学回音壁共振，以达到最大的光耦合效率；

C、最后将所述第一连接光纤2与宽带光源1连接，所述第二连接光纤5与光谱分析仪6连接，使所述宽带光源1发出的光依次通过所述第一连接光纤2、与所述微球4接触的所述D型光纤3和所述第二连接光纤5，入射到所述光谱分析仪上6。

实施例5

本发明提供了一种基于D型光纤与微球耦合的温度传感器，如图1和图3所示，所述传感器包括宽带光源1、第一连接光纤2、D型光纤3、微球4、第二连接光纤5和光谱分析仪6；所述宽带光源1、所述第一连接光纤2、所述D型光纤3、所述第二连接光纤5和所述光谱分析仪6依次连接，所述微球4与所述D型光纤3接触，所述微球4通过电弧在光纤剥离涂覆层的切割端连续放电，使光纤尖端呈球形制备得到，直径为190μm；所述第一连接光纤2、D型光纤3、微球4和第二连接光纤5均采用单模光纤。

所述温度传感器通过以下方法制备得到：

A、首先在单模光纤中间位置沿轴向切除包层301形成截面为D型抛磨面303的光纤结构，制备得到D型光纤3，所述D型抛磨面303与纤芯302的最短垂直距离d=1μm，所述D型光纤3两端分别为第一连接光纤2和第二连接光纤5；在单模光纤剥离涂覆层的切割端通过电弧连续放电，使光纤尖端呈球形制备得到微球4，所述微球4的直径为190μm；

B、再将所述D型光纤3悬空固定在载玻片7表面，在所述D型抛磨面303平坦区域放置所述微球4，通过定位台控制所述D型光纤3抛磨面平坦区域与所述微球4接触，直到在D型光纤3的透射光谱中清楚观察到光学回音壁共振，以达到最大的光耦合效率；

C、最后将所述第一连接光纤2与宽带光源1连接，所述第二连接光纤5与光谱分析仪6连接，使所述宽带光源1发出的光依次通过所述第一连接光纤2、与所述微球4接触的所述D型光纤3和所述第二连接光纤5，入射到所述光谱分析仪上6。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都是属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种基于D型光纤与微球耦合的温度传感器，其特征在于：所述传感器包括宽带光源、第一连接光纤、D型光纤、微球、第二连接光纤和光谱分析仪；所述宽带光源、所述第一连接光纤、所述D型光纤、所述第二连接光纤和所述光谱分析仪依次连接，所述微球与所述D型光纤接触；所述D型光纤是通过将光纤沿轴向切除包层形成截面为D型抛磨面的光纤结构，所述微球与所述D型抛磨面的平坦区域接触；所述微球通过电弧在光纤剥离涂覆层的切割端连续放电，使光纤尖端呈球形制备得到；所述D型光纤中，D型抛磨面与纤芯的最短垂直距离为0～0.5μm；所述微球的直径为170～200μm；当微球周围的温度发生变化时，微球的直径和折射率也随之变化，导致WGM微腔共振频谱的位置变化显著，从而实现对温度的检测。

2.根据权利要求1所述的一种基于D型光纤与微球耦合的温度传感器，其特征在于：所述第一连接光纤和所述第二连接光纤为单模光纤。

3.根据权利要求1所述的一种基于D型光纤与微球耦合的温度传感器，其特征在于：所述D型光纤为单模光纤。

4.根据权利要求1所述的一种基于D型光纤与微球耦合的温度传感器，其特征在于：所述微球为单模光纤。

5.一种基于D型光纤与微球耦合的温度传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、首先在单模光纤中间位置沿轴向切除包层形成截面为D型抛磨面的光纤结构，制备得到D型光纤，所述D型光纤两端分别为第一连接光纤和第二连接光纤，在单模光纤剥离涂覆层的切割端通过电弧连续放电，使光纤尖端呈球形制备得到微球；所述微球的直径为170～200μm；所述D型光纤中，D型抛磨面与纤芯的最短垂直距离为0～0.5μm；

B、再将所述D型光纤悬空固定在载玻片表面，在所述D型抛磨面平坦区域放置所述微球，通过定位台控制所述D型光纤抛磨面平坦区域与所述微球接触，直到在D型光纤的透射光谱中清楚观察到光学回音壁共振，以达到最大的光耦合效率；

C、最后将所述第一连接光纤与宽带光源连接，所述第二连接光纤与光谱分析仪连接，使所述宽带光源发出的光依次通过所述第一连接光纤、与所述微球接触的所述D型光纤和所述第二连接光纤，入射到所述光谱分析仪上。

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