CN108801499A - 一种基于毛细管光纤与普通光纤熔接的探头式温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于毛细管光纤与普通光纤熔接的探头式温度传感器，所述传感器包括宽带光源、第一连接光纤、循环器、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、所述循环器、所述第二连接光纤和所述光谱分析仪依次连接；所述循环器还依次连接有中段连接光纤和空芯毛细管光纤，所述中段连接光纤和所述空芯毛细管光纤通过熔接机熔接，所述空芯毛细管光纤端面镀有反射层。相比其他温度传感器，本发明提供的温度传感器利用的是单模光纤、毛细管光纤对外界温度变化的灵敏特性以及不同外界温度会使透射谱发生偏移，具有结构简单、体积小、响应速度快、灵敏度高、安全可靠等诸多优点。

Description

一种基于毛细管光纤与普通光纤熔接的探头式温度传感器

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于毛细管光纤与普通光纤熔接的探头式温度传感器。

背景技术

光纤传感器具各重量轻，体积小，灵敏度高，抗电磁干扰等化势，但早期的光纤传感器也存在一些弊端，例如部分器件稳定性不好，且灵敏度不高，还有一些器件制作成本高，制作程序繁杂等。为了解决这些问题，开展了很多相关的研究，并取得了一些较好的解决办法，使光纤传感器在各个领域得到了实际应用，如土木工程，环境工程，电力，临床医学，航空航天等。

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具有很多优点:动态范围大、灵敏度高，响应快、抗电磁干扰、易被各种光探测器件接收, 可方便地进行光电或电光转换, 易与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,特别适合于易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用等，因而受到了广泛地重视。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两类。

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毛细管光纤与普通光纤熔接的探头式温度传感器，所述传感器包括宽带光源、第一连接光纤、循环器、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、所述循环器、所述第二连接光纤和所述光谱分析仪依次连接；所述循环器还依次连接有中段连接光纤和空芯毛细管光纤，所述中段连接光纤和所述空芯毛细管光纤通过熔接机熔接，所述空芯毛细管光纤端面镀有反射层。

其中，所述空芯毛细管光纤的外径为100~150μm。

其中，所述空芯毛细管光纤中空部分的直径为5~40μm。

其中，所述探头长度为熔接点到反射层的距离。

其中，所述探头的长度为1~5cm。

其中，所述第一连接光纤和所述第二连接光纤均为单模光纤。

其中，所述中段连接光纤为单模光纤。

本发明第二方面提供了一种基于毛细管光纤与普通光纤熔接的探头式温度传感器的制作方法，包括以下步骤：

A、分别取三段单模光纤作为第一连接光纤、第二连接光纤和中段连接光纤，将所述中段连接光纤与空芯毛细管光纤通过熔接机进行熔接，再在所述空芯毛细管光纤端面镀上反射层，形成光纤探头式传感器；

B、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，所述第一连接光纤与所述第二连接光纤通过循环器连接，所述循环器再依次连接所述中段连接光纤和所述空芯毛细管光纤；使所述宽带光源发出的光依次通过所述第一连接光纤、所述循环器、所述中段连接光纤、所述空芯毛细管光纤、再通过所述反射层反射回到所述循环器、第二连接光纤，到达光谱分析仪。

其中，所述空芯毛细管光纤的外径为100~150μm，所述空芯毛细管光纤中空部分的直径为5~40μm。

其中，所述光纤探头的长度为1~5cm。

本发明提供一种基于毛细管光纤与普通光纤熔接的探头式温度传感器，将由中段连接光纤、空芯毛细管光纤、反射层熔接形成的光纤探头式传感器放置在位移台上并将它们固定在载玻片上，通过温控箱调节温度使单模光纤和空芯毛细管光纤受热膨胀，以此改变单模光纤和空芯毛细管光纤的直径，借助光谱分析仪可以观察到相应的透射谱。

对于毛细管光纤来说，光不会完全限制在中间空气层中，当入射光进入毛细管壁时，光束不能完全被石英包层反射回来，而是主要被束缚在石英包层中振荡反射，此时光能主要分布在石英包层当中，还有少部分的光能也会反射回中间空气层。光在谐振波长处会透过管壁泄漏到外界，倏逝场的存在使得毛细管传出谱对于外界因素的变化极其敏感，比如温度传感，当外界温度变化时受热膨胀，单模光纤和空芯毛细管光纤直径都会发生改变。

本发明的有益效果：

本发明提供的一种基于毛细管光纤与普通光纤熔接的探头式温度传感器及其制备方法，利用的是单模光纤、毛细管光纤对外界温度变化的灵敏特性以及不同外界温度会使透射谱发生偏移，通过与单模光纤熔接并镀上反射层进行传感应用研究，并且由于空气毛细管其中空结构的特殊性，在很多传感领域有独有的优势，当传感器周围相对温度变化时，受热膨胀，单模光纤和空芯毛细管直径都会发生改变，导致透射谱发生红移，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，具有结构简单、体积小、响应速度快、灵敏度高、安全可靠等诸多优点。

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1~5提供的传感器的整体结构示意图；

图2为本发明实施例1~5提供的传感器中光纤结构示意图；

图3为本发明实施例1提供的传感器的光谱图；

图中：1-宽带光源，2-第一连接光纤，3-循环器，4-第二连接光纤，5-光谱分析仪，6-中段连接光纤，7-空芯毛细管光纤，8-反射层。

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毛细管光纤与普通光纤熔接的探头式温度传感器，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、循环器3、第二连接光纤4和光谱分析仪5，所述宽带光源1、所述第一连接光纤2、所述循环器3、所述第二连接光纤4和所述光谱分析仪5依次连接；所述循环器3还依次连接有中段连接光纤6和空芯毛细管光纤7，所述中段连接光纤6和所述空芯毛细管光纤7通过熔接机熔接，所述空芯毛细管光纤7端面镀有反射层8；所述中段连接光纤6和所述空芯毛细管光纤7通过温控箱调节温度，光纤升温膨胀使直径发生改变，以此来进行温度传感。所述空芯毛细管光纤7的外径为125μm，中空部分的直径为20μm。所述探头长度为熔接点到反射层8的距离，长度为1cm，所述第一连接光纤2、所述第二连接光纤4和所述中段连接光纤6均为单模光纤。

本发明提供的一种基于毛细管光纤与普通光纤熔接的探头式温度传感器，通过以下方法制备得到：

A、分别取三段单模光纤作为第一连接光纤2、第二连接光纤4和中段连接光纤6，将所述中段连接光纤6与空芯毛细管光纤7通过熔接机进行熔接，再在所述空芯毛细管光纤7端面镀上反射层8，形成光纤探头式传感器，所述空芯毛细管光纤7的外径为125μm，中空部分的直径为20μm，所述探头长度是从熔接点到反射层的距离，长度为1cm；

B、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4与光谱分析仪5连接，所述第一连接光纤2与所述第二连接光纤4通过循环器3连接，所述循环器3再依次连接所述中段连接光纤6和所述空芯毛细管光纤7；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、所述循环器3、所述中段连接光纤6、所述空芯毛细管光纤7、再通过所述反射层8反射回到所述循环器3、第二连接光纤4，到达光谱分析仪5。

如图1所示，当宽带光源1发出的光通过第一连接光纤2、循环器3然后进入中段连接光纤6、空芯毛细管光纤7、反射层8，光经过反射耦合形成M-Z干涉再次回到循环器3、第二连接光纤4、到达光谱分析仪5，改变温控箱的温度大小来进行传感测量，最后借助光谱分析仪5来测得相应的频谱图。

如图2所示，光以纤芯模传输，通过空芯毛细管光纤7时发生相长干涉，光能主要在石英包层中振荡发生全反射，只有少部分光能反射回中间空气层，中间空气层的光能也进行振荡反射。所有光通过发射层8之后以各种不同角度的包层模式反射回去耦合进纤芯中形成干涉效果。当外界相对温度发生改变时，受热膨胀，单模光纤和空芯毛细管光纤7直径都会发生改变，因此可以实现对温度的传感。

为了验证本发明提供的传感器的实用效果，选取长度为800μm，外径为125μm，中空部分直径为20μm的空芯毛细管光纤7，如图3所示，选取1540nm 和1560nm附近的波谷，并选取a峰作为参考点，分别观察温度响应特性。当传感器周围相对温度变化时，受热膨胀，单模光纤和空芯毛细管直径都会发生改变，从而导致透射谱发生红移，由此可知，本发明提供的传感器可以实现对温度的测量。

实施例2

本发明提供了一种基于毛细管光纤与普通光纤熔接的探头式温度传感器，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、循环器3、第二连接光纤4和光谱分析仪5，所述宽带光源1、所述第一连接光纤2、所述循环器3、所述第二连接光纤4和所述光谱分析仪5依次连接；所述循环器3还依次连接有中段连接光纤6和空芯毛细管光纤7，所述中段连接光纤6和所述空芯毛细管光纤7通过熔接机熔接，所述空芯毛细管光纤7端面镀有反射层8；所述中段连接光纤6和所述空芯毛细管光纤7通过温控箱调节温度，光纤升温膨胀使直径发生改变，以此来进行温度传感。所述空芯毛细管光纤7的外径为110μm，中空部分的直径为10μm。所述探头长度为熔接点到反射层8的距离，长度为2cm，所述第一连接光纤2、所述第二连接光纤4和所述中段连接光纤6均为单模光纤。

本发明提供的一种基于毛细管光纤与普通光纤熔接的探头式温度传感器，通过以下方法制备得到：

A、分别取三段单模光纤作为第一连接光纤2、第二连接光纤4和中段连接光纤6，将所述中段连接光纤6与空芯毛细管光纤7通过熔接机进行熔接，再在所述空芯毛细管光纤7端面镀上反射层8，形成光纤探头式传感器，所述空芯毛细管光纤7的外径为110μm，中空部分的直径为10μm，所述探头长度是从熔接点到反射层的距离，长度为2cm；

B、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4与光谱分析仪5连接，所述第一连接光纤2与所述第二连接光纤4通过循环器3连接，所述循环器3再依次连接所述中段连接光纤6和所述空芯毛细管光纤7；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、所述循环器3、所述中段连接光纤6、所述空芯毛细管光纤7、再通过所述反射层8反射回到所述循环器3、第二连接光纤4，到达光谱分析仪5。

实施例3

本发明提供了一种基于毛细管光纤与普通光纤熔接的探头式温度传感器，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、循环器3、第二连接光纤4和光谱分析仪5，所述宽带光源1、所述第一连接光纤2、所述循环器3、所述第二连接光纤4和所述光谱分析仪5依次连接；所述循环器3还依次连接有中段连接光纤6和空芯毛细管光纤7，所述中段连接光纤6和所述空芯毛细管光纤7通过熔接机熔接，所述空芯毛细管光纤7端面镀有反射层8；所述中段连接光纤6和所述空芯毛细管光纤7通过温控箱调节温度，光纤升温膨胀使直径发生改变，以此来进行温度传感。所述空芯毛细管光纤7的外径为120μm，中空部分的直径为15μm。所述探头长度为熔接点到反射层8的距离，长度为3cm，所述第一连接光纤2、所述第二连接光纤4和所述中段连接光纤6均为单模光纤。

本发明提供的一种基于毛细管光纤与普通光纤熔接的探头式温度传感器，通过以下方法制备得到：

A、分别取三段单模光纤作为第一连接光纤2、第二连接光纤4和中段连接光纤6，将所述中段连接光纤6与空芯毛细管光纤7通过熔接机进行熔接，再在所述空芯毛细管光纤7端面镀上反射层8，形成光纤探头式传感器，所述空芯毛细管光纤7的外径为120μm，中空部分的直径为15μm，所述探头长度是从熔接点到反射层的距离，长度为3cm；

B、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4与光谱分析仪5连接，所述第一连接光纤2与所述第二连接光纤4通过循环器3连接，所述循环器3再依次连接所述中段连接光纤6和所述空芯毛细管光纤7；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、所述循环器3、所述中段连接光纤6、所述空芯毛细管光纤7、再通过所述反射层8反射回到所述循环器3、第二连接光纤4，到达光谱分析仪5。

实施例4

本发明提供了一种基于毛细管光纤与普通光纤熔接的探头式温度传感器，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、循环器3、第二连接光纤4和光谱分析仪5，所述宽带光源1、所述第一连接光纤2、所述循环器3、所述第二连接光纤4和所述光谱分析仪5依次连接；所述循环器3还依次连接有中段连接光纤6和空芯毛细管光纤7，所述中段连接光纤6和所述空芯毛细管光纤7通过熔接机熔接，所述空芯毛细管光纤7端面镀有反射层8；所述中段连接光纤6和所述空芯毛细管光纤7通过温控箱调节温度，光纤升温膨胀使直径发生改变，以此来进行温度传感。所述空芯毛细管光纤7的外径为130μm，中空部分的直径为25μm。所述探头长度为熔接点到反射层8的距离，长度为4cm，所述第一连接光纤2、所述第二连接光纤4和所述中段连接光纤6均为单模光纤。

本发明提供的一种基于毛细管光纤与普通光纤熔接的探头式温度传感器，通过以下方法制备得到：

A、分别取三段单模光纤作为第一连接光纤2、第二连接光纤4和中段连接光纤6，将所述中段连接光纤6与空芯毛细管光纤7通过熔接机进行熔接，再在所述空芯毛细管光纤7端面镀上反射层8，形成光纤探头式传感器，所述空芯毛细管光纤7的外径为130μm，中空部分的直径为25μm，所述探头长度是从熔接点到反射层的距离，长度为4cm；

B、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4与光谱分析仪5连接，所述第一连接光纤2与所述第二连接光纤4通过循环器3连接，所述循环器3再依次连接所述中段连接光纤6和所述空芯毛细管光纤7；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、所述循环器3、所述中段连接光纤6、所述空芯毛细管光纤7、再通过所述反射层8反射回到所述循环器3、第二连接光纤4，到达光谱分析仪5。

实施例5

本发明提供了一种基于毛细管光纤与普通光纤熔接的探头式温度传感器，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、循环器3、第二连接光纤4和光谱分析仪5，所述宽带光源1、所述第一连接光纤2、所述循环器3、所述第二连接光纤4和所述光谱分析仪5依次连接；所述循环器3还依次连接有中段连接光纤6和空芯毛细管光纤7，所述中段连接光纤6和所述空芯毛细管光纤7通过熔接机熔接，所述空芯毛细管光纤7端面镀有反射层8；所述中段连接光纤6和所述空芯毛细管光纤7通过温控箱调节温度，光纤升温膨胀使直径发生改变，以此来进行温度传感。所述空芯毛细管光纤7的外径为140μm，中空部分的直径为35μm。所述探头长度为熔接点到反射层8的距离，长度为5cm，所述第一连接光纤2、所述第二连接光纤4和所述中段连接光纤6均为单模光纤。

本发明提供的一种基于毛细管光纤与普通光纤熔接的探头式温度传感器，通过以下方法制备得到：

A、分别取三段单模光纤作为第一连接光纤2、第二连接光纤4和中段连接光纤6，将所述中段连接光纤6与空芯毛细管光纤7通过熔接机进行熔接，再在所述空芯毛细管光纤7端面镀上反射层8，形成光纤探头式传感器，所述空芯毛细管光纤7的外径为140μm，中空部分的直径为35μm，所述探头长度是从熔接点到反射层的距离，长度为5cm；

B、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4与光谱分析仪5连接，所述第一连接光纤2与所述第二连接光纤4通过循环器3连接，所述循环器3再依次连接所述中段连接光纤6和所述空芯毛细管光纤7；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、所述循环器3、所述中段连接光纤6、所述空芯毛细管光纤7、再通过所述反射层8反射回到所述循环器3、第二连接光纤4，到达光谱分析仪5。

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 (10)

1.一种基于毛细管光纤与普通光纤熔接的探头式温度传感器，其特征在于：所述传感器包括宽带光源、第一连接光纤、循环器、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、所述循环器、所述第二连接光纤和所述光谱分析仪依次连接；所述循环器还依次连接有中段连接光纤和空芯毛细管光纤，所述中段连接光纤和所述空芯毛细管光纤通过熔接机熔接，所述空芯毛细管光纤端面镀有反射层。

2.根据权利要求1所述的一种基于毛细管光纤与普通光纤熔接的探头式温度传感器，其特征在于：所述空芯毛细管光纤的外径为100~150μm。

3.根据权利要求1所述的一种基于毛细管光纤与普通光纤熔接的探头式温度传感器，其特征在于：所述空芯毛细管光纤中空部分的直径为5~40μm。

4.根据权利要求1所述的一种基于毛细管光纤与普通光纤熔接的探头式温度传感器，其特征在于：所述探头长度为熔接点到反射层的距离。

5.根据权利要求4所述的一种基于毛细管光纤与普通光纤熔接的探头式温度传感器，其特征在于：所述探头的长度为1~5cm。

6.根据权利要求1~5中任意一项权利要求所述的一种基于毛细管光纤与普通光纤熔接的探头式温度传感器，其特征在于：所述第一连接光纤和所述第二连接光纤均为单模光纤。

7.根据权利要求1~5中任意一项权利要求所述的一种基于毛细管光纤与普通光纤熔接的探头式温度传感器，其特征在于：所述中段连接光纤为单模光纤。

8.一种基于毛细管光纤与普通光纤熔接的探头式温度传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、分别取三段单模光纤作为第一连接光纤、第二连接光纤和中段连接光纤，将所述中段连接光纤与空芯毛细管光纤通过熔接机进行熔接，再在所述空芯毛细管光纤端面镀上反射层，形成光纤探头式传感器；

B、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，所述第一连接光纤与所述第二连接光纤通过循环器连接，所述循环器再依次连接所述中段连接光纤和所述空芯毛细管光纤；使所述宽带光源发出的光依次通过所述第一连接光纤、所述循环器、所述中段连接光纤、所述空芯毛细管光纤、再通过所述反射层反射回到所述循环器、第二连接光纤，到达光谱分析仪。

9.根据权利要求8所述的一种基于毛细管光纤与普通光纤熔接的探头式温度传感器的制作方法，其特征在于：所述空芯毛细管光纤的外径为100~150μm，所述空芯毛细管光纤中空部分的直径为5~40μm。

10.根据权利要求8所述的一种基于毛细管光纤与普通光纤熔接的探头式温度传感器的制作方法，其特征在于：所述光纤探头的长度为1~5cm。