CN108844656A - 一种光纤温度传感探头及解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤温度传感探头及解调方法，包括：第一单模光纤、空心光纤、第二单模光纤、陶瓷插芯以及紫外胶；空心光纤的一端与第一单模光纤的一端熔接在一起，且空心光纤的另一端与第二单模光纤的一端熔接在一起，从而构成参考法布里‑珀罗干涉仪；第二单模光纤的另一端插入陶瓷插芯的一端，紫外胶充入陶瓷插芯的另一端，且在陶瓷插芯内，第二单模光纤另一端的端面与紫外胶的端面存在一定间隔，从而构成传感法布里‑珀罗干涉仪；参考法布里‑珀罗干涉仪与传感法布里‑珀罗干涉仪级联形成游标效应，从而提高温度探测的灵敏度。本发明能够在保证光纤温度传感探头的制备方法简单且制备成本低的同时，提高温度探测的灵敏度。

Description

一种光纤温度传感探头及解调方法

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，更具体地，涉及一种光纤温度传感探头及解调方法。

背景技术

光纤由于自身体积小、重量轻、耐腐蚀、抗强电磁干扰等优点，被人们广泛地应用于传感领域。温度探测是光纤传感技术的一个重要应用领域，与传统的电子式温度传感器相比，光纤温度传感器能在航空航天、核试验研究、生物医疗等特定领域得到更加广泛的应用。

由于光纤本身的热光系数和热膨胀系数不大，所以光纤温度传感器普遍存在灵敏度不高的现象。例如基于光栅(包括布拉格光栅和长周期光栅)和线内干涉仪结构的光纤温度传感器，灵敏度一般小于100pm/℃。为了满足某些特定领域对灵敏度较高的需求，国内外科研人员对光纤温度传感增敏方法进行了广泛的研究。微纳光纤比普通单模光纤拥有更大的消逝场，因此可以用来增大灵敏度，但微纳光纤制备难度大且结构易破坏，不适合于工程应用；在传统的光纤温度传感器表面涂覆金属、聚合物、石墨烯等材料也是常见的增敏方法，但这种方法一般是结合微纳光纤才能取得较好的效果；基于硅光电子材料的温度传感器灵敏度较大，但它们的制作成本都很高，而且光场耦合也是一直存在的较难解决的问题；基于表面等离子体谐振法的高灵敏度温度传感器，一般通过涂覆纳米级金属薄膜或者在光子晶体光纤中选择性填充粒子，但这种方法的制备过程极其复杂，制备成本昂贵，不适合于批量生产。此外，上述几种光纤温度传感器均为透射型的传感结构，不适合与作为探针进行遥感。

综上所述，为提高温度传感的灵敏度，现有的光纤温度传感器均存在制备复杂、制备成本高的问题，在实际的应用中存在的一定的局限性。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种光纤温度传感探头及解调方法，其目的在于，在保证光纤温度传感探头的制备方法简单且制备成本低的同时，提高温度探测的灵敏度。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种光纤温度传感探头，包括：第一单模光纤、空心光纤、第二单模光纤、陶瓷插芯以及紫外胶；

空心光纤的一端与第一单模光纤的一端熔接在一起，且空心光纤的另一端与第二单模光纤的一端熔接在一起，从而由第一单模光纤一端的端面、第二单模光纤一端的端面以及两端面之间的空气介质构成参考法布里-珀罗干涉仪；

第二单模光纤的另一端插入陶瓷插芯的一端，紫外胶充入陶瓷插芯的另一端，且在陶瓷插芯内，第二单模光纤另一端的端面与紫外胶的端面存在一定间隔，从而由第二单模光纤另一端的端面、紫外胶的端面以及两端面之间的空气介质构成传感法布里-珀罗干涉仪；

参考法布里-珀罗干涉仪与传感法布里-珀罗干涉仪级联形成游标效应，从而提高温度探测的灵敏度。

进一步地，参考法布里-珀罗干涉仪与传感法布里-珀罗干涉仪的初始腔长的差值同时满足如下条件：采集光纤温度传感探头的反射光谱时，反射光谱下包络的周期大小不会超过采集装置的观测范围；基于参考法布里-珀罗干涉仪与传感法布里-珀罗干涉仪之间的游标效应探测温度时，探测灵敏度高于预设的灵敏度阈值；灵敏度阈值依据实际的温度探测的灵敏度需求设定；在常规实验环境下，参考法布里-珀罗干涉仪与传感法布里-珀罗干涉仪的初始腔长的差值大于2微米且小于15微米，以满足上述条件。

进一步地，陶瓷插芯一端的缝隙处涂有胶粘剂，以使得第二单模光纤与陶瓷插芯的相对位置固定。

进一步地，陶瓷插芯一端的端面为喇叭形，以便于第二单模光纤的另一端插入。

进一步地，陶瓷插芯的内径与第二单模光纤的包层直径相等，以使得第二单模光纤在所述陶瓷插芯内稳定，从而传感法布里-珀罗干涉仪的初始腔长不受外界扰动的影响。

进一步地，空芯光纤的外径与第一单模光纤和第二单模光纤的包层直径均匹配，使得空芯光纤的一端能够与第一单模光纤的一端熔接在一起，且空芯光纤的另一端能够与第二单模光纤的一端熔接在一起；空芯光纤的内径可以在保证得到明显的干涉光谱的同时不至于引入过大的损耗。

本发明所提供的光纤温度传感探头，其中的参考法布里-珀罗干涉仪与传感法布里-珀罗干涉仪级联，使得光纤温度传感探头的反射光谱的特点为：呈梳妆，并具有明显的下包络；当其中一个法布里-珀罗干涉仪的腔长发生变化时，该级联反射光谱的下包络会有明显的漂移。当外界温度变化时，由于紫外胶极高的热膨胀系数，传感法布里珀罗干涉仪的腔长会相应地膨胀或收缩；而参考法布里珀罗干涉仪的腔长变化相对于传感法布里珀罗干涉仪而言可以忽略不计。因此，通过光谱下包络的特征，对反射光谱的下包络进行拟合，追踪拟合得到的包络函数的极小值所对应的波长，便可根据温度与波长的关系解调出光纤温度传感探头所处的环境温度。

按照本发明的第二方面，提供了一种基于本发明第一方面提供的光纤温度传感探头的解调方法，包括如下步骤：

(S1)经第一单模光纤的另一端输入宽谱光，并采集被测温度下光纤温度传感探头的第一反射光谱；

(S2)对第一反射光谱的下包络进行拟合，得到第一包络函数；

(S3)获得第一包络函数的极小值点所对应的第一波长；

(S4)根据温度与波长的关系函数解调出第一波长所对应的被测温度。

进一步地，步骤(S4)中，温度与波长的关系函数的获取方法包括：

(T1)设定测试温度；

(T2)经第一单模光纤的另一端输入宽谱光，并采集测试温度下光纤温度传感探头的第二反射光谱；

(T3)对第二反射光谱的下包络进行拟合，得到第二包络函数；

(T4)获得第二包络函数的极小值点所对应的第二波长，由此得到一组温度与波长的对应关系；

(T5)改变测试温度，并转入步骤(T2)；

(T6)重复步骤(T2)～(T5)多次，得到多组不同的温度与波长的对应关系；

(T7)对所获得的多组不同的温度与波长的对应关系进行回归分析，由此得到温度与波长的关系函数。

更进一步地，步骤(T7)中，所采用的回归分析为线性回归分析。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明所提供的光纤温度传感探头，基于级联的参考法布里-珀罗干涉仪和传感法布里-珀罗干涉仪之间形成的游标效应实现提高温度探测的灵敏度，由于传感法布里-珀罗干涉仪中的紫外胶具有极高的热膨胀系数，温度变化时，传感法布里珀罗干涉仪的腔长会相应地膨胀或收缩，而参考法布里珀罗干涉仪的腔长变化相对于传感法布里珀罗干涉仪而言可以忽略不计，使得光纤温度传感探头的反射光谱会发生明显的漂移。因此，本发明所提供的光纤温度传感器能够提高温度探测的灵敏度，能够探测到极其微弱的温度变化。

(2)本发明所提供的光纤温度传感探头，其中的单模光纤、空心光纤、陶瓷插芯及紫外胶等关键组件，均为常规器件，且组件与组件之间的连接方式均为常规的连接方式。因此，相比于其他具有高灵敏度的光纤温度传感结构，本发明所提供的光纤温度传感探头结构简单、制备方法简单且制备成本低。

(3)本发明所提供的光纤温度传感探头，为反射型传感结构，可以用作探针进行遥感。

总的来说，本发明所提供的光纤温度传感探头，在保证光纤温度传感探头的制备方法简单且制备成本低的同时，提高了温度探测的灵敏度，而且扩大了应用范围。

附图说明

图1为本发明实施例提供的光纤温度传感探头的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的反射光谱图；(a)为参考法布里-珀罗干涉仪的反射光谱图；(b)为传感法布里-珀罗干涉仪的反射光谱图；(c)参考法布里-珀罗干涉仪和传感法布里-珀罗干涉仪级联后的反射光谱图；

图3为本发明实施例提供的测试系统框图；

图4为本发明实施例提供的光纤温度传感探头在不同温度下其反射光谱下包络的拟合曲线；

图5为本发明实施例的温度与波长的线性拟合曲线；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

1为第一单模光纤，2为空心光纤，3为第二单模光纤，4为陶瓷插芯，5、6为空气介质，7为紫外胶，8为环氧树脂胶。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的光纤温度传感探头，如图1所示，包括：第一单模光纤1、空心光纤2、第二单模光纤3、陶瓷插芯4以及紫外胶7；

空心光纤2的一端与第一单模光纤1的一端熔接在一起，且空心光纤2的另一端与第二单模光纤3的一端熔接在一起，熔接后空芯光纤2的长度为60～100微米，从而由第一单模光纤1一端的端面、第二单模光纤3一端的端面以及两端面之间的空气介质5构成参考法布里-珀罗干涉仪；第一单模光纤1及第二单模光纤3均为通信单模光纤SMF-28e，纤芯直径均为8～10微米，包层直径均为125微米；空芯光纤外径为150微米，与第一单模光纤1和第二单模光纤3的包层直径均匹配，使得空心光纤2的一端能够与第一单模光纤1的一端熔接在一起，且空心光纤2的另一端能够与第二单模光纤3的一端熔接在一起；空心光纤2的内径为30～70微米，可以在保证得到明显的干涉光谱的同时不至于引入过大的损耗；

第二单模光纤3的另一端插入陶瓷插芯4的一端，紫外胶7充入陶瓷插芯4的另一端，且在陶瓷插芯4内，第二单模光纤3另一端的端面与紫外胶7的端面存在一定间隔，从而由第二单模光纤3另一端的端面、紫外胶7的端面以及两端面之间的空气介质6构成传感法布里-珀罗干涉仪；陶瓷插芯4的长度约为1厘米，内径为125微米，一端的端面为喇叭形，以便于第二单模光纤3的另一端插入，且另一端的端面为平端面，以便于紫外胶7充入；陶瓷插芯4一端的缝隙处涂有环氧树脂胶8，以使得第二单模光纤3与陶瓷插芯4的相对位置固定；紫外胶7为Norland Optical Adhesive65；

参考法布里-珀罗干涉仪与传感法布里-珀罗干涉仪级联形成游标效应，从而提高温度探测的灵敏度；在实验环境下，参考法布里-珀罗干涉仪与传感法布里-珀罗干涉仪的初始腔长的差值大于2微米且小于15微米，以使得采集光纤温度传感探头的反射光谱时反射光谱下包络的周期大小不会超过采集装置的观测范围，且基于参考法布里-珀罗干涉仪与传感法布里-珀罗干涉仪之间的游标效应探测温度时灵敏度高于依据实际的温度探测的灵敏度需求设定的灵敏度阈值；在本实施例中，参考法布里-珀罗干涉仪的初始腔长为83.96微米，传感法布里-珀罗干涉仪的初始腔长为77.59微米，初始腔长的差值为6.37微米，反射光谱下包络的周期为约170nm，温度探测灵敏度为33.05667nm/℃。

本发明所提供的光纤温度传感探头，基于级联的参考法布里-珀罗干涉仪和传感法布里-珀罗干涉仪之间形成的游标效应实现温度的探测，当外界温度变化时，由于紫外胶极高的热膨胀系数，传感法布里珀罗干涉仪的腔长会相应地膨胀或收缩；而参考法布里珀罗干涉仪的腔长变化相对于传感法布里珀罗干涉仪而言可以忽略不计。因此，本发明实施例提供的光纤温度传感探头，具有较高的灵敏度，能够探测到极其微弱的温度变化，实验显示，最优情况下其灵敏度高于20nm/℃。

在图1所示的光纤温度传感探头中，单模光纤、空心光纤、陶瓷插芯及紫外胶等关键组件，均为常规器件，且组件与组件之间的连接方式均为常规的连接方式。因此，相比于其他具有高灵敏度的光纤温度传感结构，其结构简单、制备方法简单且制备成本低。在一种常规的制备工艺中，图1所示的光纤温度传感探头的制备过程如下：

制作参考法布里-珀罗干涉仪的步骤：将第一单模光纤1、空芯光纤2和第二单模光纤3的涂覆层剥除，并且将其端面切平，利用光纤熔接机将第一单模光纤1与空芯光纤2已剥除涂覆层并切平的端面熔接；在显微镜下，利用光纤切割刀将空芯光纤2的另一端切平，并保留约60～100微米；最后将空芯光纤2与第二单模光纤3已剥除涂覆层并切平的端面熔接；

制作传感法布里-珀罗干涉仪的步骤：将陶瓷插芯4的平端面浸入紫外胶7，紫外胶7在毛细作用下充入陶瓷插芯4，充入长度约为0.5厘米，利用紫外灯对陶瓷插芯4照射10分钟，使紫外胶7完全固化；第二单模光纤3的另一端切平插入陶瓷插芯4的喇叭形端面，使第二单模光纤3另一端的端面与紫外胶7的端面间距约为60～100微米；在陶瓷插芯4喇叭形端面的缝隙处涂上环氧树脂胶8，使第二单模光纤3与陶瓷插芯4的相对位置固定。

图1所示的光纤温度传感探头中，参考法布里-珀罗干涉仪及传感法布里-珀罗干涉仪的反射光谱分别如图2(a)和图2(b)所示；参考法布里-珀罗干涉仪与传感法布里-珀罗干涉仪级联后，光纤温度传感探头的反射光谱的特点为：呈梳妆，并具有明显的下包络，如图2(c)所示；当其中一个法布里-珀罗干涉仪的腔长发生变化时，该级联反射光谱的下包络会有明显的漂移。因此，通过光谱下包络的特征，对反射光谱的下包络进行拟合，追踪拟合得到的包络函数的极小值所对应的波长，便可根据温度与波长的关系解调出光纤温度传感探头所处的环境温度。

图3所示为一个包括图1所示的光纤温度传感探头的测试系统，其中还包括宽谱光源(ASE)、环形器以及光谱仪(OSA)；环形器分别与宽谱光源、光纤温度传感探头及光谱仪相连，宽谱光源发出的宽谱光经过环形器后输入至第一单模光纤的另一端，宽谱光经光纤温度传感探头反射后形成的反射光经过环形器后被光谱仪采集到。

在图3所示的测试系统中，本发明提供的解调方法包括如下步骤：

(S1)经第一单模光纤的另一端输入宽谱光，并采集被测温度下光纤温度传感探头的第一反射光谱；

(S2)对第一反射光谱的下包络进行拟合，得到第一包络函数；

在一个可选的实施方式中，对第一反射光谱的下包络进行拟合的拟合函数为：Re＝A+Bcos[4πn(L_r-L_s)/λ]，其中，n表示空气的折射率，λ表示波长，A表示反射光谱的强度，B表示反射光谱的对比度，Lr和Ls分别为同一温度下参考法布里-珀罗干涉仪和传感法布里-珀罗干涉仪的腔长；A、B以及(Lr-Ls)均为待拟合参数；

(S3)获得第一包络函数的极小值点所对应的第一波长；

(S4)根据温度与波长的关系函数解调出第一波长所对应的被测温度。

在以上解调方法的步骤(S4)中，温度与波长的关系函数的获取方法包括：

(T1)设定测试温度；

(T2)经第一单模光纤的另一端输入宽谱光，并采集测试温度下光纤温度传感探头的第二反射光谱；

(T3)对第二反射光谱的下包络进行拟合，得到第二包络函数；

(T4)获得第二包络函数的极小值点所对应的第二波长，由此得到一组温度与波长的对应关系；

(T5)改变所述测试温度，并转入步骤(T2)；

(T6)重复步骤(T2)～(T5)多次，得到多组不同的温度与波长的对应关系；

(T7)对所获得的多组不同的温度与波长的对应关系进行线性回归分析，由此得到温度与波长的关系函数。

在一个可选的实施方式中，步骤(T5)中，在20℃～24℃的范围内，以0.5℃为步长，线性改变测试温度的值，所得到的不同温度下光纤温度传感探头的反射光谱下包络的拟合曲线如图4所示；步骤(T7)中，对所获得的多组不同的温度与波长的对应关系进行线性回归分析，得到的温度与波长的线性拟合曲线如图5所示。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光纤温度传感探头，其特征在于，包括：第一单模光纤(1)、空心光纤(2)、第二单模光纤(3)、陶瓷插芯(4)以及紫外胶(7)；

所述空心光纤(2)的一端与所述第一单模光纤(1)的一端熔接在一起，且所述空心光纤(2)的另一端与所述第二单模光纤(3)的一端熔接在一起，从而由所述第一单模光纤(1)一端的端面、所述第二单模光纤(3)一端的端面以及两端面之间的空气介质构成参考法布里-珀罗干涉仪；

所述第二单模光纤(3)的另一端插入所述陶瓷插芯(4)的一端，所述紫外胶(7)充入所述陶瓷插芯(4)的另一端，且在所述陶瓷插芯(4)内，所述第二单模光纤(3)另一端的端面与所述紫外胶(7)的端面存在一定间隔，从而由所述第二单模光纤(3)另一端的端面、所述紫外胶(7)的端面以及两端面之间的空气介质构成传感法布里-珀罗干涉仪；

所述参考法布里-珀罗干涉仪与所述传感法布里-珀罗干涉仪级联形成游标效应，从而提高温度探测的灵敏度。

2.如权利要求1所述的光纤温度传感探头，其特征在于，所述参考法布里-珀罗干涉仪与所述传感法布里-珀罗干涉仪的初始腔长的差值同时满足如下条件：采集所述光纤温度传感探头的反射光谱时，反射光谱下包络的周期大小不会超过采集装置的观测范围；基于所述参考法布里-珀罗干涉仪与所述传感法布里-珀罗干涉仪之间的游标效应探测温度时，探测灵敏度高于预设的灵敏度阈值。

3.如权利要求1所述的光纤温度传感探头，其特征在于，所述陶瓷插芯(4)一端的缝隙处涂有胶粘剂，以使得所述第二单模光纤(3)与所述陶瓷插芯(4)的相对位置固定。

4.如权利要求1所述的光纤温度传感探头，其特征在于，所述陶瓷插芯(4)一端的端面为喇叭形，以便于所述第二单模光纤(3)的另一端插入。

5.如权利要求1所述的光纤温度传感探头，其特征在于，所述陶瓷插芯(4)的内径与所述第二单模光纤(3)的包层直径相等。

6.一种基于权利要求1-5任一项所述的光纤温度传感探头的解调方法，其特征在于，包括如下步骤：

(S1)经所述第一单模光纤(1)的另一端输入宽谱光，并采集被测温度下所述光纤温度传感探头的第一反射光谱；

(S2)对所述第一反射光谱的下包络进行拟合，得到第一包络函数；

(S3)获得所述第一包络函数的极小值点所对应的第一波长；

(S4)根据温度与波长的关系函数解调出所述第一波长所对应的被测温度。

7.如权利要求6所述的解调方法，其特征在于，所述步骤(S4)中，温度与波长的关系函数的获取方法包括：

(T1)设定测试温度；

(T2)经所述第一单模光纤(1)的另一端输入宽谱光，并采集所述测试温度下所述光纤温度传感探头的第二反射光谱；

(T3)对所述第二反射光谱的下包络进行拟合，得到第二包络函数；

(T4)获得所述第二包络函数的极小值点所对应的第二波长，由此得到一组温度与波长的对应关系；

(T5)改变所述测试温度，并转入步骤(T2)；

(T6)重复步骤(T2)～(T5)多次，得到多组不同的温度与波长的对应关系；

(T7)对所获得的多组不同的温度与波长的对应关系进行回归分析，由此得到温度与波长的关系函数。

8.如权利要求7所述的解调方法，其特征在于，所述步骤(T7)中，所采用的回归分析为线性回归分析。