CN109060169A - 一种基于细径光纤的高温传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于细径光纤的高温传感器，涉及高温传感器。设有第1段多模光纤和第2段多模光纤，在第1段多模光纤与第2段多模光纤之间插入一段细径光纤；所述第1段多模光纤和第2段多模光纤为阶跃型多模光纤。所述第1段多模光纤和第2段多模光纤的包层直径为125μm，纤芯直径为62.5μm；所述细径光纤的长度为4mm，细径光纤包层直径为40μm，纤芯直径可为6μm。第1段多模光纤的输入端采用超连续激光光源作为光源，第2段多模光纤的输出端接光谱分析仪。与光源和光谱仪连接就可以实现温度的检测，成品定标后，可以直接读出温度值。当温度变化时，打开电源即可实时监测。

Description

一种基于细径光纤的高温传感器

技术领域

本发明涉及高温传感器，尤其是涉及一种基于细径光纤的高温传感器。

背景技术

温度是科学技术研究中最基础的物理参量之一，而实际上在每个精确处理的研究过程中都必须精确监测和控制温度变化。特别在高温领域具有重要应用，如石油汽开发、能源制造、发动机引擎点火、粉末焚烧等优化过程中^[1,2]，在工厂生产相关材料：晶体生长、瓷器制作、金属和玻璃等材料的热处理过程中^[3]，对高温环境的精确控制尤为重要。近些年，凭借其在恶劣环境(高温高压、高腐蚀、电磁辐射等)中独特的抗干扰能力，光纤高温传感器已成为国内外研究热点。其中，光纤布拉格光栅(FBG)凭借其带宽窄、易波分复用等优点^[4]在光纤应用市场占主导地位，但是基于UV光敏特性刻写的光栅在高温环境易擦除(最高使用温度<500℃)且灵敏度低(～0.01nm/℃)；通过飞秒激光刻蚀FBG^[5，6]或其他光纤微结构^[7,8]，以及选用纯石英或单种波导材料如蓝宝石光纤^[5,6]、光子晶体光纤^[9]、空心光纤^[10]、悬芯光纤^[11]等，可避免在高温环境下出现掺杂离子扩散纤芯膨胀^[12,13]等问题，从而实现大于1000℃的高温检测。但这些光纤高温传感方案存在材料与制作成本昂贵、特种光纤与单模光纤熔接困难导致插入损耗较大、制作过程复杂等问题。另外，有报导基于光纤熔融拉锥方法制作光纤耦合器可实现1283℃的高温检测，但该光纤结构脆弱，腰径只有2.5μm，拉锥区较长(～2.5cm)具有偏振效应，容易受环境振动影响。而当光纤直径减小到几微米时，极易吸引空气微粒或水分子聚积在光纤表面^[14，15]，使得激发的高阶模式被削弱或消失，因此这种光纤实际不宜直接暴露在空气中进行高温测量。基于模式干涉效应的光纤温度传感器也有大量报道^[16]，但是基于芯子模(core mode)间的干涉，如双芯光纤、多芯光纤、少模光纤等^[17-19]制作的马赫-增德干涉仪，由于光纤芯区有掺杂，其玻璃转化转变温度较低，导致基于两个芯模之间干涉的高温传感器在800℃附近波长－温度曲线存在拐点，在800℃以上的高温传感中无法应用。相比之下，由于包层模所在区域主要由纯石英的包层材料构成，而纯石英材料的温度稳定性远好于掺杂的光纤芯区，因此基于芯模与包层模干涉的高温传感器可以在更大的温度范围使用。2017年Zhao等人报导将普通单模光纤与细芯光纤两端熔接制作花生结结构激发细芯光纤的包层模，构成基于芯模与包层模干涉的马赫-增德干涉仪，实现低成本的30～1000℃的高温测量^[20]，温度灵敏度为0.087nm/℃。但该结构形状在制作过程难以控制，器件制作重复性低，插入损耗大，温度灵敏度也比较低。

基于常规的光纤制作工艺目前已能批量生产各种外径的单模光纤。包层直径减小的细径单模光纤(thin diameter fiber,TDF)，在基于芯模－包层模耦合的干涉式传感器中比采用常规125μm直径的光纤将有更大的优势。由于包层直径的减小，光纤支持的包层模数量显著降低，干涉仪输出信号将更稳定。为进一步提高包层模的激发效率，在本发明中我们在普通单模光纤的输出连接一段多模光纤(Multi Mode Fiber，MMF)，将单模光纤基模光场扩束，然后再与外径40μm的细径光纤连接。这种方式制作的传感器干涉条纹更佳清晰，有更大的消光比。实验上我们通过在细径光纤(～4mm)两端对准熔接两小段多模光纤(MMF～1mm)，即可制作结构简单，尺寸小，灵敏度高，成本低廉的高温传感器，实现检测温度达1000℃。制得的马赫-增德干涉仪结构干涉条纹清晰(仅纤芯基模和单个高阶模干涉)，对比度大(>20dB),具有大的自由光谱范围(取L<5mm,FSR>40nm)。并且使用的小尺寸传感光纤(40～55μm)，使得激发的包层模传输的光更容易进入倏逝场受外环境影响，其温度灵敏度由光纤本身的热膨胀、热光系数以及高温环境中光纤表面随温度变化的空气折射率共同决定，因此灵敏度更高。实验中，测得温度变化100～850℃范围的灵敏度为0.102nm/℃，温度大于850℃时检测灵敏度高达0.285nm/℃。此外，有研究表明，当光纤直径大于40μm时，光纤表面吸引力较小，可避免微粒沉积^[15]，适宜暴露在空气中检测。

参考文献

[1]J.Bugge,S.Kjaer,and R.Blum,“High-efficiency coal-fired powerplantsdevelopment and perspectives,”Energy 31,1437–1445(2006).

[2]P.Chiesa and E.Macchi,“A thermodynamic analysis of differentoptions to break 60％electric efficiency in combined cycle power plants,”J.Eng.Gas Turb.Power 126,770–785(2004).

[3]G.Machin,“A pan-European project to solve high temperaturemeasurement problems in industry,”Meas.Control 45,315–318(2012).

[4]A.D.Kersey,“Fiber grating sensors,”J.Lightw.Technol.,vol.15,no.8,pp.1442–1463,Aug.1997.

[5]Yang S,Homa D,Pickrell G,et al，“Fiber Bragg grating fabricated inmicro-single-crystal sapphire fiber，”Optics Letters,2018,43(1):62-65.

[6]Habisreuther T,Elsmann T,Pan Z,et al，“Sapphire fiber Bragggratings for high temperature and dynamic temperature diagnostics，”AppliedThermal Engineering,2015,91:860-865.

[7]Qu S,Li Y,Liu Y，“Single microchannel high-temperature fiber sensorby femtosecond laser-induced water breakdown，”Optics Letters,2013,38(3):335-7.

[8]Jiang L,Yang J,Wang S,et al，“Fiber Mach–Zehnder interferometerbased on microcavities for high-temperature sensing with high sensitivity，”Optics Letters,2011,36(19):3753-5.

[9]Xu P,Dong Y,Zhou D,et al，1200℃ high-temperature distributedoptical fiber sensing using Brillouin optical time domain analysis[J].AppliedOptics,2016,55(21):5471.

[10]Liu D,Wu Q,Mei C,et al.Hollow Core Fiber Based Interferometer forHigh Temperature(1000℃)Measurement[J].Journal of Lightwave Technology,2018,PP(99):1-1.

[11]Warrensmith S C,Nguyen L V,Lang C,et al，“Temperature sensing upto 1300℃ using suspended-core microstructured optical fibers，”OpticsExpress,2016,24(4):3714.

[12]K.Shiraishi,Y.Aizawa,and S.Kawakami,“Beam expanding fiber usingthermal diffusion of the dopant,”J.Lightwave Technol.8(8),1151–1161(1990).

[13]M.Kihara,M.Matsumoto,T.Haibara,and S.Tomita,“Characteristics ofthermally expanded core fiber,”J.Lightwave Technol.14(10),2209–2214(1996).

[14]Ding M,Wang P,et al,“A microfiber coupler tip thermometer,”OpticsExpress,2012,20(5):5402-8.

[15]Chen N K,Yang T H,et al，“High sensitivity stretched-abrupt-tapered Mach-Zehnder interferometer with optical attractive force for activemicrosensing applications.”Applied Physics Letters,2013,102(17):1105-463.

[16]Duan L,Zhang P,Tang M,et al.Heterogeneous all-solid multicorefiber based multipath Michelson interferometer for high temperature sensing[J].Optics Express,2016,24(18):20210.

[17]Rugeland P,Margulis W.“Revisiting twin-core fiber sensors forhigh-temperature measurements,”Applied Optics,2012,51(25):6227-32.

[18]Zhou S,Huang B,Shu X,“A multi-core fiber based interferometer forhigh temperature sensing,”Measurement Science&Technology,2017,28(4):045107.

[19]Chen D,Jiang X.All-fiber temperature sensor based on few modefiber and single-mode fiber[J].Microwave&Optical Technology Letters,2013,55(7):1700–1703.

[20]Na Zhao,Qijing Lin,et al，“High temperature high sensitivity Mach-Zehnder interferometer based on waist-enlarged fiber bitapers,”Sensors andActuators,2017,267:491–495.

[21]Liu G,Li K,Wei L,et al,“Ultrasensitive measurement of gasrefractive index using an optical nanofiber coupler,”Optics Letters,2018,43(4):679-682.

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于细径光纤的高温传感器。

本发明设有第1段多模光纤和第2段多模光纤，在第1段多模光纤与第2段多模光纤之间插入一段细径光纤；所述第1段多模光纤和第2段多模光纤为阶跃型多模光纤。

所述第1段多模光纤和第2段多模光纤的包层直径可为125μm，纤芯直径可为62.5μm；所述细径光纤的长度可为4mm，细径光纤包层直径可为40μm，纤芯直径可为6μm。

第1段多模光纤的输入端采用超连续激光光源(SCS)作为光源，第2段多模光纤的输出端接光谱分析仪(OSA)。

本发明的基于细径光纤的高温传感器与光源和光谱仪连接就可以实现温度的检测，成品定标后，可以直接读出温度值。当温度变化时，打开电源即可实时监测。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例的光纤MTM结构的干涉波长随温度变化关系图。在图2中，标记1为100℃，2为150℃，3为200℃，4为250℃，5为300℃，6为350℃，7为400℃，8为450℃，9为500℃，10为550℃，11为600℃，12为650℃，13为700℃，14为750℃，15为800℃，16为850℃，17为900℃，18为950℃，19为1000℃。

图3为本发明实施例的干涉波长移动与温度变化的拟合关系图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

参见图1，本发明实施例设有第1段多模光纤1和第2段多模光纤2，在第1段多模光纤1与第2段多模光纤2之间插入一段细径光纤3；所述第1段多模光纤1和第2段多模光纤2为阶跃型多模光纤。

所述第1段多模光纤1和第2段多模光纤2的包层直径为125μm，纤芯直径为62.5μm；所述细径光纤3的长度为4mm，细径光纤包层直径为40μm，纤芯直径为6μm。

第1段多模光纤1的输入端采用超连续激光光源(SCS,SC-5,YSL co.,Ltd.480～2400nm)作为光源，第2段多模光纤2的输出端接光谱分析仪(OSA,Optical SpectrumAnalayzer,ANDO AQ6317B)记录不同温度下MTM结构的传输谱。

多模光纤-细径光纤-多模光纤(Multi Mode Fiber-Thin Diameter Fiber-MultiMode Fiber)MTM结构光纤传感器如图1所示，两小段的多模光纤之间插入一段4mm长的细径光纤，细径光纤包层直径40μm，纤芯直径为6μm。类似于分束和合束功能的光纤为阶跃型多模光纤，包层直径为125μm，纤芯直径为62.5μm，所述在第1段多模光纤1与第2段多模光纤2之间插入一段细径光纤3的熔接过程中长度通常取1～2mm，为了防止细径光纤在熔接过程中由于强度过大产生弯曲形变，细径光纤与多模光纤之间的熔接通过光纤熔接机(DVP-720A)手动模式完成，设置熔接机放电持续时间为80ms，放电强度为60bit，再将多模光纤-细径光纤-多模光纤(Multi Mode Fiber-Thin Diameter Fiber-Multi Mode Fiber)MTM结构两端分别接输入单模光纤(Input SMF)与输出单模光纤(Output SMF)作为连接跳线，熔接完成后将该结构放入高温箱中，采用超连续激光光源(SCS,SC-5,YSL co.,Ltd.480～2400nm)作为光源，用光谱分析仪(OSA,Optical Spectrum Analayzer,ANDO AQ6317B)记录不同温度下MTM结构的传输谱，测量结果如图2所示，干涉波谷随着温度的升高向长波长方向移动。根据不同温度下波长的漂移量做出拟合曲线，如图3所示，可以看出850℃之后的灵敏度相较之前显著增大，850℃前后测得的温度灵敏度分别为0.102nm/℃和0.285nm/℃。

以下给出本发明的检测原理：

本发明的传感原理为基于纤芯模式和包层模式之间的干涉。入射光经单模光纤进入传感结构,在MMF1(多模光纤1)处，由于多模和细径光纤之间纤芯尺寸失配，激发出高阶模在包层传输一段距离后，与原本纤芯模式传输的光在MMF2(多模光纤2)处重新叠加干涉。由于二氧化硅材料本身的热膨胀和热光效应，光纤的纤芯和包层等效折射率受温度调制。其中，包层的等效折射率由光纤包层的有效折射率和光纤表面的空气等效折射率^[19]共同决定，温度变化引起相位差发生改变。所以通过监测干涉波长的移动可以有效测量外环境的温度变化。对于包层直径为40～55μm的光纤来说，一方面：当包层直径减小到一定程度时，光纤表面进入倏逝场与外媒介相互作用的光子变多，相较于125μm直径的光纤，对外媒介的响应更灵敏。另一方面，包层和外媒介折射率差值越小时，倏逝波穿透能力越强。即当外媒介的折射率向包层折射率靠近时，倏逝波穿透媒介的深度越深，倏逝尾波走过的等效光程越远，光程差变化越大，即外媒介折射率变化越大灵敏度越高。在实验中，高温检测在高温炉中进行，相对密闭空间里，温度升高，压强增大，折射率升高^[21]，即外环境温度大范围变化时会引起空气折射率的改变，因而遵循光纤表面折射率越接近包层折射率值时灵敏度越大的规律，这也是实验中细径光纤MZI干涉波长会随大范围温度变化呈非线性关系的原因之一。

Claims (4)

1.一种基于细径光纤的高温传感器，其特征在于设有第1段多模光纤和第2段多模光纤，在第1段多模光纤与第2段多模光纤之间插入一段细径光纤；所述第1段多模光纤和第2段多模光纤为阶跃型多模光纤。

2.如权利要求1所述一种基于细径光纤的高温传感器，其特征在于所述第1段多模光纤和第2段多模光纤的包层直径为125μm，纤芯直径为62.5μm。

3.如权利要求1所述一种基于细径光纤的高温传感器，其特征在于所述细径光纤的长度为4mm，细径光纤包层直径为40μm，纤芯直径为6μm。

4.如权利要求1所述一种基于细径光纤的高温传感器，其特征在于所述第1段多模光纤的输入端采用超连续激光光源作为光源，第2段多模光纤的输出端接光谱分析仪。