CN109115364A - 一种光纤温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤温度传感器，包括：外壳；安装于所述外壳内，将光信号准直和扩束的光纤准直器；安装于所述外壳内，将来自所述光纤准直器的发射光纤的准直光束反射到所述光纤准直器的接收光纤的MEMS芯片。初始状态时，发射光纤的光几乎全部反射到接收光纤，插入损耗很小，当环境温度变化时，芯片反射的角度发生变化，使反射光不能全部反射进接收光纤，光纤准直器的插入损耗变大，温度越高，反射的角度变化越大，光纤准直器的插入损耗越大，环境温度与光纤准直器的插入损耗是一一对应的关系。本发明为全无源设计，结构简单，体积微小，灵敏度高，芯片制作采用成熟的半导体工艺，制造容易，易于大批量生产，成本低。

Description

一种光纤温度传感器

技术领域

本发明涉及光纤温度传感器。

背景技术

光纤通信技术(optical fiber communications)从光通信中脱颖而出，已成为现代通信的主要支柱之一，在现代电信网中起着举足轻重的作用。光纤通信作为一门新兴技术，其近年来发展速度之快、应用面之广是通信史上罕见的，也是世界新技术革命的重要标志和未来信息社会中各种信息的主要传送工具，相关光纤器件得到充分发展成熟。

微机电系统(Micro-electromechanical System，MEMS)是从八十年代中期迅速发展的新技术系统。它是以微电子、微机械与材料科学为基础，来研究、设计、制造具有特定功能的微型装置，是利用微加工技术制造出来的各种微型器件或系统，主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等。MEMS开辟了一个新的技术领域，它不仅涉及元件和系统的设计、材料、测试、控制、集成、能源以及与外界连接等许多方面，还涉及微电子学、微机械学、动力学、物理、化学、生物、材料等基础理论。MEMS的特点是：体积小、重量轻、耗能低、性能稳定；适于大批量生产、生产成本低；惯性小、谐振频率高、响应时间短。MEMS在工业、农业、航空航天、国防、生物医药等方面有着广阔的应用前景。因而它一经出现就受到了人们的高度重视，已成为当今世界范围内研究热点之一。例如，本申请人于2015年申请的申请号201510272182.2的专利申请，公开了一种利用MEMS技术设计的光纤温度传感芯片，就是MEMS技术应用的具体体现之一。

温度是科学技术、日常生活、工业生产中最基本、最重要的物理量之一，温度的检测与控制，在国民经济各个部门和人们的日常生活中，起着十分重要的作用。光纤温度传感器以其具有抗电磁干扰、防燃、防爆、本征安全，尺寸小、对被测温度场影响小等优点，在军工装备、电力工业、机械工业、汽车工业、钢铁工业、石油化工、食品饲料等领域有着巨大的应用潜力。目前的光纤温度传感器种类很多，主要有光纤光栅温度传感器、光纤Fabry-Perot干涉式温度传感器、光纤荧光温度传感器、拉曼光纤温度传感器等。尽管以上这些光纤温度传感器因其良好的传感性能取得了较广泛的应用，但是它们仍然存在不足之处，例如光纤光栅温度传感器波长解调装置复杂，采样间距偏大，串接数量少，光纤Fabry-Perot干涉式温度传感器制作工艺相对复杂，光纤荧光温度传感器对探测装置要求很高，拉曼光纤温度传感器检测电路成本昂贵。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光纤温度传感器，基于MEMS技术，具有结构简单，灵敏度高，灵敏度与测量范围可定制等优点。

实现上述目的的技术方案是：

一种光纤温度传感器，包括：

外壳；

安装于所述外壳内，将光信号准直和扩束的光纤准直器；以及

安装于所述外壳内，将来自所述光纤准直器的发射光纤的准直光束反射到所述光纤准直器的接收光纤的MEMS芯片。

优选的，所述MEMS芯片的反射角度随温度升高而变大。

优选的，所述光纤准直器是单纤的，发射光纤和接收光纤为同一根光纤。

优选的，所述光纤准直器是双纤或者多纤的，发射光纤和接收光纤为不同的光纤。

优选的，所述MEMS芯片包括底座、温度应变驱动臂和MEMS微镜；

所述MEMS微镜的工作面反射光线；

所述温度应变驱动臂连接底座和MEMS微镜；初始状态时，MEMS微镜和底座平行，当环境温度变化时，温度应变驱动臂发生形变，驱动MEMS微镜偏转。

本发明的有益效果是：本发明采用成熟的半导体工艺设计制作，体积微小，全无源，本征安全，制造容易，易于大批量生产，性能稳定，一致性好，成本低廉。对光源、探测器没有特殊要求，同时无需技术复杂、价格昂贵的波长解调设备，属于强度调制型传感器。而且，配合成熟的光纤通信技术非常易于实现准分布海量测试点的实时远距离监测。

附图说明

图1是本发明的光纤温度传感器的单纤初始状态结构示意图；

图2是本发明的光纤温度传感器的单纤形变状态结构示意图；

图3是本发明的光纤温度传感器的双纤初始状态结构示意图；

图4是本发明的光纤温度传感器的双纤形变状态结构示意图；

图5是本发明中温度与MEMS芯片角度的关系曲线图；

图6是本发明中MEMS芯片角度与光纤准直器插入损耗的关系曲线图；

图7是本发明中MEMS芯片的结构图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

请参阅图1-4，本发明的光纤温度传感器，包括外壳1、MEMS芯片2和光纤准直器3。MEMS芯片2和光纤准直器3都安装于外壳1内。外壳1起到保护和密封的作用。

光纤准直器3含发射光纤和接收光纤，用来光纤传输的光信号准直和扩束。光纤准直器3可以是单纤的，也可以是双纤或者多纤的。单纤时，发射光纤和接收光纤为同一根光纤，如图1、2所示；发射光纤和接收光纤是双纤或者多纤时，发射光纤和接收光纤为不同的光纤，如图3、4所示。

MEMS芯片2用来反射来自光纤准直器3的发射光纤的准直光束，使其再反射到光纤准直器3的接收光纤。初始状态时，发射光纤的光几乎全部反射到接收光纤，插入损耗很小，当环境温度变化时，MEMS芯片2角度变化θ，反射光线的角度发生2θ的变化，从而达到形变状态，温度越高，反射的角度变化越大，如图5所示。从而使反射光不能全部反射进接收光纤，插入损耗变大，MEMS芯片2反射的角度与插入损耗的关系如图6所示，所以温度与插入损耗是一一对应的关系，从而可以通过检测光纤准直器3的插入损耗得到温度信息。

MEMS芯片2可以根据设计版图及工艺自由控制，通过改变MEMS芯片2的材料、结构、尺寸等手段，使其反射光线的角度可以按照要求定制，使用MEMS技术设计、加工、生产，是全无源器件。MEMS芯片2采用的是现有技术，例如：申请号201510272182.2的专利申请。如图7所示，MEMS芯片2包括底座21、温度应变驱动臂22和MEMS微镜23。MEMS微镜23的工作面由高光反射率的材料构成，用于反射光线。温度应变驱动臂22由不同热膨胀系数的材料组和制作，用来连接底座21和MEMS微镜23并提供温度变化时的驱动力。初始状态时，MEMS微镜23和底座21平行，当环境温度变化时，温度应变驱动臂22发生形变，从而驱动MEMS微镜23偏转，从而使得入射到MEMS微镜23上的光线发生角度偏转。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (5)

1.一种光纤温度传感器，其特征在于，包括：

外壳；

安装于所述外壳内，将光信号准直和扩束的光纤准直器；以及

安装于所述外壳内，将来自所述光纤准直器的发射光纤的准直光束反射到所述光纤准直器的接收光纤的MEMS芯片。

2.根据权利要求1所述的光纤温度传感器，其特征在于，所述MEMS芯片的反射角度随温度升高而变大。

3.根据权利要求1所述的光纤温度传感器，其特征在于，所述光纤准直器是单纤的，发射光纤和接收光纤为同一根光纤。

4.根据权利要求1所述的光纤温度传感器，其特征在于，所述光纤准直器是双纤或者多纤的，发射光纤和接收光纤为不同的光纤。

5.根据权利要求1所述的光纤温度传感器，其特征在于，所述MEMS芯片包括底座、温度应变驱动臂和MEMS微镜；

所述MEMS微镜的工作面反射光线；

所述温度应变驱动臂连接底座和MEMS微镜；初始状态时，MEMS微镜和底座平行，当环境温度变化时，温度应变驱动臂发生形变，驱动MEMS微镜偏转。