CN109655176B - 一种基于空腔填充型微结构光纤干涉仪的高精度温度探头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于空腔填充型微结构光纤干涉仪的高精度温度探头，主要由光源、物镜、半透半反镜、光纤结构、探测器组成，其中光纤结构包含光纤纤芯、光纤包层、温敏腔室、反射涂层和反射涂层；光源发射出光透过物镜经过半透半反镜进入光纤纤芯，当光源到达温敏腔室的表面时，一部分光被反射到反射涂层再原路返回进入光纤纤芯；另一部分光直接进入温敏腔室，到达反射涂层后，再原路返回进入光纤纤芯，返回的两路光信号经过半透半反镜反射至探测器。本发明可应用于狭小空间、高腐蚀环境下的温度精准监测，并可以根据实际需要选择不同的敏感材料实现对不同参数的实时监测。
Description
技术领域
本发明属于光纤技术领域，涉及一种基于空腔填充型微结构光纤干涉仪的高精度温度探头，利用温敏材料的高热膨胀和热光效应，实现对环境温度的高精度探测。
背景技术
光纤传感器在航空航天、材料、化工、能源、冶金和建材等领域的温度监测过程中具有广泛的应用。温度的波动变化会直接影响电子器件的工作效率，减低材料的使用寿命甚至导致材料脆变；化学生物实验中温度的精确操控也至关重要，会直接影响合成物质的结构和性能；很多工业过程的精确控制都离开温度的实时、有效监控。以上领域都亟需传感性能优良、精度高、稳定性好的光纤温度传感器件。
光纤温度传感器种类很多，其中光纤光栅(FBG)温度传感器是使用比较广的光纤温度传感器，但是这种传感器的温度灵敏度并不高，并且当温度超过300℃时，紫外刻写的光栅容易被擦除，导致FBG失效。另一方面，当前工业生产生活领域对传感器的要求更加苛刻，很多温度测量环境的测试空间狭窄、电磁干扰强烈、存在化学腐蚀等问题。传统的光纤温度传感探头由于体积受限、灵敏度不高，很难在如此苛刻的环境下应用。
发明内容
本发明提供了一种基于空腔填充型微结构光纤干涉仪的高精度温度探头，解决了狭小空间、高腐蚀环境下温度精准监测的问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下。
一种基于空腔填充型微结构光纤干涉仪的高精度温度探头，该探头包括光源1、物镜2、半透半反镜3、光纤结构4、探测器5、光纤纤芯6、光纤包层7、温敏腔室8、反射涂层A9、反射涂层B10；
所述的温度探头主要由光源1、物镜2、半透半反镜3、光纤结构4、探测器5组成，其中光纤结构4包含光纤纤芯6、光纤包层7、温敏腔室8、反射涂层A9和反射涂层B10；光源1发射出光透过物镜2经过半透半反镜3进入光纤纤芯6，当光源到达温敏腔室8的表面时，一部分光被反射到反射涂层A9再原路返回进入光纤纤芯6；另一部分光直接进入温敏腔室8，到达反射涂层B10后，再原路返回进入光纤纤芯6，返回的两路光信号经过半透半反镜3反射至探测器5。
上述方案中，所述的光源1的输出波长范围为1520-1560nm，所述的物镜2的放大倍率为40倍，所述的半透半反镜3的厚度为2mm，所述的光纤结构4的形状为圆柱形，直径为200微米，长度为10mm，所述的探测器5的响应波长范围为1200-2000nm，所述的光纤纤芯6的直径为20微米，材质为二氧化硅，所述的光纤包层7的材质为聚酰亚胺，所述的温敏腔室8为贯穿光纤的等腰直角三棱柱空心孔，直角边边长为150微米，内部填充的温敏材料为聚二甲基硅氧烷，所述的反射涂层A9和反射涂层B10的材质均为金，厚度均为10微米。
与现有装置相比该装置的优点有
(1)本发明提出的一种基于空腔填充型微结构光纤干涉仪的高精度温度探头，该探头结构紧凑，以光波作为信息传输载体，以光学相位变化精准反映结构微小变化，可以适用于狭窄空间条件下温度的高精度实时监测。
(2)本发明提出的一种基于空腔填充型微结构光纤干涉仪的高精度温度探头，该探头利用独特的三角棱柱空心孔结构，构建双F-P干涉腔，利用两个腔室干涉差分技术，实现温度的精确测定。
(3)本发明提出的一种基于空腔填充型微结构光纤干涉仪的高精度温度探头，温敏腔室可根据实际测量参数种类和工作环境需要，选择合适的材料进行填充，探头的应用范围和可拓展性更好。
附图说明
图1为一种基于空腔填充型微结构光纤干涉仪的高精度温度探头的示意图。
图中：1光源；2物镜；3半透半反镜；4光纤结构；5探测器；6光纤纤芯；7光纤包层；8温敏腔室；9反射涂层A；10反射涂层B。
具体实施方式
下面通过具体实施方式阐明本发明的实质特点和显著进步。
一种基于空腔填充型微结构光纤干涉仪的高精度温度探头，基本原理是多束光的干涉。本发明设计的温度探头主要由光源1、半透半反镜3、光纤结构4、探测器5组成，其中光源1的输出波长范围为1520-1560nm，为常用的C波段近红外光源信号，由该光源发出的光首先通过放大倍率为40倍的物镜2聚焦，而后经过2mm厚的半透半反镜3耦合进入直径为20微米的光纤纤芯6，其材质为二氧化硅，并且外部光纤包层7的材质为聚酰亚胺，其折射率低于二氧化硅，可保证光信号的全反射传输。上述光纤纤芯6和光纤包层7同属于光纤结构4，其外形直径为200微米，长度为10mm。在光纤结构4的另一端用飞秒激光刻蚀方法获得F-P干涉腔，即温敏腔室8，其结构形式为贯穿光纤的等腰直角三棱柱空心孔，直角边边长为150微米，在测量温度过程中，可以在其中灌注温度敏感材料，本实施例中可采用聚二甲基硅氧烷进行填充。光信号在到达温敏腔室8的斜边时一部分反射到反射涂层A9后再反射回光纤纤芯6中；另一部分穿过该斜边进入温敏腔室8在反射涂层B10上反射后回到光纤纤芯6中。反射涂层A9和反射涂层B10的材质均为金，厚度均为10微米，以保证光信号的高效反射。上述两部分光信号在温敏腔室8的斜边与光纤纤芯6的交点位置干涉，同时经半透半反镜3反射，进入探测器5中，其探测波长范围为1200-2000nm。
上述方案中，当环境温度发生变化时，聚二甲基硅氧烷受热膨胀，同时考虑其热光系数的影响，会改变温敏腔室8的几何长度，进而影响探测器5中干涉光的共振波长位置，实现对温度的精准监测。
当需测量湿度、电流、光学辐射强度等不同的外界环境参量时，可以根据实际需要选择不同的敏感材料实现相应功能。
Claims (6)
1.一种基于空腔填充型微结构光纤干涉仪的高精度温度探头，包括光源（1）、物镜（2）、半透半反镜（3）、光纤结构（4）和探测器（5），其中光纤结构（4）包含光纤纤芯（6）、光纤包层（7）、温敏腔室（8）、反射涂层A（9）和反射涂层B（10）；光源（1）发射出光透过物镜（2）经过半透半反镜（3）进入光纤纤芯（6），当光源到达温敏腔室（8）的表面时，一部分光被反射到反射涂层A（9）再原路返回进入光纤纤芯（6）；另一部分光直接进入温敏腔室（8），到达反射涂层B（10）后，再原路返回进入光纤纤芯（6），返回的两路光信号经过半透半反镜（3）反射至探测器（5）；
所述的光源（1）的输出波长范围为1520-1560nm；
所述的探测器（5）的响应波长范围为1200-2000nm；
所述的光纤结构（4）的形状为圆柱形，直径为200微米，长度为10mm；
所述的温敏腔室（8）为贯穿光纤的等腰直角三棱柱空心孔，直角边边长为150微米，内
部填充的温敏材料为聚二甲基硅氧烷；
所述的反射涂层A（9）的材质为金，厚度为10微米。
2.根据权利要求1所述的温度探头，其特征在于：所述的物镜（2）的放大倍率为40倍。
3.根据权利要求1或2所述的温度探头，其特征在于：所述的半透半反镜（3）的厚度为2mm。
4.根据权利要求3所述的温度探头，其特征在于：所述的光纤纤芯（6）的直径为20微米，材质为二氧化硅。
5.根据权利要求1、2或4所述的温度探头，其特征在于：所述的光纤包层（7）的材质为聚酰亚胺。
6.根据权利要求5所述的温度探头，其特征在于：所述的反射涂层B（10）的材质为金，厚度为10微米。
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