CN109668652A - 一种玻璃管填充的光纤温度测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种玻璃管填充的光纤温度测量装置，包括沿信号输入到信号输出方向，通过单模光纤依次连接的超连续谱光源、空心玻璃管填充结构和光谱分析仪，该装置还包括温度测量模块，温度测量模块包括柱式炉和温度控制器；其中：超连续谱光源用于产生宽谱光；空心玻璃管填充结构置于柱式炉内，空气玻璃管填充结构包括填充部分和未填充部分，填充部分内部填充有酒精溶液；温度控制器用于控制柱式炉内的环境温度。本发明利用空心玻璃管内部分填充酒精溶液形成反谐振波导，利用光谱仪监测到外界温度变化引起的谐振波长谷值处输出功率的线性变化，从而实现了对外界温度的有效测量。
Description
技术领域
本发明涉及光纤温度测量技术领域，尤其涉及一种玻璃管填充的光纤温度测量装置。
背景技术
准确的温度测量在光纤通信和光纤传感系统中是十分重要的。目前，体积小、成本低的温度传感是光纤传感领域的一个重要研究方向，它在现代工业应用的许多层面都有涉及。由于光纤的一些优良特性：尺寸小、成本低、抗电磁干扰、耐高温高压等，基于光纤形式的温度传感器目前已成为温度传感领域的一个主流热点；近期报道了一种基于空心玻璃管结构反谐振效应的光纤温度传感器受到关注，但其探测灵敏度较低。利用该强度型温度传感器制作的温度测量装置包括空心玻璃管、单模光纤、偏振控制器，其中空心玻璃管内并未填充液体，因此导致强度型温度传感器对外界环境温度的感知不够灵敏，即对温度测量的灵敏度较低，尤其在外界温度变化幅度较小时，该强度型温度传感器无法检测到温度变化。为了解决这一问题，我们提出一种基于空心玻璃管填充部分酒精液体形成的反谐振波导结构，以期实现一种新颖的光纤温度传感器。该传感探测系统具有尺寸小、成本低、结构简单、容易解调等优点。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种玻璃管填充的光纤温度测量装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种玻璃管填充的光纤温度测量装置，包括沿信号输入到信号输出方向，通过单模光纤依次连接的超连续谱光源、空心玻璃管填充结构和光谱分析仪，该装置还包括温度测量模块，温度测量模块包括柱式炉和温度控制器；其中：
超连续谱光源用于产生宽谱光；
空心玻璃管填充结构置于柱式炉内，空气玻璃管填充结构包括填充部分和未填充部分，填充部分内部填充有酒精溶液；
温度测量模块中，通过温度控制器控制柱式炉的温度，实现对空心玻璃管填充结构环境温度的控制；
光谱分析仪用于分析通过空心玻璃管填充结构后的宽谱光，通过检测输出反谐振光谱的波长和功率变化，利用温度升高时会导致玻璃管内酒精溶液的液面上升,从而对反谐振效应起到抑制作用，反谐振输出光谱的泄露谷值处的功率会随之上升，根据该处输出功率与温度之间的线性变化关系即可实现对外界温度的测量。
进一步地，本发明的空心玻璃管填充结构包括一个空心玻璃管，空心玻璃管两端分别熔接普通单模光纤；空心玻璃管内部部分填充酒精溶液形成填充部分；空心玻璃管填充结构置于待检测的温度测量模块内。
进一步地，本发明的空心玻璃管内径和外径分别选用75μm和125μm。
进一步地，本发明的空心玻璃管的长度选用1.5～2.5cm，其中填充部分的长度选用4mm～6mm。
进一步地，本发明的酒精溶液用作温敏材料，其浓度为99.9％，热膨胀系数1.1×10-3。
进一步地，本发明的光谱分析仪波长范围控制在1040-1340nm。
本发明提供一种玻璃管填充的光纤温度测量装置的空心玻璃管填充结构的制备方法，包括以下步骤：
S1、取一个空心玻璃管，将空心玻璃管的一端用光纤切割刀切平，保证端面平整；
S2、将切过的一端插入酒精溶液中，由于“毛细作用”液面会上升，当观察到上升达到5mm时取出；
S3、将填充了部分酒精的空心玻璃管一端与普通单模光纤熔接，熔接前经过多次放电将酒精残留去除，放电功率小于普通单模光纤之间的熔接设置；然后将空心玻璃管的另一端切平，保留空心玻璃管长度为2cm；
S4、将空心玻璃管切平后的一端与普通单模光纤熔接，形成所述的空心玻璃管填充结构。
本发明产生的有益效果是：本发明的玻璃管填充的光纤温度测量装置，利用结构小巧的空心玻璃管填充部分酒精溶液形成反谐振波导，实现对外界温度的有效测量，同时具有尺寸小、成本低、结构简单、容易解调等优点。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为玻璃管填充的光纤温度测量装置的结构示意图；
图2为空心玻璃管填充结构的示意图。
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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例的玻璃管填充的光纤温度测量装置，包括沿信号输入到信号输出方向，通过单模光纤7依次连接的超连续谱光源1、空心玻璃管填充结构2和光谱分析仪4，该装置还包括温度测量模块，温度测量模块包括柱式炉和温度控制器3；其中：
超连续谱光源1用于产生宽谱光；
空心玻璃管填充结构2置于柱式炉内，空气玻璃管填充结构2包括填充部分6和未填充部分5，填充部分6内部填充有酒精溶液；
温度测量模块中，通过温度控制器3控制柱式炉的温度，实现对空心玻璃管填充结构2环境温度的控制；
光谱分析仪4用于分析通过空心玻璃管填充结构2后的宽谱光，通过检测输出反谐振光谱的波长和功率变化，得到环境的温度变化值。
如图2所示，空心玻璃管填充结构2包括一个空心玻璃管，空心玻璃管两端分别熔接普通单模光纤7；空心玻璃管内部部分填充酒精溶液形成填充部分6；空心玻璃管填充结构2置于待检测的温度测量模块内。
空心玻璃管内径和外径分别选用75μm和125μm。空心玻璃管的长度选用1.5～2.5cm，其中填充部分6的长度选用4mm～6mm。酒精溶液用作温敏材料，其浓度为99.9％，热膨胀系数1.1×10-3。光谱分析仪4波长范围控制在1040-1340nm。
本发明实施例的玻璃管填充的光纤温度测量装置的空心玻璃管填充结构的制备方法，包括以下步骤：
S1、取一个空心玻璃管，将空心玻璃管的一端用光纤切割刀切平，保证端面平整；
S2、将切过的一端插入酒精溶液中，由于“毛细作用”液面会上升，当观察到上升达到5mm时取出；
S3、将填充了部分酒精的空心玻璃管一端与普通单模光纤熔接，熔接前经过多次放电将酒精残留去除，放电功率小于普通单模光纤之间的熔接设置；然后将空心玻璃管的另一端切平，保留空心玻璃管长度为2cm；
S4、将空心玻璃管切平后的一端与普通单模光纤熔接，形成所述的空心玻璃管填充结构。
本发明的较佳实施例中，参见图1，玻璃管填充的光纤温度测量装置至少包括：超连续谱光源1通过空心玻璃管填充结构及温度探测模块2连接至光谱分析仪4构成光路；超连续谱光源1用来产生宽谱光，空心玻璃管填充结构置于柱式炉内共同构成空心玻璃管填充结构及温度探测模块2；温度控制器3用于控制空心玻璃管填充结构及温度探测模块2的环境温度；光谱分析仪4用于检测输出光谱的波长和功率的变化情况。
参见图2，空心玻璃管填充结构包括：空心玻璃管填充部分6和空心玻璃管未填充部分一同被熔接到普通单模光纤7之间形成完整光纤波导结构。空心玻璃管内/外径为75/125μm，总长为2cm左右；填充的酒精溶液浓度为99.9％，填充长度为5mm左右。
在本实施例中，通过在单模光纤之间嵌入空心玻璃管，并在空心玻璃管中填充部分酒精溶液形成了反谐振波导结构。在谐振波长处，会形成模式溢出，这导致光谱中出现下降谷值点，由于填充的酒精溶液在温度变化的情况下长度会发生改变，从而导致光谱发生变化，此外，比较玻璃管结构填充前后的光谱，除了功率损耗之外，其谐振波长处的损耗dip位置基本没有发生变化。
因为根据反谐振反射波导公式：
公式中，D表示玻璃管厚度，n代表玻璃管折射率，m表示级数，λdip表示谐振波长。
可知谐振波长只与玻璃管壁厚和玻璃管折射率有关。温度升高时，液体膨胀会使得液位上升会对反谐振泄露效果起到抑制作用，从而导致损耗的下降点变浅，即功率上升，因此可以用来测量外界温度的变化。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种玻璃管填充的光纤温度测量装置，其特征在于，包括沿信号输入到信号输出方向，通过单模光纤(7)依次连接的超连续谱光源(1)、空心玻璃管填充结构(2)和光谱分析仪(4)，该装置还包括温度测量模块，温度测量模块包括柱式炉和温度控制器(3)；其中：
超连续谱光源(1)用于产生宽谱光；
空心玻璃管填充结构(2)置于柱式炉内，空气玻璃管填充结构(2)包括填充部分(6)和未填充部分(5)，填充部分(6)内部填充有酒精溶液；
温度测量模块中，通过温度控制器(3)控制柱式炉的温度，实现对空心玻璃管填充结构(2)环境温度的控制；
光谱分析仪(4)用于分析通过空心玻璃管填充结构(2)后的宽谱光，通过检测输出反谐振光谱的波长和功率变化，利用温度升高时会导致玻璃管内酒精溶液的液面上升,从而对反谐振效应起到抑制作用，反谐振输出光谱的泄露谷值处的功率会随之上升，根据该处输出功率与温度之间的线性变化关系即可实现对外界温度的测量。
2.根据权利要求1所述的玻璃管填充的光纤温度测量装置，其特征在于，空心玻璃管填充结构(2)包括一个空心玻璃管，空心玻璃管两端分别熔接普通单模光纤(7)；空心玻璃管内部部分填充酒精溶液形成填充部分(6)；空心玻璃管填充结构(2)置于待检测的温度测量模块内。
3.根据权利要求2所述的玻璃管填充的光纤温度测量装置，其特征在于，空心玻璃管内径和外径分别选用75μm和125μm。
4.根据权利要求2所述的玻璃管填充的光纤温度测量装置，其特征在于，空心玻璃管的长度选用1.5～2.5cm，其中填充部分(6)的长度选用4mm～6mm。
5.根据权利要求1所述的玻璃管填充的光纤温度测量装置，其特征在于，酒精溶液用作温敏材料，其浓度为99.9％，热膨胀系数1.1×10-3。
6.根据权利要求1所述的玻璃管填充的光纤温度测量装置，其特征在于，光谱分析仪(4)波长范围控制在1040-1340nm。
7.一种权利要求1所述的玻璃管填充的光纤温度测量装置的空心玻璃管填充结构的制备方法，其特征在于,包括以下步骤：
S1、取一个空心玻璃管，将空心玻璃管的一端用光纤切割刀切平，保证端面平整；
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