CN110108383A - 基于长f-p腔光纤白光干涉型高温高灵敏度温度传感器 - Google Patents

基于长f-p腔光纤白光干涉型高温高灵敏度温度传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于长F‑P腔光纤白光干涉型高温高灵敏度温度传感器，其主要特征是：该温度传感器是由单模光纤1、金属膜2、无芯光纤3等部分组成，在单模光纤1的两端纤芯区域局部镀金属膜2后，一端与另一段单模光纤1焊接，另一端与无芯光纤3焊接，两个金属膜2之间有光信号的透射与反射，组成F‑P腔，形成集成于一根光纤上的基于长F‑P腔白光干涉型高温高灵敏度温度传感器。由于本发明的固有特性，本发明所给出的温度传感器能够实现高温条件下对所处的环境温度进行精确测量。另外，还具有灵敏度高、结构紧凑、耐高温以及成本低等优点。

Description

基于长F-P腔光纤白光干涉型高温高灵敏度温度传感器
(一)技术领域
本发明属于光纤传感器领域，具体涉及的是一种基于长F-P腔光纤白光干涉型高温高灵敏度温度传感器。
(二)背景技术
温度传感广泛应用于军事、工业以及民营领域，温度传感器种类众多，常见的温度传感器分为接触式与非接触式。非接触式温度传感器敏感元件不与被测对象直接接触，多基于黑体辐射，此类传感器的优点是测量不受敏感元件的温度限制，常见的有红外线式测温仪；接触式温度传感器需要敏感元件与被测对象充分接触，被测对象温度变化，导致传感器内部物理特性发生变化，通过检测这种变化，转换成被测对象的实际温度，常见的接触式温度传感器有热电偶与热敏电阻。
光纤传感器由于其结构简单，成本低廉，抗电磁干扰等众多优点，广泛应用于各种场合的温度、应变以及压力传感。常见的光纤温度传感器有基于拉曼散射、布里渊散射以及瑞利散射的分布式温度传感器，可以实现分布式的温度测量；还有光纤荧光温度传感器、光纤光栅温度传感器以及干涉型温度传感器，这些温度传感器各具特点，但它们的缺点是灵敏度不高，而且在不宜用于高温环境下。
2015年6月北京理工大学公开的发明专利一种高温温度和压力光纤法布里珀罗复合微纳传感器(中国专利申请号：201510300783.X)提出了一种通过在光纤内部微加工圆柱形孔，形成F-P腔，通过两个F-P腔对于温度以及压力的不同响应机理实现温度与压力的同时测量。2016年，两篇实用新型分别是中国计量学院提出的一种反射式F-P腔光纤光栅气压温度传感器(申请号：201620176243.5)和中国计量大学提出的基于液体封装的光纤F-P腔温度传感器(申请号：201620647347.X)。然而这些传感器的测量都需要光谱仪，有的还需要将采集的光谱进行傅里叶变换以及后续处理才能得到实际温度以及压力值，系统复杂，成本高昂，且测试灵敏度受光谱仪分辨率等多种因素制约。
本发明所提供的基于长F-P腔光纤白光干涉高温高灵敏度温度传感器可以适用于高达1000度的高温环境下的温度测量，更具有结构简单，成本低廉，灵敏度高的优点。其独特性是其它传感器系统所不能替代的。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种基于长F-P腔光纤白光干涉型高温高灵敏度温度传感器，可用于高温条件下的温度高灵敏度测量。
本发明的目的是这样实现的：该温度传感器是由单模光纤1、金属膜2、无芯光纤3等部分组成，在单模光纤1的两端纤芯区域局部镀金属膜2后，一端与另一段单模光纤1焊接，另一端与无芯光纤3焊接，两个金属膜2之间有光信号的透射与反射，组成F-P腔，形成集成于一根光纤上的基于长F-P腔白光干涉型高温高灵敏度温度传感器。
基于长F-P腔光纤白光干涉型高温高灵敏度温度传感器，其特征是：两段光纤之间镀一层金属膜2，金属膜2镀于单模光纤1端面局部，未镀膜部分在熔融条件下仍会融合在一起。
基于长F-P腔光纤白光干涉型高温高灵敏度温度传感器，其特征是：输出端接一段无芯光纤3，并将端面切成斜角，角度大于等于8度。防止透射进入无芯光纤3的光再次返回单模光纤1中对温度传感器造成干扰，降低其探测灵敏度。
根据权利要求1所述的基于长F-P腔光纤白光干涉型高温高灵敏度温度传感器，还可以有另外一种结构：由单模光纤1、镀金属膜2的渐变折射率光纤14以及石英毛细管15组成。
本发明提出的基于长F-P腔光纤白光干涉型高温高灵敏度温度传感器，传感器内部光传播示意图如图2中所示。入射光4由第一段单模光纤纤芯1-1-1输入，在第一个金属膜2-1处发生部分反射部分透射，反射光5返回第一段单模光纤纤芯1-1-1中，透过光6经过第二段单模光纤纤芯1-1-2后在第二个金属膜2-2处再次部分反射部分透射，透射光7在无芯光纤3中发生反射和散射；第二个金属膜2-2处反射光8在两个金属膜2形成的F-P腔中多次反射，每次在第一个金属膜2-1处有部分透射光9返回到第一段单模光纤纤芯1-1-1。反射一次、三次、五次以及七次后的部分透射光9的光强仿真曲线如图3中所示。假设F-P腔长度为L，那么在F-P腔内多次反射光的光程依次为2nL(一次反射)、4nL(三次反射)、6nL(五次反射)、8nL(七次反射)。传感器的灵敏度依次为ST(一次反射)、2ST(三次反射)、3ST(五次反射)、4ST(七次反射)。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)灵敏度高。该温度传感器的灵敏度取决于F-P腔内反射光的反射次数，优化金属膜2反射率以及接收端光电探测器探测能力，可大幅度提高传感器测试灵敏度。
(2)耐高温、结构紧凑。由于基于长F-P腔光纤白光干涉型高温高灵敏度温度传感器集成于一根光纤之内，而且中间没有任何连接器，所以具备体积小，结构紧凑、耐高温等特点。
为了进一步说明本发明给出的基于长F-P腔光纤白光干涉型高温高灵敏度温度传感器的基本工作原理，下面结合附图给出更加细致的说明。
(四)附图说明
图1(a)是基于长F-P腔光纤白光干涉型高温高灵敏度温度传感器结构示意图，图1(b)是镀金属膜2后的光纤截面示意图。
图2是传感器中光线传播示意图。
图3是多次反射光的光强随金属膜2反射率变化的计算结果图。
图4是使用该传感器搭建的一个白光干涉型高温高灵敏度温度传感系统。
图5是图4所示温度传感系统灵敏度增强的原理示意图。
图6是基于长F-P腔光纤白光干涉型高温高灵敏度温度传感器的另一种结构示意图。
(五)具体实施方式
下面结合附图实施举例对本发明做更详细地描述：
实施例一：参见图4，图中是一个使用该传感器搭建的一个白光干涉型高温高灵敏度温度传感系统。将温度传感器信号接入一个白光干涉解调仪，对温度传感器反射的白光干涉信号进行解调。图中宽谱光源13、信号处理单元10、光纤环形器11、光纤光程差扫描器12，光程差扫描器12的结构可以是Michelson干涉仪、M-Z干涉仪、Fizeau干涉仪以及Sagnac干涉仪等组成的光程差扫描器，解调从温度传感器中返回的白光干涉信号。
假设进入传感器的光强即入射光4的光强为I0，两个金属膜2的反射率相等为R，经过金属膜2后的损耗为β，那么在金属膜2-1反射的反射光5的光强为
I5＝I0R (1)
经过金属膜2-1后透射光6的光强为
I6＝I0(1-R-β) (2)
在金属膜2-2处的反射光8的光强为
I8(k)＝I6Rk＝I0(1-R-β)Rk k＝1，3，5，7 (3)
其中k为反射次数，反射光8经过金属膜2-1后的部分透射光9的光强为
I9(k)＝I8(1-R-β)＝I0(1-R-β)2Rk k＝1，3，5，7 (4)
多次反射光后透过金属膜2-1的光强随金属膜2反射率变化的计算结果如图3所示，横轴为金属膜2的反射率R，纵轴为反射信号光强，反射率R约为0.8时，七次反射后的反射信号光强达到最大值。
基于光纤的热光效应以及热膨胀效应，有下列公式，可知在温度的改变下使得光纤内光程发生变化，
ΔX＝2[n(T0)·ΔL+Δn·L(T0)] (5)
ΔL＝L(T0)(T-T0)αT (6)
Δn＝n(T0)(T-T0)CT (7)
ΔX＝ST(T-T0) (9)
式中
ST＝2n(T0)L(T0)(αT+CT) (10)
当光纤型号确定时αT，CT均为定值，L(T0)为光纤在初始温度时的长度。由上式可知温度灵敏度ST和光程2nL(T0)相关。
温度传感器的F-P腔内多次反射光的光程依次为2nL(T0)(一次反射)、4nL(T0)(三次反射)、6nL(T0)(五次反射)、8nL(T0)(七次反射)。传感器的灵敏度依次为ST(一次反射)、2ST(三次反射)、3ST(五次反射)、4ST(七次反射)。信号处理单元10采集的峰值间距的变化对应于温度的变化，峰值间距变化示意图如图5中所示。ΔX1、ΔX3、ΔX5和ΔX7分别为反射一次、三次、五次和七次的透射光9与反射光5的干涉信号在温度变化后对应峰值相对移动的距离，从图5中可以看出，随着F-P腔内反射次数的增加，其干涉峰强度逐渐降低，但是干涉峰移动距离成倍数增加，即传感器的灵敏度成倍数增加。
实施例二：参见图6，图中所示结构为本发明的另一个实施例。图6中所示，传感器制作如下步骤：步骤A，单模光纤1与渐变折射率光纤14焊接后，将渐变折射率光纤14截取1/4截距以保证输出光线准直，截取后在渐变折射率光纤14端面镀金属膜2；步骤B，再取一段单模光纤1，其一端与渐变折射率光纤14焊接后，将渐变折射率光纤14截取1/4截距以保证输出光线准直，再将单模光纤1的另一端与渐变折射率光纤14的端面镀金属膜2；步骤C，将步骤A、B完成的光纤段放入石英毛细管15中，石英毛细管15内径略大于光纤直径，在石英毛细管15内保证各段光纤连接顺序如图6所示，两个长度为1/4截距的渐变折射率光纤14之间的连接面为自由对接面；步骤D，将石英毛细管15与单模光纤1用激光焊接，形成焊点16，以固定石英毛细管15内部的各个光纤段。该实施例传感器的传感原理与实施例一基本相同，基于金属膜2的半反半透效果在两段镀金属膜2的渐变折射率光纤14之间形成了一个长F-P腔，光在长F-P腔内多次反射后，使得传感器的温度敏感系数随反射次数呈倍数递增，另由于石英毛细管15、单模光纤1以及渐变折射率光纤14均可以工作于高温环境下，所以本传感器可以用作高温环境下的高灵敏度温度传感。

Claims (4)

1.一种基于长F-P腔光纤白光干涉型高温高灵敏度温度传感器，其主要特征是：该温度传感器是由单模光纤1、金属膜2、无芯光纤3等部分组成，在单模光纤1的两端纤芯区域局部镀金属膜2后，一端与另一段单模光纤1焊接，另一端与无芯光纤3焊接，两个金属膜2之间有光信号的透射与反射，组成F-P腔，形成集成于一根光纤上的基于长F-P腔白光干涉型高温高灵敏度温度传感器。
2.根据权利要求1所述的基于长F-P腔光纤白光干涉型高温高灵敏度温度传感器，其特征是：两段光纤之间镀一层金属膜2，金属膜2镀于单模光纤1端面局部，未镀膜部分在熔融条件下仍会融合在一起。
3.根据权利要求1所述的基于长F-P腔光纤白光干涉型高温高灵敏度温度传感器，其特征是：输出端接一段无芯光纤3，并将端面切成斜角，角度大于等于8度。
4.根据权利要求1所述的基于长F-P腔光纤白光干涉型高温高灵敏度温度传感器，还可以有另外一种结构：由单模光纤1、镀金属膜2的渐变折射率光纤14以及石英毛细管15组成。
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