CN110207845A - 一种基于微纳光纤和端面反射的温度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微纳光纤和端面反射的温度传感器，包括：激光光源、光功率计、耦合器和微纳光纤，所述激光光源与耦合器的第一端口连接，所述耦合器的第二端口与光功率计连接，所述耦合器的第三端口与微纳光纤连接，所述微纳光纤的表面涂覆有环氧树脂涂层。本发明结构简单，对待测环境的温度检测精确度高，对比传统的微纳光纤温度计，本发明对温度变化的灵敏度提高了约10％。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，特别涉及一种基于微纳光纤和端面反射的温度传感器。
背景技术
温度是一个十分重要的信息和物理量，与我们的日常生活紧密相连，如对人体散热机能的影响、物品的储存、机器的运行等。另外，温度的变化会引起环氧树脂折射率的变化，温度的变化与折射率的变化量成正比的关系，因而可通过测量折射率间接测量环境温度。
微纳光纤以其损耗小、价格低廉、易于批量生产等优点，被广泛应用于探测、医疗、通信等各个领域，发挥着不可或缺的作用。近年来，由于微纳光纤具有倏逝场大，高非线性等优点，已经越来越多研究将其应用到测量物质的折射率方向。现有技术中用于测量温度的传感器体积较大、制备复杂、设计不灵活。
发明内容
本发明提供一种结构简单的基于微纳光纤的温度传感器。
本发明解决其技术问题的解决方案是：
一种基于微纳光纤和端面反射的温度传感器，包括：激光光源、光功率计、耦合器和微纳光纤，所述激光光源与耦合器的第一端口连接，所述耦合器的第二端口与光功率计连接，所述耦合器的第三端口与微纳光纤连接，所述微纳光纤的表面涂覆有环氧树脂涂层。
作为上述技术方案的进一步改进，所述激光光源的波长为1550nm。
作为上述技术方案的进一步改进，还包括基台，所述基台呈槽状，所述微纳光纤落入在基台的凹槽中，其中，基台的槽壁与微纳光纤抵接。
作为上述技术方案的进一步改进，所述微纳光纤的直径为1.0-5.0μm。
本发明的有益效果是：本发明结构简单，对待测环境的温度检测精确度高，对比传统的微纳光纤温度计，本发明对环境温度变化的灵敏度提高了约10％。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
实施例1，参考图1，一种基于微纳光纤和端面反射的温度传感器，包括：激光光源100、光功率计300、耦合器200和微纳光纤500，所述激光光源100与耦合器200的第一端口连接，所述耦合器200的第二端口与光功率计300连接，所述耦合器200的第三端口与微纳光纤500连接，所述微纳光纤500的表面涂覆有环氧树脂涂层400。
本实施例的工作原理：
将所述微纳光纤500放入到待测环境中，激光光源100的光从耦合器200的第一端口输入，光束通过耦合器200后从耦合器200的第三端口输入到微纳光纤500中，所述微纳光纤500内的光束在微纳光纤500和环氧树脂涂层400的作用下发生菲涅尔反射，产生倏逝波，形成倏逝场。倏逝波通过微纳光纤500后从耦合器200的第三端口进入耦合器200，所述倏逝波从耦合器200的第二端口输出到光功率计300检测，光功率计300检测倏逝波的光强。
所述环氧树脂涂层400的材质为环氧树脂，当环境的温度发生改变，环氧树脂的折射率发生改变。本实施例利用环氧树脂的折射率对环境温度的高灵敏性来检测环境温度。
菲涅尔公式为：
其中，I0是入射光强，n1和n2分别为两种介质的折射率，I反为反射光强。
对于环氧树脂涂层400，其折射率的变化与温度变化的关系近似如下：
其中是热光系数，在固定的温度范围内是一个常数，Δn是环氧树脂涂层400折射率的变化值。
首先在将所述微纳光纤500放置在待测环境之前，检测当时环氧树脂涂层400的折射率n0。
激光光源100发出的光束通过第一端口进入耦合器200，光束经过耦合器200的分光后分别进入微纳光纤500和光功率计300，通过光功率计300来检测入射光功率计300的光强以及耦合器200已知的分光比，即可得到微纳光纤500的入射光强。射入微纳光纤500的光束在微纳光纤500和环氧树脂涂层400的共同作用下发生发生菲涅尔反射，产生倏逝波，形成倏逝场，所述倏逝波通过第三端口返回耦合器200，耦合器200通过第二端口将所述倏逝波发送到光功率计300，光功率计300检测所述倏逝波，得到所述微纳光纤500的反射光强。
未放入待测环境，所述微纳光纤500的反射光强为I1：
其中，I1为微纳光纤500未放入待测环境时微纳光纤500的反射光强，所述I0为微纳光纤500的入射光强，所述nf为微纳光纤500的折射率，所述n0为未放入待测环境时环氧树脂涂层400的折射率。
保证微纳光纤500的入射光强，将微纳光纤500放入待测环境中，环境温度发生变化，环氧树脂涂层400折射率发生变化，同理检测微纳光纤500在待测环境中的反射光强I2，此时反射光强为：
其中，nx是环氧树脂涂层400放入待测环境后的折射率。
通过求I1和I2的差值，得到反射光强变化ΔI：
其中dB、dBm和mw均为光功率的单位。
根据公式(6)可得到：
其中，
根据公式(2)可得到
其中是热光系数，在固定的温度范围内是一个常数，C0为常数，T为待测环境的温度值，将公式(7)和公式(6)代入公式(9)可得到：
解得：
将得到的微纳光纤500的折射率nf，微纳光纤500的入射光强I0，反射光强变化ΔI，未放入待测环境时环氧树脂涂层400的折射率n0、常数和C0代入公式(10)即可得出待测环境的温度值T。
其中公式(2)和公式(9)分别为参考文献Chen J，Huang X.Fresnel-reflection-based fiber sensor for on-line measurement of ambient temperature[J].OpticsCommunications，2010，283(9)：1674-1677中的公式(1)和公式(9)。
采用本发明温度传感器和电子温度计同时对室内温度进行检测，本传感器测量的室内温度结果为25.3℃，而电子温度计测量的室内温度结果为25.6℃，两者相近，即证明本发明可对环境温度的检测精度高。对比传统的微纳光纤500温度计，本发明对温度变化的灵敏度提高了约10％。
本发明通过光学菲涅尔反射检测得到环氧树脂涂层400的折射率变化，根据其变化通过公式计算出待测环境的温度值。本发明结构简单，对温度变化灵敏度高，对待测环境的温度检测精确度高。
作为上述技术方案的进一步改进，所述激光光源100的波长为1550nm。
作为上述技术方案的进一步改进，还包括基台600，所述基台600呈槽状，所述微纳光纤500落入在基台600的凹槽中，其中，基台600的槽壁与微纳光纤500抵接。
所述基台600呈槽状，所述微纳光纤500落入在基台600的凹槽中，其中，基台600的槽壁与微纳光纤500抵接。所述基台600的槽壁包围着所述微纳光纤500，所述基台600起到了承接和保护所述微纳光纤500的作用。
作为上述技术方案的进一步改进，所述微纳光纤500的直径为1.0-5.0μm。
所述微纳光纤500的直径为1.0-5.0μm，产生的倏逝波更强，效果更加明显。意外发现，通过减小微纳光纤500的直径可提高本发明温度传感器的灵敏度。因为微纳光纤500直径越小它的倏逝场越强，效果越明显。微纳光纤500直径越小，光的倏逝场效应越大，环氧树脂涂层400温度变化后的折射率变化引起的光强差值越大，所以越灵敏。因此本实施例的微纳光纤500的直径为1.0-5.0μm。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (4)
1.一种基于微纳光纤和端面反射的温度传感器，其特征在于，包括：激光光源、光功率计、耦合器和微纳光纤，所述激光光源与耦合器的第一端口连接，所述耦合器的第二端口与光功率计连接，所述耦合器的第三端口与微纳光纤连接，所述微纳光纤的表面涂覆有环氧树脂涂层。
2.根据权利要求1所述的一种基于微纳光纤和端面反射的温度传感器，其特征在于：所述激光光源的波长为1550nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于微纳光纤和端面反射的温度传感器，其特征在于：还包括基台，所述基台呈槽状，所述微纳光纤落入在基台的凹槽中，其中，基台的槽壁与微纳光纤抵接。
4.根据权利要求1所述的一种基于微纳光纤和端面反射的温度传感器，其特征在于：所述微纳光纤的直径为1.0-5.0μm。
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