CN110207849A - 一种基于反射式长周期光纤光栅的温度传感器及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于反射式长周期光纤光栅的温度传感器及测量方法。环形器的A端口经接收测试光的第一单模光纤和光源连接，B端口经第二单模光纤和长周期光纤光栅连接；测试光经第一单模光纤输入到环形器，B端口接收测试光后从B端口输出；第二单模连接光纤环形器的B端口并接收B端口输出的测试光第二单模光纤，第二单模光纤上中部形成有长周期光纤光栅并另一端连接反射单元，第二单模光纤在包层涂敷有聚合物，以聚合物所在的第二单模光纤和反射单元作为检测端并置于待测温区中；第三单模光纤与环形器的C端口连接并接收测试光。本发明的传感器制作方法简单、成本低、稳定性好，有助于推动光纤型传感器在传感领域的应用。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于反射式长周期光纤光栅的温度传感器及测量方法。
背景技术
长周期光纤光栅的周期为几十至几百微米，它可以在某特定频段将入射光波由芯层基模耦合到包层模中并由涂敷层损耗掉，从而形成带阻型透射光谱。长周期光纤光栅透射光谱的阻带中心波长会因外界应力、温度、折射率等的变化而变化，且由于其具有尺寸小、响应速度快、抗腐蚀、抗电磁干扰等优点，因此是一种理想的传感元件。但是，由于长周期光纤光栅的透射特性，其作为传感元件时，不能制作反射式探针结构；另外，传统的基于长周期光纤光栅的传感元件，大都基于检测透射光谱阻带中心波长的移动来实现待传感参量的检测，而波长解调的相关设备价格昂贵，体积庞大，造成了长周期光纤光栅在实际应用中的诸多局限。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种基于反射式长周期光纤光栅的温度传感器及测量方法，通过测量反射式长周期光纤光栅反射功率的变化实现待测温区温度的测量。该传感结构简单，性能稳定，便于批量生产和实际应用。
本发明采用的技术方案包括：
一、一种基于反射式长周期光纤光栅的温度传感器：
包括接收测试光的第一单模光纤；
包括具有沿环形周向的A端口、B端口和C端口的环形器，其中，环形器的A端口经第一单模光纤和光源连接，环形器的B端口经第二单模光纤和长周期光纤光栅连接；光源输出测试光，经第一单模光纤输入到环形器，环形器的B端口接收第一单模光纤输出的测试光后从B端口输出；
包括一端与所述环形器的B端口连接且接收B端口输出的测试光第二单模光纤，第二单模光纤上中部形成有长周期光纤光栅，所述第二单模光纤另一端为尾端连接反射单元，长周期光纤光栅与反射单元之间的第二单模光纤在包层的特定位置涂敷有折射率高于第二单模光纤包层折射率的聚合物，即涂敷在第二单模光纤表面的聚合物折射率大于第二单模光纤的包层折射率；以聚合物所在的第二单模光纤和反射单元作为检测端并置于待测温区中以检测温度；测试光从第二单模光纤进入经长周期光纤光栅透射损耗后，入射到反射单元发生反射，然后回到长周期光纤光栅再次透射损耗后入射到环形器的C端口；
包括与环形器的C端口连接并接收来自C端口输入的测试光的第三单模光纤，第三单模光纤输出连接到光功率测量设备。
所述长周期光纤光栅为透射式光栅。
所述的长周期光纤光栅透射谱阻带中心波长在1300nm至1600nm范围内，透射谱阻带中心波长处的功率损耗大于20dB，透射谱阻带功率损耗大于20dB的带宽大于1nm。
所述第二单模光纤上的长周期光纤光栅采用负温度补偿封装，封装后的温度系数小于0.01nm/OC。
所述长周期光纤光栅尾端至所述反射单元之间的第二单模光纤长度为3～10cm，所述长周期光纤光栅尾端至所述反射单元之间的涂敷聚合物的第二单模光纤长度为0.5～2cm，且聚合物紧接反射单元。
具体实施中，对原有具有涂覆层的第二单模光纤去除涂覆层，然后重新涂敷折射率高于第二单模光纤包层折射率的聚合物。
涂敷在第二单模光纤表面的聚合物的厚度大于500μm。
所述第一单模光纤采用截止波长小于1300nm的单模通信光纤，所述第二单模光纤采用截止波长小于1300nm的单模光敏光纤。
所述的反射单元为高反射膜。高反射是指金属膜，例如金膜，银膜。
所述的聚合物采用聚胺脂-丙烯酸脂。
所述的第二单模光纤包层采用石英玻璃。
二、一种基于光纤的温度测量方法：
光源输出测试光，经第一单模光纤输入到环形器，环形器的B端口接收第一单模光纤输出的测试光后从B端口输出到第二单模光纤，由第二单模光纤进入经长周期光纤光栅透射损耗后，入射到反射单元发生反射，然后回到长周期光纤光栅再次透射损耗后入射到环形器的C端口，环形器的C端口输出测试光到第三单模光纤，第三单模光纤输出到光功率测量设备；以聚合物所在的第二单模光纤和反射单元作为检测端并置于待测温区中，测量由第一单模光纤输入到从环形器的C端口输出的测试光的功率损耗，根据通过实验预设标定的功率损耗与温度之间的对应关系获得待测温区的温度。
所述测试光为与所述第二单模光纤上的长周期光纤光栅的透射谱阻带中心波长匹配的激光。
本发明的有益效果是：
本发明应用了光纤中泄漏模损耗机理，通过测量由所述第一单模光纤输入的、经所述第二单模光纤反射单元反射且从环形器C端口输出的测试光的功率损耗，确定待测温区的环境温度，从而摒弃了传统的基于检测长周期光纤光栅透射谱阻带中心波长移动来实现待测温区温度测量的方法，降低了测量成本。
本发明的传感结构简单、性能稳定，便于批量生产和实际应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。
图1为本发明实施例公开的一种温度传感器结构示意图；
图2为本发明实施例公开的一种温度测量方法中输出测试光功率损耗随待测温区环境温度变化的曲线图；
图3为本发明实施例公开的一种温度测量方法流程图。
图中：第一单模光纤101、环形器102、第二单模光纤103、长周期光纤光栅104、反射单元105、聚合物106、待测温区107、第三单模光纤108。
具体实施方式
本发明提供了一种基于反射式长周期光纤光栅的温度传感器，同时与所述传感器对应的，本发明还提供了一种基于反射式长周期光纤光栅的温度测量方法，用于所述传感器。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的实施如图1所示，包括：
包括接收测试光的第一单模光纤101；
包括具有沿环形周向的A端口、B端口和C端口的环形器102，其中，环形器102的A端口经第一单模光纤101和光源连接，环形器102的B端口经第二单模光纤103和长周期光纤光栅104连接；光源输出测试光，经第一单模光纤101输入到环形器102，环形器102的B端口接收第一单模光纤101输出的测试光后从B端口输出；
包括一端与所述环形器102的B端口连接且接收B端口输出的测试光第二单模光纤103，第二单模光纤103上中部形成有长周期光纤光栅104，长周期光纤光栅104的宽度和第二单模光纤103的宽度相同，第二单模光纤103另一端为尾端连接反射单元105，长周期光纤光栅104与反射单元105之间的第二单模光纤103在包层的特定位置涂敷有折射率高于第二单模光纤103包层折射率的聚合物106，即涂敷在第二单模光纤103表面的聚合物106折射率大于第二单模光纤103的包层折射率，聚合物106和长周期光纤光栅104之间不连接；以聚合物106所在的第二单模光纤103和反射单元105作为检测端并置于待测温区107中以检测温度；测试光从第二单模光纤103进入经长周期光纤光栅104透射损耗后，入射到反射单元105发生反射，然后回到长周期光纤光栅104再次透射损耗后入射到环形器102的C端口；
包括与环形器102的C端口连接并接收来自C端口输入的测试光的第三单模光纤108，第三单模光纤108输出连接到光功率测量设备。
第二单模光纤103上的长周期光纤光栅104采用负温度补偿封装，封装后的温度系数小于0.01nm/℃。
其中，第二单模光纤可以使用纤芯半径为2.5μm，包层半径为62.5μm，纤芯材料为掺杂光敏材料的石英玻璃，纤芯折射率为1.458，包层材料为石英玻璃，包层折射率为1.45的单模光敏光纤。这里的单模光敏光纤的纤芯半径、包层半径和折射率参数为优选设定，但并不限于所述固定值。第二单模光纤上的长周期光纤光栅透射谱阻带中心波长为1550nm，阻带透射谱功率损耗大于20dB的带宽为1nm。长周期光纤光栅尾端至所述反射单元间单模光纤已去除涂敷层，且该段单模光纤长度可以为5cm，该长度的确定主要是兼顾所述传感结构的紧凑性。
长周期光纤光栅104尾端至所述反射单元105之间的第二单模光纤103长度为5cm，长周期光纤光栅104尾端至所述反射单元105之间的涂敷聚合物106的第二单模光纤103长度为1cm，且聚合物106紧接反射单元105。
具体实施中，涂敷在所述长周期光纤光栅尾端至所述反射单元间特定长度单模光纤表面的聚合物为折射率为1.48(20℃时)的聚胺脂-丙烯酸脂，其热光系数为-3.6×10- 4RIU/℃。这里的聚合物材料为优选设定，但并不限于所述固定材料。涂敷聚合物的第二单模光纤长度为1cm，该长度为优选设定，但并不限于所述固定值。
所述温度传感器的功能实现过程如下：
将所述温度传感器放入待测温区107，由第一单模光纤101输入1550nm的测试光。测试光经由第一单模光纤101和环形器102进入第二单模光纤103，写在第二单模光纤103上的长周期光纤光栅104将测试光由纤芯模耦合到包层模。通过长周期光纤光栅后，该测试光将以包层模的形式继续在第二单模光纤103中传输，进入具有特定长度的表面涂敷有聚胺脂-丙烯酸脂106的第二单模光纤103段中。
由于该段单模光纤包层折射率小于涂敷的聚胺脂-丙烯酸脂的折射率，故该段光纤支持泄漏的包层模，造成传输测试光功率的损耗，且损耗的大小与聚胺脂-丙烯酸脂的折射率成单调关系。测试光经过该段第二单模光纤段后到达反射单元，被反射单元105反射后再次进入表面涂敷聚胺脂-丙烯酸脂的第二单模光纤中经历二次损耗，剩余的测试光继续传输进入长周期光纤光栅。在长周期光纤光栅中，剩余的测试光由包层模耦合回芯层模，经环形器后进入第三单模光纤，最后被光功率测量设备接收，由光功率测量设备测量出测试光总的功率损耗。由于测试光在特定长度的表面涂敷聚胺脂-丙烯酸脂的第二单模光纤中的损耗与聚胺脂-丙烯酸脂的折射率成单调关系，而聚胺脂-丙烯酸脂折射率又与待测温区107的环境温度成单调关系，因此，输出测试光总的功率损耗与待测温区107的环境温度成单调关系。
图2为仿真得到的使用本发明公开的实施例中的温度传感器进行温度测量时，测试光输出功率损耗随待测温区环境温度变化的关系曲线。由该曲线可以看出，当待测温区的环境温度升高时，所述传感器的测试光传输功率损耗随之增加，二者之间满足一一对应关系。根据曲线可知，该温度传感器在20℃到60℃之间灵敏度为0.1dB/℃，60℃到80℃之间灵敏度为0.26dB/℃，80℃到100℃之间灵敏度为1dB/℃。因此，测得所述温度传感器输出测试光功率损耗后，通过查询功率损耗与温度之间的对应关系表，即可确定待测温区的环境温度。
需要说明的是，本实施例中所述的测试光，对其输出功率的要求为：经过所述温度传感器损耗后仍然能够被光功率测量设备准确测量。参考现有的普通光功率计量程与精度，本实施例优先选用输出功率在0dBm～-20dBm之间的测试光。在实际应用中并不限制于此，可根据具体情况决定使用的输出功率。
与上述实施例中的传感器对应的，本发明实施例的温度测试方法如图3所求，包括步骤：
S201：测量由第一单模光纤101进入的、经第二单模光纤103传输、第二单模光纤103的反射单元105反射并由第三单模光纤108输出的测试光的功率损耗；
S202：参考预设的测试光功率损耗与待测温区环境温度的对应关系(对应关系可以由事先一系列已知待测温区环境温度所测定得到的测试光功率损耗作出)，依据所述测试光的功率损耗，确定待测温区的环境温度。
这里存在两种应用场景：第一，由人工测量，即操作者将传感器放置于待测环境中，然后测量由传感器第三单模光纤输出的测试光的功率，最后经操作者查询光功率损耗与温度间的对应关系确定待测环境的温度；第二，将传感器固定在待测环境中，待测环境温度的变化将直接导致传感器第三单模光纤输出测试光功率的变化，处理器接收功率测量设备测得的光功率，然后直接给出待测环境的温度值。
进一步地，本实施例中所述的测试光为：与写在所述第二单模光纤上的长周期光纤光栅透射谱阻带中心波长匹配的激光。例如，在上一实施例中所述温度传感器所用的测试光为波长1550nm的激光。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本发明中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本发明所示的这些实施例，而是要符合与本发明所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种基于反射式长周期光纤光栅的温度传感器，其特征在于，包括：
包括接收测试光的第一单模光纤(101)；
包括具有沿环形周向的A端口、B端口和C端口的环形器(102)，其中，环形器(102)的A端口经第一单模光纤(101)和光源连接，环形器(102)的B端口经第二单模光纤(103)和长周期光纤光栅(104)连接；光源输出测试光，经第一单模光纤(101)输入到环形器(102)，环形器(102)的B端口接收第一单模光纤(101)输出的测试光后从B端口输出；
包括一端与所述环形器(102)的B端口连接且接收B端口输出的测试光第二单模光纤(103)，第二单模光纤(103)上中部形成有长周期光纤光栅(104)，所述第二单模光纤(103)另一端连接反射单元(105)，长周期光纤光栅(104)与反射单元(105)之间的第二单模光纤(103)在包层的特定位置涂敷有折射率高于第二单模光纤(103)包层折射率的聚合物(106)；以聚合物(106)所在的第二单模光纤(103)和反射单元(105)作为检测端并置于待测温区(107)中；测试光从第二单模光纤(103)进入经长周期光纤光栅(104)透射损耗后，入射到反射单元(105)发生反射，然后回到长周期光纤光栅(104)再次透射损耗后入射到环形器(102)的C端口；
包括与环形器(102)的C端口连接并接收来自C端口输入的测试光的第三单模光纤(108)，第三单模光纤(108)输出连接到光功率测量设备。
2.根据权利要求1所述的一种基于反射式长周期光纤光栅的温度传感器，其特征在于：
所述的长周期光纤光栅(104)透射谱阻带中心波长在1300nm至1600nm范围内，透射谱阻带中心波长处的功率损耗大于20dB，透射谱阻带功率损耗大于20dB的带宽大于1nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于反射式长周期光纤光栅的温度传感器，其特征在于：所述第二单模光纤(103)上的长周期光纤光栅(104)采用负温度补偿封装，封装后的温度系数小于0.01nm/℃。
4.根据权利要求1所述的一种基于反射式长周期光纤光栅的温度传感器，其特征在于：所述长周期光纤光栅(104)尾端至所述反射单元(105)之间的第二单模光纤(103)长度为3～10cm，所述长周期光纤光栅(104)尾端至所述反射单元(105)之间的涂敷聚合物(106)的第二单模光纤(103)长度为0.5～2cm，且聚合物(106)紧接反射单元(105)。
5.根据权利要求1所述的一种基于反射式长周期光纤光栅的温度传感器，其特征在于：所述第一单模光纤(101)采用截止波长小于1300nm的单模通信光纤，所述第二单模光纤(103)采用截止波长小于1300nm的单模光敏光纤。
6.根据权利要求1所述的一种基于反射式长周期光纤光栅的温度传感器，其特征在于：所述的反射单元(105)为高反射膜。
7.根据权利要求1所述的一种基于反射式长周期光纤光栅的温度传感器，其特征在于：所述的聚合物(106)采用聚胺脂-丙烯酸脂。
8.根据权利要求1所述的一种基于反射式长周期光纤光栅的温度传感器，其特征在于：所述的第二单模光纤(103)包层采用石英玻璃。
9.应用于权利要求1所述温度传感器的一种基于光纤的温度测量方法，其特征在于：以聚合物(106)所在的第二单模光纤(103)和反射单元(105)作为检测端并置于待测温区(107)中，测量由第一单模光纤(101)输入到从环形器(102)的C端口输出的测试光的功率损耗，根据功率损耗与温度之间的对应关系获得待测温区(107)的温度。
10.根据权利要求9所述的一种基于光纤的温度测量方法，其特征在于：
所述测试光为与所述第二单模光纤(103)上的长周期光纤光栅(104)的透射谱阻带中心波长匹配的激光。
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