CN110763356A - 基于光纤波导结构的温度探测器及系统 - Google Patents

基于光纤波导结构的温度探测器及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于光纤波导结构的温度探测器及系统，具体而言，涉及温度测量领域。当使用该温度探测器对温度进行检测的时候，使用该热探测部深入到待测环境中，将待测环境中的热出传递到该热膨胀部，该热膨胀部受热膨胀，使得该第一反射部和第二反射部之间的距离变大，由于该第一反射部和该第二反射部相对设置，则该第一反射部和该第二反射部之间的空腔相当于谐振腔，该第一反射部和第二反射部之间的距离变大使得该谐振腔的耦合情况发生改变，通过该谐振腔反射光谱的变化情况，和该谐振腔反射光谱的变化情况与温度的对应关系就可以得到准确的待测环境的温度。

Description

基于光纤波导结构的温度探测器及系统
技术领域
本发明涉及温度测量领域，具体而言，涉及一种基于光纤波导结构的温度探测器及系统。
背景技术
温度是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，随着科学的发展，对温度测量的准确性要求越来越高。
现有技术中，一般采用电子温度计实现较为准确的温度测量，电子温度计采用温度传感器，根据电阻和电流的关系完成对温度的测量。
但是，在不同温度下，电子温度计的阻值会温度的高边而改变，使得对温度的测量不准确。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种基于光纤波导结构的温度探测器及系统，以解决现有技术中对温度的测量不准确的问题。
为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种基于光纤波导结构的温度探测器，温度探测器包括：光纤和探测部，探测部设置在光纤的一端；
探测部包括：第一反射部、第二反射部、热探测部和热膨胀部，第一反射部和第二反射部相对设置，且第一反射部和第二反射部之间形成一个空腔，热探测部和热膨胀部设置在空腔内部，其中，热膨胀部受热膨胀。
可选地，该第一反射部和第二反射部的材料为二氧化硅材料。
可选地，该热膨胀部包括周期设置的多个圆盘形热膨胀结构。
可选地，该热探测部为多层结构。
可选地，该热探测部的材料为石墨烯。
可选地，该温度探测器还包括第一金属膜和第二金属膜，第一金属膜设置在第一反射部靠近热探测部的一侧，第二金属膜设置在第二反射部靠近热膨胀部的一侧。
可选地，该第一反射部的长度不等于第二反射部的长度。
可选地，该温度探测器还包括包裹层，包裹层包裹第一反射部和第二反射部远离光纤的一端。
第二方面，本发明实施例提供了另一种基于光纤波导结构的温度探测系统，温度探测系统包括：光谱仪和第一方面任意一项的温度探测器，光谱仪与光纤远离探测部的一端连接，用于检测探测部的反射光谱。
本发明的有益效果是：
本申请通过将第一反射部和第二反射部相对设置，且第一反射部和第二反射部之间形成一个空腔，热探测部和热膨胀部设置在空腔内部，其中，热膨胀部受热膨胀，当使用该温度探测器对温度进行检测的时候，使用该热探测部深入到待测环境中，将待测环境中的热出传递到该热膨胀部，该热膨胀部受热膨胀，使得该第一反射部和第二反射部之间的距离变大，由于该第一反射部和该第二反射部相对设置，则该第一反射部和该第二反射部之间的空腔相当于谐振腔，该第一反射部和第二反射部之间的距离变大使得该谐振腔的耦合情况发生改变，通过该谐振腔反射光谱的变化情况，和该谐振腔反射光谱的变化情况与温度的对应关系就可以得到准确的待测环境的温度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于光纤波导结构的温度探测器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种基于光纤波导结构的温度探测器反射效果图；
图3为本发明实施例提供的另一种基于光纤波导结构的温度探测器的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的另一种基于光纤波导结构的温度探测器的结构示意图。
图标：10-光纤；20-探测部；21-第一反射部；22-第二反射部；23-热探测部；24-热膨胀部；25-第一金属膜；26-第二金属膜。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一金属板实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1为本发明实施例提供的一种基于光纤波导结构的温度探测器的结构示意图，如图1所示，本申请实施例提供一种基于光纤波导结构的温度探测器，温度探测器包括：光纤10和探测部20，探测部20设置在光纤10的一端；探测部20包括：第一反射部21、第二反射部22、热探测部23和热膨胀部24，第一反射部21和第二反射部22相对设置，且第一反射部21和第二反射部22之间形成一个空腔，热探测部23和热膨胀部24设置在空腔内部，其中，热膨胀部24受热膨胀。
该探测部20的形状可以是圆柱形，也可以是其他形状，为了更清楚的说明，此处以该探测部20的形状为圆柱形进行说明，且该圆柱形探测部20的半径可以与光纤10的纤芯的半径一致，在此不做具体限定，该探测部20和该光纤10连接，该探测部20中的第一反射部21和第二反射部22的形状均可以为半圆柱形，该第一反射部21和该第二反射部22平面的一面相对，且该第一反射部21和该第二反射部22的平面均可以反射光线，使得照射进入到该探测部20的光可以在该第一反射部21和该第二反射部22之间进行传播，该热探测部23的形状可以是针形，有利于深入到待测环境内部，该热膨胀部24的材料为热膨胀材料；当使用该温度探测器对温度进行检测的时候，使用该热探测部23深入到待测环境中，将待测环境中的热出传递到该热膨胀部24，该热膨胀部24受热膨胀，使得该第一反射部21和第二反射部22之间的距离变大，由于该第一反射部21和该第二反射部22相对设置，则该第一反射部21和该第二反射部22之间的空腔相当于谐振腔，该第一反射部21和第二反射部22之间的距离变大使得该谐振腔的耦合情况发生改变，通过该谐振腔反射光谱的变化情况，和该谐振腔反射光谱的变化情况与温度的对应关系就可以得到准确的待测环境的温度，该谐振腔反射光谱的变化情况与温度的对应关系根据实验测量得到，在此不做具体说明，该第一反射部21和第二反射部22之间空间的宽度不同对该温度探测器的反射光谱具有一定的影响，具体的影响情况根据实际测量得到，在此不做赘述，该热探测部23可以是该探测部20的延伸部。
图2为本发明实施例提供的另一种基于光纤波导结构的温度探测器反射效果图，如图2所示，图2中横坐标为第一反射部21和第二反射部22的间距，纵坐标为反射率，该温度探测器中光纤10的截面的边长为400纳米，该光纤10的长度为3600纳米，输入光的波长为1550纳米的时候，在同一个基模，改变第一反射部21和第二反射部22的间距时会得到不同的反射率，从图中可以得到，该间距为40nm时，该温度探测器的反射率为0.43%。
可选地，该第一反射部21和第二反射部22的材料为二氧化硅材料。
为了照射进入该探测部20的光可以更好地在该第一反射部21和第二反射部22之间进行传播，则可以将该第一反射部21和第二反射部22的材料设置为二氧化硅。
可选地，该热膨胀部24包括周期设置的多个圆盘形热膨胀结构（图中未示出）。
该热膨胀部24是由多个圆盘形的热膨胀结构构成，将热膨胀材料制作为圆盘形形成热膨胀结构，将多个热膨胀结构周期设置在该第二反射部22和热探测部23之间，该热膨胀材料根据需要进行选择，在此不做限定，一般的该热膨胀材料为铍、铝、锑和铜中任意一种或多种，该热膨胀结构的设置周期可以是圆形周期，可以是方形周期，还可以是其他形状的周期，根据实际需要继续选择，在此不做限定。
可选地，该热探测部23为多层结构（图中未示出）。
为了测量更加准确，则可以将热膨胀部23设置为多层，也就是在第二反射部22和热膨胀部24之间还设有一层石墨烯层或热探测层，使得该温度探测器吸收更多的热。
可选地，该热探测部23的材料为石墨烯。
由于石墨烯具有很好的导热性，并且结构强度较佳，将该热探测部23的材料设置为石墨烯材料。
图3为本发明实施例提供的另一种基于光纤波导结构的温度探测器的结构示意图，如图2所示，可选的，该温度探测器还包括第一金属膜25和第二金属膜26，第一金属膜25设置在第一反射部21靠近热探测部23的一侧，第二金属膜26设置在第二反射部22靠近热膨胀部24的一侧。
第一反射部21的上层和第二反射部22的下层均设有贵金属薄膜，其中，靠近第一反射部21的贵金属薄膜为第一金属膜25，靠近第二反射部22的贵金属薄膜为第二金属膜26，该第一金属膜25和该第二金属膜26不仅加强了结构的稳定性，而且将在第一反射部21和第二反射部22中传播的能量限制在其中，如此，损耗到空间中的能量减少，能量将大部分被限制在该探测部20中，当热膨胀层温度变化时，反射回光接收器的光谱变化更明显，探测灵敏度高。
图4为本发明实施例提供的另一种基于光纤波导结构的温度探测器的结构示意图，如图3所示，可选的，该第一反射部21的长度不等于第二反射部22的长度。
第一反射部21和第二反射部22的长度不同，这样光要传播到较长部的右侧顶端，然后反射回来，再次与另外一部耦合，形成两不同波长共振之间的耦合，形成法诺共振模式，提高了探测灵敏度。
可选地，该第一反射部21和第二反射部22的厚度不同，厚度不同是的该第一反射部21和第二反射部22的平面的表面积不同，使得该形成法诺共振模式，提高了探测灵敏度。
名词解释，法诺共振的线形来自于两个散射振幅的干涉，一个是连续态的散射，另一个则是离散态的激发。共振态的能量必须处于连续态的能量范围，此效应才会发生。在共振能量附近，背景散射的振幅随着能量的变化通常很和缓；但共振散射的振幅的幅度及相位，变化都相当的快，从而导致了非对称的发生。在能量离共振能量很远时，背景散射占主要地位。
可选地，温度探测器还包括包裹层（图中未示出），包裹层包裹第一反射部21和第二反射部22远离光纤10的一端。
该包裹层包裹该第一反射部21和第二反射部22远离光纤10的一端，当光在该探测部20中传输的时候，如此，该探测部20可以吸收更多的热量，也有利于第一反射部21和第二反射部22将更多的光聚集在其中，减少了光的损耗，提高了探测信号的强度，降低了探测的难度，也就是降低了对光接收器的要求。
本申请通过将第一反射部21和第二反射部22相对设置，且第一反射部21和第二反射部22之间形成一个空腔，热探测部23和热膨胀部24设置在空腔内部，其中，热膨胀部24受热膨胀，当使用该温度探测器对温度进行检测的时候，使用该热探测部23深入到待测环境中，将待测环境中的热出传递到该热膨胀部24，该热膨胀部24受热膨胀，使得该第一反射部21和第二反射部22之间的距离变大，由于该第一反射部21和该第二反射部22相对设置，则该第一反射部21和该第二反射部22之间的空腔相当于谐振腔，该第一反射部21和第二反射部22之间的距离变大使得该谐振腔的耦合情况发生改变，通过该谐振腔反射光谱的变化情况，和该谐振腔反射光谱的变化情况与温度的对应关系就可以得到准确的待测环境的温度。
本申请实施例还提供了另一种基于光纤波导结构的温度探测系统，温度探测系统包括：光谱仪和上述任意一项的温度探测器，光谱仪与光纤远离探测部20的一端连接，用于检测探测部20的反射光谱。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于光纤波导结构的温度探测器，其特征在于，所述温度探测器包括：光纤和探测部，所述探测部设置在所述光纤的一端；
所述探测部包括：第一反射部、第二反射部、热探测部和热膨胀部，所述第一反射部和所述第二反射部相对设置，且所述第一反射部和所述第二反射部之间形成一个空腔，所述热探测部和所述热膨胀部设置在所述空腔内部，其中，所述热膨胀部受热膨胀。
2.根据权利要求1所述的基于光纤波导结构的温度探测器，其特征在于，所述第一反射部和所述第二反射部的材料为二氧化硅材料。
3.根据权利要求1所述的基于光纤波导结构的温度探测器，其特征在于，所述热膨胀部包括周期设置的多个圆盘形热膨胀结构。
4.根据权利要求1所述的基于光纤波导结构的温度探测器，其特征在于，所述热探测部为多层结构。
5.根据权利要求4所述的基于光纤波导结构的温度探测器，其特征在于，所述热探测部的材料为石墨烯。
6.根据权利要求1所述的基于光纤波导结构的温度探测器，其特征在于，所述温度探测器还包括第一金属膜和第二金属膜，所述第一金属膜设置在所述第一反射部靠近所述热探测部的一侧，所述第二金属膜设置在所述第二反射部靠近所述热膨胀部的一侧。
7.根据权利要求1所述的基于光纤波导结构的温度探测器，其特征在于，所述第一反射部的长度不等于所述第二反射部的长度。
8.根据权利要求1所述的基于光纤波导结构的温度探测器，其特征在于，所述温度探测器还包括包裹层，所述包裹层包裹所述第一反射部和所述第二反射部远离所述光纤的一端。
9.一种基于光纤波导结构的温度探测系统，其特征在于，所述温度探测系统包括：光谱仪和权利要求1-8任意一项所述的温度探测器，所述光谱仪与所述光纤远离所述探测部的一端连接，用于检测所述探测部的反射光谱。
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