CN112284565A - 一种反共振光纤温度探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反共振光纤温度探测器，包括反共振光纤，反共振光纤的其中一端连接扩束光纤，另一端连接耦合光纤；扩束光纤一端与反共振光纤连接，另一端与上路传输光纤连接；上路传输光纤一端与扩束光纤连接，另一端与光纤光源连接；耦合光纤一端与反共振光纤连接，另一端与下路传输光纤连接；下路传输光纤一端与耦合光纤连接，另一端与光纤光谱仪连接。由于二氧化硅材料对温度的敏感特性，温度对相干光束的光程差产生影响，从而使光纤光谱仪读出的干涉条纹随反共振光纤的温度变化而变化。通过监测该条纹的移动，可实现对反共振光纤的高精度温度监测。得益于优化的器件参数，较高的干涉级数，该反共振光纤温度探测器具有较高的温度探测灵敏度。

Description

一种反共振光纤温度探测器

技术领域

本发明涉及光电探测器件技术领域，特别涉及一种反共振光纤温度探测器。

背景技术

目前商用的光纤温度探测器有分布式光纤温度传感器、干涉型光纤温度传感器、光纤布拉格光栅温度传感器等。分布式光纤温度传感器利用OTDR技术，探测拉曼散射光，在大空间范围实现连续、实时的温度测量。由于拉曼反射光信号微弱，通常需要较长的响应时间，同时难以探测温度变化的精确位置，温度探测精度较低；干涉型光纤温度传感器包括MZI型和F-P型温度传感器。虽然传感精度较高，但是传感元件结构复杂，MZI型温度传感器需要两段光纤作为参考臂和测量臂，F-P型温度传感器通过探测端面镀膜的反射光测量温度，该反射光微弱，同时镀膜层容易受外界环境污染；光纤布拉格光栅温度传感器通过温度影响光栅周期和材料折射率引起布拉格波长漂移，从而实现温度测量。然而受限于光纤光栅本身材料参数影响，温度测量精度较低，由于测量元件较长，测量位置精度依然有限。

以上绝大部分探测器探测元件较大，作用距离较长，虽然探测范围较大，同时会导致缺乏对单点的精确探测能力，不能实现局部位置温度变化的监控。同时探测灵敏度受限于探测原理和光纤光栅本身材料参数影响，难以满足高精度温度探测的需求。

发明内容

本发明目的在于提供一种反共振光纤温度探测器，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。

为解决上述技术问题所采用的技术方案：一种反共振光纤温度探测器，包括：反共振光纤，所述反共振光纤的其中一端连接扩束光纤，另一端连接耦合光纤。所述扩束光纤一端与所述反共振光纤连接，另一端与上路传输光纤连接。所述上路传输光纤一端与所述扩束光纤连接，另一端与光纤光源连接。所述耦合光纤一端与所述反共振光纤连接，另一端与下路传输光纤连接。所述下路传输光纤一端与所述耦合光纤连接，另一端与光纤光谱仪连接。

进一步，所述反共振光纤的包层结构为反共振环，内腔结构为正六边形蜂巢状、正八边形蜂巢状或其他形状空气芯层结构。其长度为500微米至2000微米。

进一步，所述扩束光纤为无芯光纤、多模光纤、空芯光纤、悬心光纤、少模光纤、多芯光纤、光子晶体光纤或负曲率空芯光纤等其他类型光纤之一，其长度为4500微米至10000微米。

进一步，所述耦合光纤为无芯光纤、多模光纤、空芯光纤、悬心光纤、少模光纤、多芯光纤、光子晶体光纤或负曲率空芯光纤等其他类型光纤之一，其长度为4500微米至10000微米。

进一步，所述扩束光纤、耦合光纤与反共振光纤的连接为电弧焊接或激光焊接，焊接方式为共心焊接或偏心(错位)焊接。

进一步，所述上路传输光纤、下路传输光纤为单模光纤或其他类型光纤。

进一步，所述光纤光源为宽带光源，输出光空间波长覆盖1.5微米至1.6微米。

进一步，所述光纤光谱仪探测光空间波长覆盖1.5微米至1.6微米，分辨率≤0.02纳米。

进一步，所述扩束光纤、耦合光纤在某些优化方案中可省去该结构，上路传输光纤、下路传输光纤直接与反共振光纤连接，偏心(错位)焊接，或者熔接形成空气泡结构、胀包结构或拉锥结构等之一。

与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

1、温度灵敏度高。得益于优化的器件参数，较高的干涉级数，该反共振光纤温度探测器的温度探测灵敏度对比商用光纤布拉格光栅温度传感器提高4-6倍。

2、探测元件微小，温度监测位置精度达1mm，可用于精确位置实时在线温度监测，如焊点温度监测等。

3、结构简单，对比传统干涉型光纤温度传感器，不需要额外的参考臂和镀膜，通过单条光纤实现温度传感功能。

4、响应时间短，对比传统分布式光纤温度传感器，传感延迟低，响应迅速。

5、全光纤结构，具备光纤耐高温、耐腐蚀、耐恶劣环境等优点。

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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是本发明反共振光纤温度探测器的截面结构示意图；

图2是本发明反共振光纤温度探测器的立体结构示意图；

图3是本发明反共振光纤的横截面示意图；

附图标记说明：

1、反共振光纤；2、扩束光纤；3、耦合光纤；4、上路传输光纤；5、下路传输光纤；6、光纤光源；7、光纤光谱仪。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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，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。

在本发明的描述中，如果具有“若干”之类的词汇描述，其含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参照图1、图2和图3，本发明提供一种反共振光纤温度探测器，包括：反共振光纤1，所述反共振光纤1的其中一端连接扩束光纤2，另一端连接耦合光纤3。所述扩束光纤2一端与所述反共振光纤1连接，另一端与上路传输光纤4连接。所述上路传输光纤4一端与所述扩束光纤2连接，另一端与光纤光源6连接。所述耦合光纤3一端与所述反共振光纤1连接，另一端与下路传输光纤5连接。所述下路传输光纤5一端与所述耦合光纤3连接，另一端与光纤光谱仪7连接。

其中所述反共振光纤1的包层结构为反共振环，内腔结构可以为正六边形蜂巢状、正八边形蜂巢状或其他形状空气芯层结构。所述反共振光纤1长度为500微米至2000微米。所述扩束光纤2为无芯光纤、多模光纤、空芯光纤、悬心光纤、少模光纤、多芯光纤、光子晶体光纤或负曲率空芯光纤等其他类型光纤之一，其长度为4500微米至10000微米。所述耦合光纤3为无芯光纤、多模光纤、空芯光纤、悬心光纤、少模光纤、多芯光纤、光子晶体光纤或负曲率空芯光纤等其他类型光纤之一，其长度为4500微米至10000微米。所述扩束光纤2、耦合光纤3与反共振光纤1的连接为电弧焊接或激光焊接，焊接方式为共心焊接或偏心(错位)焊接。所述上路传输光纤4、下路传输光纤5为单模光纤或其他类型光纤。所述光纤光源6为宽带光源，输出光空间波长覆盖1.5微米至1.6微米。所述光纤光谱仪7探测光空间波长覆盖1.5微米至1.6微米，分辨率≤0.02纳米。所述扩束光纤2、耦合光纤3在某些优化方案中可省去该结构，上路传输光纤4、下路传输光纤5直接与反共振光纤1连接，偏心(错位)焊接，或者熔接形成空气泡结构、胀包结构或拉锥结构等之一。

本反共振光纤温度探测器的工作原理为：光纤光源6发出的宽带光，经上路传输光纤4传导的宽带光到达扩束光纤2。由于模场失配，一部分光激发扩束光纤2的基阶模场，另一部分光激发扩束光纤2的高阶模场。扩束光纤2的基阶模场激发反共振光纤1的空气芯层基阶模场，扩束光纤2的高阶模场激发反共振光纤1二氧化硅反共振环包层高阶模场，以及内部蜂巢状二氧化硅壁中的高阶模场。反共振光纤1中基阶模场与高阶模场在不同的介质中传播，产生较大的光程差，出射至耦合光纤3中通过自聚焦效应耦合为一束光。该光束输入至光纤光谱仪7，可以观察到1.5微米至1.6微米波段的干涉条纹。由于二氧化硅材料对温度的敏感特性，温度对相干光束的光程差产生影响，以及反共振光纤1的包层大尺寸模场引发的高干涉级数，从而使光纤光谱仪7读出的干涉条纹灵敏地随反共振光纤1的温度变化而变化。通过监测该条纹的移动，即可实现对反共振光纤1的高精度温度监测。

在一些优选的实施例中，由于反共振光纤1与扩束光纤2的模场不匹配，扩束光纤2的材料、长度以及与反共振光纤1的焊接方式对最终条纹的衬比度产生影响。当扩束光纤2的长度取7500-8000微米时，焊接扩束光纤2将较均等地激发反共振光纤1中的基阶模场和高阶模场，以产生较高的干涉条纹衬比度。同理，共心和偏心的焊接方式同样会调节条纹的衬比度，通过优化达到更高的条纹衬比度，降低最小探测限。

通过上述实施例的结构，使得本反共振光纤温度探测器具有高温度精度、高位置精度的实时在线探测能力。

在一些优选的实施例中，所述反共振光纤1内腔结构可以为正六边形蜂巢状、正八边形蜂巢状或其他形状空气芯层结构。所述反共振光纤1长度为500微米至2000微米。

在一些优选的实施例中，所述反共振光纤温度探测器可省去所述扩束光纤2、耦合光纤3结构，上路传输光纤4、下路传输光纤5直接与反共振光纤1连接，偏心(错位)焊接，或者熔接形成空气泡结构、胀包结构或拉锥结构等之一。

本发明反共振光纤温度探测器，包括：反共振光纤1，所述反共振光纤1的其中一端连接扩束光纤2，另一端连接耦合光纤3。所述扩束光纤2一端与所述反共振光纤1连接，另一端与上路传输光纤4连接。所述上路传输光纤4一端与所述扩束光纤2连接，另一端与光纤光源6连接。所述耦合光纤3一端与所述反共振光纤1连接，另一端与下路传输光纤5连接。所述下路传输光纤5一端与所述耦合光纤3连接，另一端与光纤光谱仪7连接。经上路传输光纤4传导的宽带光到达扩束光纤2，由于模场失配，一部分光激发扩束光纤2的基阶模场，另一部分光激发扩束光纤2的高阶模场。扩束光纤2的基阶模场激发反共振光纤1的空气芯层基阶模场，扩束光纤2的高阶模场激发反共振光纤1二氧化硅反共振环包层高阶模场，以及内部蜂巢状二氧化硅壁中的高阶模场。反共振光纤1中基阶模场与高阶模场在不同的介质中传播，产生较大的光程差，出射至耦合光纤3中通过自聚焦效应耦合为一束光。该光束输入至光纤光谱仪7，可以观察到1.5微米至1.6微米波段的干涉条纹。由于二氧化硅材料对温度的敏感特性，温度对相干光束的光程差产生影响，从而使光纤光谱仪7读出的干涉条纹随反共振光纤1的温度变化而变化。通过监测该条纹的移动，即可实现对反共振光纤1的高精度温度监测。得益于优化的器件参数，较高的干涉级数，该反共振光纤温度探测器具有较高的温度探测灵敏度。

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作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 (10)

1.一种反共振光纤温度探测器，其特征在于：包括：反共振光纤，所述反共振光纤的其中一端连接扩束光纤，另一端连接耦合光纤；所述扩束光纤一端与所述反共振光纤连接，另一端与上路传输光纤连接；所述上路传输光纤一端与所述扩束光纤连接，另一端与光纤光源连接；所述耦合光纤一端与所述反共振光纤连接，另一端与下路传输光纤连接；所述下路传输光纤一端与所述耦合光纤连接，另一端与光纤光谱仪连接。

2.根据权利要求1所述的反共振光纤温度探测器，其特征在于：所述反共振光纤的包层结构为反共振环，内腔结构为正六边形蜂巢状或正八边形蜂巢状；所述反共振光纤长度为500微米至2000微米。

3.根据权利要求1所述的反共振光纤温度探测器，其特征在于：所述扩束光纤为无芯光纤、多模光纤、空芯光纤、悬心光纤、少模光纤、多芯光纤、光子晶体光纤或负曲率空芯光纤，其长度为4500微米至10000微米。

4.根据权利要求1所述的反共振光纤温度探测器，其特征在于：所述耦合光纤为无芯光纤、多模光纤、空芯光纤、悬心光纤、少模光纤、多芯光纤、光子晶体光纤或负曲率空芯光纤，其长度为4500微米至10000微米。

5.根据权利要求1所述的反共振光纤温度探测器，其特征在于：所述扩束光纤、耦合光纤与反共振光纤的连接为电弧焊接或激光焊接，焊接方式为共心焊接或偏心焊接。

6.根据权利要求1所述的反共振光纤温度探测器，其特征在于：所述上路传输光纤、下路传输光纤为单模光纤。

7.根据权利要求1所述的反共振光纤温度探测器，其特征在于：所述光纤光源为宽带光源，输出光空间波长覆盖1.5微米至1.6微米。

8.根据权利要求1所述的反共振光纤温度探测器，其特征在于：所述光纤光谱仪探测光空间波长覆盖1.5微米至1.6微米，分辨率≤0.02纳米。

9.一种反共振光纤温度探测器，其特征在于：包括：反共振光纤，所述反共振光纤的其中一端连接上路传输光纤连接，另一端连接下路传输光纤；所述上路传输光纤一端与所述反共振光纤连接，另一端与光纤光源连接；所述下路传输光纤一端与所述反共振光纤连接，另一端与光纤光谱仪连接。

10.根据权利要求9所述的反共振光纤温度探测器，其特征在于：所述反共振光纤、上路传输光纤和下路传输光纤为偏心焊接，或者熔接形成空气泡结构、胀包结构或拉锥结构。

Images