CN112611479A - 一种pdms修饰的双标定微纳光纤光栅温度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种PDMS修饰的双标定微纳光纤光栅温度传感器，由宽带光源、偏振控制器、传感单元、光谱分析仪、光功率计、连接所用的单模光纤组成。检测单元由微纳光纤光栅耦合器构成，由高热光系数，高热膨胀系数的PDMS修饰耦合器的耦合区，构成对温度敏感的传感区域。传感单元处于不同的环境温度，其光纤光栅反射中心波长发生漂移，同时耦合器输出功率发生变化，通过波长漂移和功率变化皆可进行标定环境温度，两者相互独立，互不干扰。该发明为双标定温度传感器，相比于普通温度传感器有着更高的灵敏度，拥有更宽广的工作环境温度，同时便于安装，抗干扰性强，具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于温度测量及高精度传感的技术领域，具体涉及一种PDMS修饰的双标定微纳光纤光栅温度传感器。
背景技术
光纤作为一种光传导工具，在各大工程领域之中皆有运用；光纤温度传感在医学、生物、建筑、航天航空等被广泛运用。
光纤耦合器是一类实现不同光纤内光能量进行分配或重组的光器件；通过特殊工艺手段使不同光纤面相靠近，通过相互交换不同光纤面紧邻光纤芯区中导波能量来达到能量耦合，并产生传导模,双方的模场发生渗透和重叠。
光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，由于其体积小，损耗低，兼容性强的优点从而广泛运用于温度、湿度、应力等传感领域。PDMS为聚合物材料，化学性质稳定，与硅材料的相容性高，具有良好的热光系数和热膨胀系数。
由于普通的光纤光栅温度传感器受限于灵敏度低、长周期性差；不适用于高精度实际的工程传感应用；同时目前的双标定温度传感的研究较少，本发明旨在设计结构简单、可靠性高、灵敏度高、工作范围广的双标定的光纤温度传感器。
发明内容
针对现有温度传感器的不足，本发明的目的在于以微纳光纤耦合器为传感单元主要结构，提出了一种PDMS修饰的双标定微纳光纤光栅温度传感器。具有灵敏度高、抗干扰能力强、工作温度范围广的特点，有利于分布式的工程应用。
本发明通过以下技术方案实现：一种PDMS修饰的双标定微纳光纤光栅温度传感器，由宽带光源(1)、偏振控制器(2)、传感单元(3)、光谱分析仪(4)、光功率计(5)、连接所用的单模光纤(6)组成；其特征在于：所述的传感单元(3)由第一输入臂(31)、第二输入臂(32)、直通臂(33)、耦合臂(34)、耦合区(35)、耦合区的光纤光栅(36)、涂敷在耦合区表面的PDMS(37)组成，宽带光源(1)输出光由单模光纤(6)传输到PC环(2)实现光的偏振控制从而提高传感器整体的准确度，随后光经第一输入臂(31)传输至传感单元(4)进行温度传感，接着光信号一部分经直通臂(33)由单模光纤(6)传输至光功率计(5)进行光功率精密测量，一部分光信号经由光纤光栅(36)反射传输至光谱分析仪(4)分析输出光谱的波长漂移；不同环境温度导致光纤光栅中心波长漂移，同时不同环境温度改变耦合器耦合系数从而影响的耦合器输出功率，按照波长漂移和输出功率变化皆可达到温度传感的目的，又因为波长漂移与输出功率变化互不干扰，从而可分别通过光谱分析仪(4)和光功率计(5)来标定相应的环境温度。
其中，所述的传感单元(3)中的耦合区(35)长度为2.2mm，耦合区(35)纤芯直径d为2.5μm。
其中,所述的传感单元(3)中的耦合区(35)涂敷的PDMS(37)厚度为7～9μm。
其中,所述传感单元(3)中的光纤光栅(36)结构的栅格周期Λ为527nm，中心波长为1550nm，有效折射率为1.47。
本发明的工作原理是：2x2单模光纤耦合器为两根单模光纤相互缠绕后熔融拉锥制成，当两根平行的光纤非常接近时,他们各自传导的模场将引起对方光纤介质的极化,并激励起传导模,从而使双方的模场发生渗透和重叠进而产生耦合。
在单模光纤中，传导模是两个正交的基模。导模进入熔锥区时，随着纤芯的不断变细，归一化频率V值逐渐减小，有越来越多的光功率渗入光纤包层中，因此实际上光功率是在由包层作为芯，纤外介质作为新包层的复合波导中传输。对应的耦合系数为：
上式中:a为耦合区域光纤直径；λ为光波的波长；n2为包层的折射率；
n3为环境介质的折射率。可以看出，除了环境介质的折射率n3外，其他影响耦合系数的参数都是耦合器本身的参数。
经分析推导可得到两根光纤之间光功率满足如下关系式:
P1＝cos2(CL) (2)
P2＝sin2(CL) (3)
其中P1与P2分别为直通臂和耦合臂的输出功率，C为耦合系数，L为耦合长度。
结合式(1)式(2)式(3)可以看出，在耦合器自身参数不变的情况下，光纤耦合的耦合系数与环境介质折射率直接相关，不同的耦合系数决定了不同的光输出功率。因此可以把n3作为传感器设计的切入口，随着外界温度改变，涂敷在耦合区的PDMS的折射率随之改变从而改变了相应环境介质折射率，从而获得不同的输出光功率达到温度标定目的。
本发明中微纳光纤光栅耦合器耦合区为PDMS修饰的光纤光栅的特殊结构，当光通过光纤光栅时，满足布拉格条件的入射光波被反射，反射光谱以满足布拉格条件条件的中心波长发生漂移。根据耦合理论，两相邻导模发生模式耦合，反射波长可以表示为：
λB＝2neffΛ (4)
光纤光栅的有效折射率和光纤光栅周期发生变化，其反射波长将发生漂移。因PDMS具有的高热光系数和热膨胀系数，外界温度的细微变化会引起其折射率的改变以及自身体积变化对外界产生应力，经过PDMS修饰的光纤光栅耦合结构有效地感知外界温度变化从而改变光纤光栅的有效折射率和光栅周期，外界温度变化时反射中心波长发生漂移从而进行温度标定。由于反射波长漂移与耦合器输出功率变化两者独立，互不干扰，从而可分别通过光谱分析仪和光功率计来标定相应的环境温度，同时通过PDMS的增敏处理可以提高的温度传感灵敏性。
本发明的有益效果是：以高热光系数、高热膨胀系数的PDMS涂敷微纳光纤光栅耦合器的耦合区，在提高光纤光栅耦合的热光效应的基础上，增强了光纤光栅结构的温度传感灵敏性，扩大了传感器的温度工作范围。较于普通的单标定温度传感器，此发明将光纤耦合与光纤光栅相结合，提出双标定的温度传感器，可运用于更加广泛的工程应用。
附图说明
图1是基于一种PDMS修饰的双标定微纳光纤光栅温度传感器实验装置示意图。
图2是PDMS修饰的微纳光纤光栅耦合器结构图。
图3是耦合区单根光纤结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图以具体方式进一步说明本发明。
如图1所示，一种PDMS修饰的双标定微纳光纤光栅温度传感器，由宽带光源(1)、偏振控制器(2)、传感单元(3)、光谱分析仪(4)、光功率计(5)、连接所用的单模光纤(6)组成；其特征在于：所述的传感单元(3)由第一输入臂(31)、第二输入臂(32)、直通臂(33)、耦合臂(34)、耦合区(35)、耦合区的光纤光栅(36)、涂敷在耦合区表面的PDMS(37)组成，宽带光源(1)输出光由单模光纤(6)传输到PC环(2)实现光的偏振控制从而提高传感器整体的准确度，随后光经第一输入臂(31)传输至传感单元(4)进行温度传感，接着光信号一部分经直通臂(33)由单模光纤(6)传输至光功率计(5)进行光功率精密测量，一部分光信号经由光纤光栅(36)反射传输至光谱分析仪(4)分析输出光谱的波长漂移；不同环境温度导致光纤光栅中心波长漂移，同时不同环境温度改变的耦合系数从而改变耦合器的输出功率，按照波长漂移和输出功率变化皆可达到温度传感的目的，又因为波长漂移与输出功率变化互不干扰，从而可分别通过光谱分析仪(4)和光功率计(5)来标定相应的环境温度。
Claims (4)
1.一种PDMS修饰的双标定微纳光纤光栅温度传感器，由宽带光源(1)、偏振控制器(2)、传感单元(3)、光谱分析仪(4)、光功率计(5)、连接所用的单模光纤(6)组成；其特征在于：所述的传感单元(3)由第一输入臂(31)、第二输入臂(32)、直通臂(33)、耦合臂(34)、耦合区(35)、耦合区的光纤光栅(36)、涂敷在耦合区表面的PDMS(37)组成，宽带光源(1)输出光由单模光纤(6)传输到PC环(2)实现光的偏振控制从而提高传感器整体的准确度，随后光经第一输入臂(31)传输至传感单元(4)进行温度传感，接着光信号一部分经直通臂(33)由单模光纤(6)传输至光功率计(5)进行光功率精密测量，一部分光信号经由光纤光栅(36)反射传输至光谱分析仪(4)分析输出光谱的波长漂移；不同环境温度导致光纤光栅反射中心波长漂移，同时影响光纤耦合的输出功率，波长漂移与功率变化两者互不干扰，从而可分别通过光谱分析仪(4)和光功率计(5)来标定相应的环境温度。
2.根据权利要求1所述的一种PDMS修饰的双标定微纳光纤光栅温度传感器，其特征在于：检测单元(4)中的光纤光栅耦合器结构为单模2×2结构，耦合区(35)的光纤纤芯为光纤光栅(36)结构，所述的耦合区(35)表面使用PDMS(37)作为温敏材料进行增敏感处理，以PDMS(37)修饰耦合区(35)增强了光纤耦合模间干涉效应的温度灵敏性并且增强双芯间耦合系数温度灵敏性从而影响了输出功率，同时基于光纤光栅的温度传感灵敏特性也同时增强。
3.根据权利要求1所述的一种PDMS修饰的双标定微纳光纤光栅温度传感器，其特征在于：传感单元(4)中的耦合区(35)长度为2.2mm，耦合区(35)纤芯直径d为2.5μm，光纤光栅(36)的栅格周期Λ为527nm，中心波长为1550nm。
4.根据权利要求1所述的一种PDMS修饰的双标定微纳光纤光栅温度传感器，其特征在于：传感单元(4)中的耦合区(35)所涂敷的PDMS(37)厚度为7～9μm。
Priority Applications (1)
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| CN202011513771.2A CN112611479A (zh) | 2020-12-18 | 2020-12-18 | 一种pdms修饰的双标定微纳光纤光栅温度传感器 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113125041A (zh) * | 2021-04-15 | 2021-07-16 | 武汉理工大学 | 一种双重増敏的高灵敏度fbg温度传感器和制造方法 |
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2020
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| CN113125041A (zh) * | 2021-04-15 | 2021-07-16 | 武汉理工大学 | 一种双重増敏的高灵敏度fbg温度传感器和制造方法 |
| CN113125041B (zh) * | 2021-04-15 | 2022-01-11 | 武汉理工大学 | 一种双重増敏的高灵敏度fbg温度传感器和制造方法 |
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