CN112857611B - 一种基于游标效应的光纤温度增强传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于游标效应的光纤温度增敏传感器的制备方法，该制备方法通过镀金膜、空气腔和光纤F‑P腔的联用，使得制备得到的级联F‑P传感器形成三个反射面，从而形成了游标效应，游标效应使得自由光谱区大幅度扩大，使得传感器的灵敏度成倍的提高。

Description

一种基于游标效应的光纤温度增强传感器

技术领域

本发明涉及光纤技术领域，具体涉及一种基于游标效应的光纤温度增敏传感器。

背景技术

光纤传感器具有体积小、重量轻、结构简单、抗电磁干扰、耐腐蚀等多项优点，近年来各种光纤温度传感器被开发与应用。光纤法-珀传感器作为一种干涉型的传感器，具有结构紧凑、稳定性好、耐受恶劣工作环境的优点，在航空航天、石油化工、能源等领域快速发展。制作光纤法-珀腔的方法包括飞秒激光加工、不同光纤熔接、光纤光栅串联、纤内镀膜、微加工等。当两个法-珀腔级联在一起时，会产生游标效应，传感器的灵敏度会有较大的提高。

2019年刘燕燕等人设计了一种分离型光纤传感增敏结构，并联连接两个腔长相近的法布里-珀罗(F-P)腔，实验结果表明，增敏结构的压强灵敏度值由单F-P结构的4.85nm/MPa提高到43.95nm/MPa，温度灵敏度由单F-P腔的0.0675nm/℃提高至0.40364nm/℃。2017年Hae Young Choi等人采用传统的电弧放电技术，利用空心光子晶体光纤和传统单模光纤制作了光纤法-珀干涉仪，干涉结构由几个本征法-珀腔组成该结构温度灵敏度为27pm/℃。2015年Zhang Peng等人通过在两个单模光纤之间拼接一段空心光纤，并将其中一个单模光纤切割到一定长度，制成了一种高温光纤传感器，温度灵敏度为1.019nm/℃。2014年Hyungdae Bae等人由金属/聚合物复合膜片和聚合物/硅组成双腔法-珀传感器，温度灵敏度为0.0029μm/℃。虽然，经过逐步的改善，传感器的灵敏度已经大大提升，但是传感器的灵敏度仍有不足。

如果在传感器结构中引入游标效应，传感器的灵敏度将成倍提高。

发明内容

本发明为了解决现有技术中传感器灵敏度不够的问题，提供了一种基于游标效应的光纤温度增敏传感器，该传感器的制备方法具体如下：

(1)首先准备两段单模光纤F1和F2，将F1端面切平为M1端，将F2进行两次切割，形成长度为另一段经过两次切割形成光纤段，所述光纤段具有M2端和M3端，所述切割具有一定切割角度；

(2)将所述M1端、M2端和M3端镀金膜，根据时间和电流控制镀膜厚度；

(3)镀膜完成后，先后将单模光纤F2和单模光纤F1穿入毛细玻璃管中形成光纤F-P腔，其中，所述M1端、M2端和M3端成为3个反射面，所述M1端和M2端相临，二者之间形成空气腔；

(4)将玻璃管一端进行胶封，另一端光纤与铝合金基片固定，最终将玻璃管胶封在铝合金基底上，最终得到级联F-P传感器；

步骤(1)中所述切割角度控制在0.3°以内，所述光纤段的长度为10mm；

步骤(2)中所述镀金莫使用的为溅射镀膜仪，所述镀膜厚度分别为2.5nm、3.2nm、3.2nm；

步骤(3)中所述毛细管的外径为18mm，内径为128μm，长度为28mm；

步骤(3)中所述光纤F-P腔的长度为10mm，所述空气腔的长度为100μm；

本发明还提供了一种由上述方法制备的基于游标效应的光纤温度增敏传感器；

所述传感器具有M1、M2和M3三个反射面，所述三个反射面的总反射光强满足以下公式：

其中，

k₁、k₂为两个谐振腔的传输损耗；φ₁、φ₂为光在谐振腔内传输导致的相移，R₁、R₂、R₃分别为M1、M2、M3三个端面的反射率

与现有技术相比较，本发明具有的有益之处在于：

本发明提供一种基于游标效应的光纤温度增敏传感器的制备方法，该制备方法通过镀金膜、空气腔和光纤F-P腔的联用，使得制备得到的级联F-P传感器形成三个反射面，从而形成了游标效应，游标效应使得自由光谱区大幅度扩大，使得传感器的灵敏度成倍的提高。

附图说明

图1为实施例中级联F-P腔结构示意图；

图2中(a)图为实施例中制备的级联光纤F-P传感器实物图；(b)为传感器在显微镜下观察到的空气腔结构；

图3为实施例中级联F-P传感器的反射光谱；

图4为试验例中温度标定系统的结构图；

图5为32℃和40℃时传感器的反射光谱；

图6为对传感器反射谱的波谷进行包络拟合的结果；

图7为利用线性函数对升温测量所得的数据进行拟合得到的曲线图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现，说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

实施例

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。下面通过具体的实施例对本发明的一种基于游标效应的光纤温度增敏传感器进行说明：

(1)首先，准备两段单模光纤F1和F2(康宁SM-28)，将F1端面切平为M1端，将F2进行两次切割，形成长度为另一段经过两次切割形成长度为10mm的光纤段，该光纤段具有M2端和M3端，两次切割的切割角度均控制在0.3°以内；

(2)将切割完成的M1端、M2端和M3端镀金膜，根据时间和电流控制镀膜厚度，最终镀金膜厚度分别为2.5nm、3.2nm、3.2nm。；

(3)镀膜完成后，先后将单模光纤F2和单模光纤F1穿入外径为18mm，内径为128μm，长度为28mm的毛细玻璃管中形成光纤F-P腔，长度为10mm，其中，所述M1端、M2端和M3端成为3个反射面，所述M1端和M2端相临，二者之间形成空气腔，空气腔的长度为100μm，在显微镜下观察，空气腔如图2(b)所示；

(4)最后，使用双组份环氧树脂胶水(DP420)将玻璃管一端进行胶封，另一端的光纤与铝合金基片固定，最终将玻璃管胶封在铝合金基底上，以便达到更好的热传递效果；

通过以上方法，便制备得到级联光纤F-P传感器，传感器实物如图2(a)所示，该传感器中种具有三个反射面，这三个反射面总反射光强满足以下公式：

其中，

k₁、k₂为两个谐振腔的传输损耗；φ₁、φ₂为光在谐振腔内传输导致的相移，R₁、R₂、R₃分别为M1、M2、M3三个端面的反射率。

其中，本实施例中的级联光纤F-P传感器具有光纤F-P腔和空气腔这两个谐振腔，两个谐振腔反射光最强的波长对应叠加光谱中最大值，反之为最小值，即对应叠加光谱包络的最大值和最小值，该包络曲线的自由光谱区比单一F-P干涉要大得多，这就是本实施例中级联光纤F-P传感器体现的游标效应，如图3所示，图3显示了本实施例中级联光纤F-P传感器的反射光谱，图3中的图中图显示了波长最小值的游标效应。

试验例

搭建如图4所示的温度标定系统，宽带光源产生的宽带光经环形器入射到传感光纤中，传感器放置在温箱内，传感器的反射光通过环形器进入光谱仪，进行峰值波长监测和记录。在32℃～40℃的范围内对传感器标定，每2℃为一个温度变化单位，平稳阶段用光谱仪采集数据，图5为32℃和40℃时传感器的反射光谱，从图中可以看出随着温度的升高，传感器反射谱向波长增大的方向漂移，追踪1536nm波长附近波谷漂移的情况，反射谱下包络的变化为16.346nm。图6是对传感器反射谱的波谷进行包络拟合的结果。利用线性函数拟合升温测量所得的数据，拟合结果如图7所示，相关系数为0.99855，温度灵敏度为6.5478nm/℃。

Claims (3)

1.一种基于游标效应的光纤温度增敏传感器的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：

(1)首先准备两段单模光纤F1和F2，将F1端面切平为M1端，将F2进行两次切割，形成长度为另一段经过两次切割形成光纤段，所述光纤段具有M2端和M3端，所述切割具有一定切割角度；

(2)将所述M1端、M2端和M3端镀金膜，根据时间和电流控制镀膜厚度，镀膜完成后，先后将单模光纤F2和单模光纤F1穿入毛细玻璃管中形成光纤F-P腔，其中，所述M1端、M2端和M3端成为3个反射面，所述M1端和M2端相临，二者之间形成空气腔；

(3)将毛细玻璃管一端进行胶封，另一端光纤与铝合金基片固定，最终将毛细玻璃管胶封在铝合金基底上，以便达到更好的热传递效果，最终得到级联F-P传感器；

(4)步骤(1)中所述切割角度控制在0.3°以内，所述光纤段的长度为10mm；步骤(2)中所述镀金膜使用的为溅射镀膜仪，所述镀膜厚度分别为2.5nm、3.2nm、3.2nm。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述毛细玻璃管的外径为18mm，内径为128μm，长度为28mm；所述光纤F-P腔的长度为10mm，所述空气腔的长度为100μm。

3.一种由权利要求1-2任一项所述制备方法制备的基于游标效应的光纤温度增敏传感器；所述传感器具有M1、M2和M3三个反射面，所述三个反射面的总反射光强满足以下公式：

其中，

 k₁、k₂为两个谐振腔的传输损耗；φ₁、φ₂为光在谐振腔内传输导致的相移，R₁、R₂、R₃分别为M1、M2、M3三个端面的反射率。

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