CN112924048A - 一种基于pdms双腔并联的高灵敏度温度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于PDMS双腔并联的高灵敏度温度传感器，包括，宽谱光源、光纤隔离器、光纤耦合器、光纤衰减器、第一传感头、第二传感头、光谱仪；宽谱光源通过光纤隔离器与光纤耦合器连接；光纤耦合器与光纤隔离器、第一传感头、光谱仪连接；光纤耦合器通过光纤衰减器与第二传感头连接；本发明采用光纤熔接制备方法，制作简单，不需要昂贵的专用设备；体积小、结构紧凑，便于使用；不需要胶粘，传感器稳定性好；双腔具有相反的温度响应，并联后可产生增强型游标效应，进一步提高灵敏度，而且干涉谱包络消光比可调节。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感领域，涉及一种基于PDMS双腔并联的高灵敏度温度传感器。
背景技术
温度作为国际单位制七个基本物理量之一，在国民经济、国防建设和科学研究等领域中温度的准确测量具有举足轻重的作用。随着温度传感应用需求的提高，传统的温度传感器已经无法满足高精度的测量要求。光纤温度传感器具有尺寸小、测量精度高、灵敏度高、抗电磁干扰强、电绝缘性好、温度范围大等诸多优点，在温度测量方面有着自身独特的优势。
聚二甲基硅氧烷(PDMS)是一种非常出色的热敏材料，在温度的作用下会有很强的热胀冷缩效应，凝固后为无色透明的固体，具有很好的透光性和折光性，此外，PDMS还具有良好的粘接性和化学惰性。因此，PDMS非常适合与光纤相结合，用于高灵敏度温度测量。
本文提出了一种将横向自由PDMS腔和并联的温度传感器，在该传感器中横向自由PDMS腔和纵向自由的PDMS腔均为传感器，且两腔对温度具有相反的温度响应，因此，两腔可产生双游标效应，进一步提高灵敏度。
发明内容
本发明本发明专利所要解决的技术问题在于提供一种基于横向自由PDMS腔(第二PDMS腔)和纵向自由PDMS腔(第一PDMS腔)并联的高灵敏度温度传感器，第一PDMS腔和第二PDMS腔的自由光谱范围接近但不相等，因此，并联后两腔会产生游标效应，从而，提高了温度测量灵敏度。值得提出的是，不同于常规游标效应，需要一个参考腔(对被测参量不敏感)和一个传感腔(对被测参量敏感)，而本专利所发明的传感器采用的是两个PDMS腔均为传感器，且两干涉计对温度具有相反的温度响应，从而，增强了游标效应对灵敏度的放大作用，因此称本传感器产生的游标效应为增强型游标效应。
本发明提供一种基于PDMS双腔并联的高灵敏度温度传感器，包括：
宽谱光源、光纤隔离器、光纤耦合器、光纤衰减器、第一传感头、第二传感头、光谱仪；
宽谱光源通过光纤隔离器与光纤耦合器连接；
光纤耦合器与光纤隔离器、第一传感头、光谱仪连接；
光纤耦合器通过光纤衰减器与第二传感头连接；
第一传感头包括第一单模光纤、空心光纤、第一PDMS腔；
第二传感头包括第二单模光纤、第三单模光纤、第四单模光纤、第二PDMS腔；
第一单模光纤与空心光纤、第一PDMS腔连接；
第一PDMS腔设置在所述空心光纤中；
第二单模光纤通过第三单模光纤、第二PDMS腔与第四单模光纤连接；
第二PDMS腔设置在第三单模光纤的上端。
优选地，第一单模光纤、第二单模光纤、第三单模光纤、第四单模光纤的直径为125微米，纤芯直径为10微米。
优选地，第一单模光纤与空芯光纤熔接；
通过将PDMS注满所述空心光纤的空心腔，构成所述第一PDMS腔。
优选地，空心光纤的长度为100-200微米。
优选地，第二单模光纤与第三单模光纤错位熔接，第一错位量为62-70微米；
第四单模光纤与第三单模光纤错位熔接，第二错位量等于第一错位量。
优选地，第二单模光纤和第四单模光纤的光轴在同一直线上。
优选地，第四单模光纤包括第四单模光纤第一端和第四单模光纤第二端；
第四单模光纤第一端与第三单模光纤错位熔接；
第四单模光纤第二端具有斜切面，斜切面与第四单模光纤的光轴垂直面的夹角为8°。
优选地，第二PDMS腔，设置在第二单模光纤和第四单模光纤之间；
第二PDMS腔与第二单模光纤和第四单模光纤的接触面长度为62-70微米。
优选地，高灵敏度温度传感器为增强型游标效应增敏温度传感器；
第一PDMS腔包括第一PDMS腔长度；
第二PDMS腔包括第二PDMS腔长度；
第一PDMS腔长度为第一因子；
第一PDMS腔长度与第二PDMS腔长度的差为第二因子；
常规游标效应放大因子为第一因子与第二因子的商；
高灵敏度温度传感器的游标效应放大因子大于常规游标效应放大因子。
本发明的积极进步效果在于：本发明采用光纤熔接制备方法，制作简单，不需要昂贵的专用设备；体积小、结构紧凑，便于使用；不需要胶粘，传感器稳定性好；双腔具有相反的温度响应，并联后可产生增强型游标效应，进一步提高灵敏度，而且干涉谱包络消光比可调节。
附图说明
图1为本发明所述的传感系统；
图2为本发明所述的第一传感头；
图3为本发明所述的第二传感头；
图4为本发明所述的错位熔接面示意图；
图5为本发明所述的游标效应示意图，其中，(a)第一PDMS腔和第二PDMS腔的干涉谱；(b)第一PDMS腔和第二PDMS腔的并联干涉谱。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请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申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于横向自由PDMS腔(第二PDMS腔)和纵向自由PDMS腔(第一PDMS腔)并联的高灵敏度温度传感器，在该传感器中横向自由PDMS腔和纵向自由的PDMS腔均为传感器，且两腔具有相反的温度响应，因此，当两腔的自由光谱范围接近但不相等时将产生增强型游标效应，大幅提高传感器的温度测量灵敏度。
如图1所示，本发明提供一种基于PDMS双腔并联的高灵敏度温度传感器，包括：宽谱光源、光纤隔离器、光纤耦合器、光纤衰减器、第一传感头、第二传感头、光谱仪；宽谱光源通过光纤隔离器与光纤耦合器连接；光纤耦合器与光纤隔离器、第一传感头、光谱仪连接；光纤耦合器通过光纤衰减器与第二传感头连接；第一传感头包括第一单模光纤、空心光纤、第一PDMS腔；第二传感头包括第二单模光纤、第三单模光纤、第四单模光纤、第二PDMS腔；第一单模光纤与空心光纤、第一PDMS腔连接；第一PDMS腔设置在所述空心光纤中；第二单模光纤通过第三单模光纤、第二PDMS腔与第四单模光纤连接；第二PDMS腔设置在第三单模光纤的上端。
第一单模光纤、第二单模光纤、第三单模光纤、第四单模光纤的外径为125微米，纤芯直径为10微米。
第一单模光纤与空芯光纤熔接；通过将PDMS注满所述空心光纤的空心腔，构成所述第一PDMS腔。
空心光纤的长度为100-200微米。
第二单模光纤与第三单模光纤错位熔接，第一错位量为62-70微米；第四单模光纤与第三单模光纤错位熔接，第二错位量等于第一错位量。
第二单模光纤和第四单模光纤的光轴在同一直线上。
第四单模光纤包括第四单模光纤第一端和第四单模光纤第二端；第四单模光纤第一端与第三单模光纤错位熔接；第四单模光纤第二端具有斜切面，斜切面与第四单模光纤的光轴垂直面的夹角为8°。
第二PDMS腔，设置在第二单模光纤和第四单模光纤之间；第二PDMS腔与第二单模光纤和第四单模光纤的接触面长度为62-70微米。
高灵敏度温度传感器为增强型游标效应增敏温度传感器；第一PDMS腔包括第一PDMS腔长度；第二PDMS腔包括第二PDMS腔长度；第一PDMS腔长度为第一因子；第一PDMS腔长度与第二PDMS腔长度的差为第二因子；常规游标效应放大因子为第一因子与第二因子的商；高灵敏度温度传感器的游标效应放大因子大于常规游标效应放大因子。
传感器结构如图1所示，由宽谱光源(1200nm-1600nm)、光纤隔离器、光纤耦合器、第一传感头、第二传感头和光谱仪构成。
第一传感头结构如图2所示，由第一单模光纤、空芯光纤和第二PDMS腔构成，第一单模光纤的外径均为125微米，纤芯直径为10微米。
第一传感头的制备过程：将第一单模光纤与空芯光纤熔接，然后切割空芯光纤，切割后空芯光纤的长度为100-200微米；利用毛细现象，将PDMS注满空芯光纤，构成第一PDMS腔。
第二传感头结构如图3所示，由第二单模光纤、第三单模光纤、第四单模光纤和第二PDMS腔构成，第二单模光纤和第三单模光纤错位熔接，错位量为62-70微米，第三单模光纤和第四单模光纤错位熔接，错位量与第二单模光纤和第三单模光纤之间的错位量相同，且保证第二单模光纤和第四单模光纤的光轴在一条直线上。第四单模光纤的自由端切割面与光轴垂直面成的夹角为8度，第二单模光纤、第三单模光纤和第四单模光纤的内外径与第一单模光纤相同。
第二传感头的制备过程：将第二单模光纤与第三单模光纤错位熔接，错位量为错位量为62-70微米(如图4所示)，然后切割第三单模光纤，切割后第三单模光纤的长度由第一PDMS腔的长度决定，要保证第二PDMS腔和第一PDMS腔能够产生游标效应；将第三单模光纤的切割端与第四单模光纤错位熔接，错位量与第二单模光纤和第三单模光纤之间错位量相同，且保证第二单模光纤和第四单模光纤的光轴在一条直线上(如图4所示)，然后将第四单模光纤切割，切割面与第四单模光纤光轴垂直面成8度角；将PDMS注入第二单模光纤和第四单模光纤之间构成的光纤微腔内，形成第二PDMS腔，然后加热使PDMS固化。
实施例1：如图1所示，宽带光源发出的入射光依次经光纤隔离器和光纤耦合器进入第一传感头以及通过光纤衰减器进入第二传感头，然后分别由第一传感头和第二传感头反射，反射光经光纤耦合器后被光谱仪接收。如图2所示，界面M1(第一单模光纤与第一PDMS腔之间的界面)和界面M2(第一PDMS腔与空气之间的界面)构成第一PMDS腔，第一PMDS腔为法布里-珀罗干涉计，进入第一传感头的入射光在界面M1处，一部分光反射回第一单模光纤，另一部分光透射进入第一PDMS腔，然后一部分光被界面M2反射回第一单模光纤。
如图3所示，界面M3(第二单模光纤和第二单模光纤)和界面M4构成第二PDMS腔，第二PDMS腔为法布里-珀罗干涉计，进入第二传感头的入射光在界面M3处，一部分光被反射回第二单模光纤，另一部分光透射进入第二PDMS腔，然后一部分光被界面M4反射回第二单模光纤。
第一PDMS腔和第二PDMS腔的干涉谱可表示为
其中，λ为入射光波长，I1(λ)、I2(λ)分别表示第一PDMS腔和第二PDMS腔的干涉谱，A、B、C、D分别为由界面M1、M2、M3和M4反射回光谱仪中的反射光的复振幅，L1、L2分别为第一PDMS腔和第二PDMS腔的长度，n为PDMS的折射率，其值约为1.40。第一PDMS腔和第二PDMS腔构成并联结构，光谱仪接收到的光谱为第一PDMS腔和第二PDMS腔干涉谱的叠加，表示为
Iall(λ)＝I1(λ)+I2(λ) (2)
当第一PDMS腔的光程nL1(或自由光谱范围FSR1)与第二PDMS腔的光程nL2(或自由光谱范围FSR2)接近，但不相等时，并联双腔的干涉谱就会产生包络，如图5所示，该包络可表示为
其中，E为干涉谱包络振幅，M为常规游标效应的放大因子。
第一PDMS腔为横向自由腔，当温度变化时，第一PDMS腔的腔长不发生变化，仅折射率发生变化，因此，第一PDMS腔的温度灵敏度S1可表示为
其中，λm为峰值波长，α为PDMS的热光系数，其值约为-5.0×10-4/℃。
第二PDMS腔为纵向自由腔，当温度变化时，第二PDMS腔的腔长和折射率均发生变化，因此，第二PDMS腔的温度灵敏度S2可表示为
其中，β为PDMS的热膨胀系数，其值约为9.6×10-4/℃。
由公式(4)和公式(5)可知，S1<0，S2>0为正值，即温度变化时，第一PDMS腔和第二PDMS腔干涉谱的频移方向相反。当第一PDMS腔和第二PDMS腔的自由光谱范围相近但不相等时，并联后干涉谱就会产生包络，干涉谱包络随温度的平移量将远大于单个第一PDMS腔和单个第二PDMS腔，其灵敏度S12为
其中，M1′为本发明传感器相对于单个第一PDMS腔的灵敏度放大倍率，M2′为本发明传感器相对于单个第二PDMS腔的灵敏度放大倍率。将相关参量带入公式(7)可知，|M1′|＞|M|，|M2′|＞|M|，
由此可知本专利游标效应的放大倍率明显高于常规游标效应的放大倍率，为增强型游标效应，相对于单个PDMS腔灵敏度的提高倍率更大。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种基于PDMS双腔并联的高灵敏度温度传感器，其特征在于，包括：
宽谱光源、光纤隔离器、光纤耦合器、光纤衰减器、第一传感头、第二传感头、光谱仪；
所述宽谱光源通过所述光纤隔离器与所述光纤耦合器连接；
所述光纤耦合器与所述光纤隔离器、第一传感头、光谱仪连接；
所述光纤耦合器通过所述光纤衰减器与所述第二传感头连接；
所述第一传感头包括第一单模光纤、空心光纤、第一PDMS腔；
所述第二传感头包括第二单模光纤、第三单模光纤、第四单模光纤、第二PDMS腔；
所述第一单模光纤与所述空心光纤、第一PDMS腔连接；
所述第一PDMS腔设置在所述空心光纤中；
所述第二单模光纤通过所述第三单模光纤、第二PDMS腔与所述第四单模光纤连接；
所述第二PDMS腔设置在所述第三单模光纤的上端。
2.如权利要求1所述一种基于PDMS双腔并联的高灵敏度温度传感器，其特征在于，
所述第一单模光纤、第二单模光纤、第三单模光纤、第四单模光纤的外径为125微米，纤芯直径为10微米。
3.如权利要求1所述一种基于PDMS双腔并联的高灵敏度温度传感器，其特征在于，
所述第一单模光纤与所述空芯光纤熔接；
通过将PDMS注满所述空心光纤的空心腔，构成所述第一PDMS腔。
4.如权利要求1所述一种基于PDMS双腔并联的高灵敏度温度传感器，其特征在于，
所述空心光纤的长度为100-200微米。
5.如权利要求1所述的一种基于PDMS双腔并联的高灵敏度温度传感器，其特征在于，
所述第二单模光纤与所述第三单模光纤错位熔接，第一错位量为62-70微米；
所述第四单模光纤与所述第三单模光纤错位熔接，第二错位量等于所述第一错位量。
6.如权利要求5所述的一种基于PDMS双腔并联的高灵敏度温度传感器，其特征在于，
所述第二单模光纤和第四单模光纤的光轴在同一直线上。
7.如权利要求5所述的一种基于PDMS双腔并联的高灵敏度温度传感器，其特征在于，
所述第四单模光纤包括第四单模光纤第一端和第四单模光纤第二端；
所述第四单模光纤第一端与所述第三单模光纤错位熔接；
所述第四单模光纤第二端具有斜切面，所述斜切面与所述第四单模光纤的光轴垂直面的夹角为8°。
8.如权利要求1所述一种基于PDMS双腔并联的高灵敏度温度传感器，其特征在于，
所述第二PDMS腔，设置在所述第二单模光纤和所述第四单模光纤之间；
所述第二PDMS腔与所述第二单模光纤和所述第四单模光纤的接触面长度为62-70微米。
9.如权利要求1所述一种基于PDMS双腔并联的高灵敏度温度传感器，其特征在于，
所述高灵敏度温度传感器为增强型游标效应增敏温度传感器；
所述第一PDMS腔包括第一PDMS腔长度；
所述第二PDMS腔包括第二PDMS腔长度；
所述第一PDMS腔长度为第一因子；
所述第一PDMS腔长度与所述第二PDMS腔长度的差为第二因子；
常规游标效应放大因子为所述第一因子与所述第二因子的商；
所述高灵敏度温度传感器的游标效应放大因子大于所述常规游标效应放大因子。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Yang Yuqiang Inventor after: Wang Ji Inventor after: Liu Mingxin Inventor before: Liu Mingxin Inventor before: Wang Ji Inventor before: Yang Yuqiang |
|
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |