CN112964386B - 一种光纤fp谐振腔温度传感器及制作方法 - Google Patents

一种光纤fp谐振腔温度传感器及制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种光纤FP谐振腔温度传感器及制作方法。其中光纤FP谐振腔温度传感器包括光纤FP谐振腔，所述光纤FP谐振腔外套接设置第一保护管，靠近所述光纤FP谐振腔反射端的所述第一保护管的一端密封，所述第一保护管腔内填充导热介质；所述第一保护管固定连接于连接座，所述连接座上固定设置套接在所述第一保护管外的镂空的第二保护管，所述连接座连接光纤保护套，所述光纤FP谐振腔的入射光纤设置于所述光纤保护套。本申请可以实现海洋、地下空间等需要长期、高精度、高灵敏度、快速响应的温度监测，具有抗电磁干扰、稳定性高等优点。本申请公开的光纤FP腔温度传感器制作方法能够实现对所述光纤FP谐振腔温度传感器便捷制作。

Description

一种光纤FP谐振腔温度传感器及制作方法
技术领域
本发明涉及温度传感器领域，尤其涉及一种光纤FP谐振腔温度传感器及制作方法。
背景技术
对于海洋和地下空间而言，温度是其中环境监测的一个关键参数，特别是对于海洋来说，海水温度的变化对海洋中生物乃至陆地上的气候变化都具有重大影响，因此对海洋温度进行高精度、快速监测具有深远意义。
现有的温度传感器多选用铂电阻或负温度系数的热敏电阻作为敏感元件，但对于热敏电阻而言，其电流难以控制，在使用中经常会出现发热现象，从而给测量结果带来较大误差，在精度上难以保证。此外，面对海洋这种特殊环境，电子类传感器一般也不能长时间使用。相比之下，光纤类传感器具有灵敏度高、尺寸小、重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰等优点，逐渐成为海洋温度测量领域的主力。目前海洋温度传感中最常见的是光纤光栅温度传感器，张登攀等采用金属套管对光纤光栅进行封装保护，同时在金属管内填充导热液，得到了快速响应和较高的精度，但制作难度较大；张静等也采用光纤光栅作为温度传感单元，但测温灵敏度和精度都不高；除光纤光栅外，赵强等提出了一种采用长周期光纤光栅测温的船载抛弃式光纤海水温深剖面测量系统，测温精度有所提高，但仍不及高精度电子类传感器。
因此，现有技术仍然存在各种缺陷，需要研究一种体积小、精度高、响应快的光纤温度传感器。
发明内容
为解决上述的问题一方面本申请提供一种光纤FP谐振腔温度传感器，包括光纤FP谐振腔，其中，
所述光纤FP谐振腔外套接设置第一保护管，所述第一保护管的两端端密封，且所述第一保护管腔内填充导热介质；
所述第一保护管固定连接于连接座，所述连接座上固定设置套接在所述第一保护管外的镂空的第二保护管，所述连接座连接光纤保护套，所述光纤FP谐振腔的入射光纤设置于所述光纤保护套。
优选地，所述光纤FP谐振腔包括腔管，所述腔管的一端设置所述入射光纤，所述腔管的另一端设置反射光纤，所述入射光纤和所述反射光纤相对的端部之间设置间距。
优选地，所述入射光纤和所述反射光纤为单模光纤，所述腔管为高硼硅玻璃形成的毛细管。
优选地，所述第一保护管为金属铜构成的管结构，所述导热介质为金属汞。
优选地，所述入射光纤连接解调装置，所述解调装置通过反射光谱确定所述光纤FP谐振腔的光谐振腔的长度，并根据长度计算温度。
另一方面本申请提供一种光纤FP谐振腔温度传感器制作方法，包括：
(1)切割设定长度的高硼硅玻璃毛细管作为腔管，切割单模光纤作为入射光纤和反射光纤；
(2)将所述入射光纤插入所述腔管的一端，将所述腔管的另一端密封，以烧蚀将所述入射光纤与所述腔管连接；
(3)将所述腔管另一端的密封打开，将所述反射光纤插入所述腔管的另一端，将所述反射光纤与所述腔管的另一端通过烧蚀的方式连接；
(4)将所述腔管与连接座连接；
(5)将所述第一保护管与所述连接座密封连接，并将所述第一保护管内填充导热介质之后密封，将所述连接座与第二保护管连接，将所述连接座与光纤保护套连接；
(6)通过恒温装置对所述光纤FP谐振腔温度传感器进行温度定标。
优选地，所述腔管与所述连接座，所述第一保护管与所述连接座之间采用高频加热的低熔点玻璃焊接的方式连接，所述连接座与所述第二保护管通过螺纹或者卡扣连接，所述连接座与所述光纤保护套通过密封胶密封连接。
优选地，在切割所述单模光纤前对单模光纤的光纤损耗进行检测，筛选出符合指标的所述单模光纤。
优选地，按照设定的所述腔管中的所述入射光纤的端面位置与烧蚀位置的长度来烧蚀所述腔管与所述入射光纤；按着设定的长度控制所述反射光纤和所述入射光纤插入所述腔管的长度。
优选地，通过恒温装置对所述光纤FP谐振腔温度传感器进行温度定标包括：
将所述光纤FP谐振腔温度传感器设置于所述恒温装置；
将所述光纤FP谐振腔温度传感器连接解调装置；
设定所述恒温装置温度，所述解调装置通过反射光谱确定所述光纤FP谐振腔温度传感器中光谐振腔的长度，实现光谐振腔的长度与温度的对应定标。
本申请提出的一种光纤FP谐振腔温度传感器具体有以下有益效果：
本发明提供的光纤FP谐振腔温度传感器利用所述腔管采用的材料与单模光纤的膨胀系数差异，在同样的温度变化条件下，产生不同膨胀效果，改变光谐振腔的长度，而光谐振腔的长度的变化量与温度变化量呈线性关系，通过所述解调装置收集光谱解调出光谐振腔的长度即可测试温度。本申请的所述腔管采用高硼硅玻璃，其膨胀系数为3.3×10-6/K，而单模光纤的膨胀系数一般为5.5×10-7/K，两者膨胀系数有一个数量级的差异，因此能够使得光谐振腔的长度对温度变化具有更高的灵敏度，实现较高精度的温度测量；所述第一保护管采用铜，具有较好的导热性能，而且所述第一保护管内填充导热介质，能够快速地检测温度，所述第二保护管呈镂空设计，使得所述第一保护管能够很好的与待测量环境的介质接触。所述第一保护管和所述第二保护管能够对所述光纤FP谐振腔起到很好的保护作用，增加温度传感器在复杂环境中的耐用性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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示出的结构获得其他的附图。
图1是本发明实施例中光纤FP谐振腔温度传感器的示意图；
图2是本发明实施例中光纤FP谐振腔的示意图；
图3是本发明实施例中光纤FP谐振腔温度传感器的光谐振腔长度与温度的线性关系示意图；
图4是本发明实施例中光纤FP谐振腔温度传感器的反射光谱的示意图；
图5是本发明实施例中光纤FP谐振腔温度传感器的光谐振腔长度稳定性的示意图；
图6是本发明实施例中光纤FP谐振腔温度传感器的一种定标系统的示意图。
图中标号及含义如下：
1、光纤FP谐振腔，11、腔管，12、入射光纤，121、第一烧蚀点，13、反射光纤，131、第二烧蚀点，2、第一保护管，3、第一焊接点，4、导热介质，5、连接座，6、第二焊接点，7、第二保护管，8、卡扣，9、密封胶，10、光纤保护套；
20、解调装置，30、计算机，40、恒温装置。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明进行说明，其中，图1是本发明实施例中光纤FP谐振腔温度传感器的示意图；图2是本发明实施例中光纤FP谐振腔的示意图；图3是本发明实施例中光纤FP谐振腔温度传感器的光谐振腔长度与温度的线性关系示意图；图4是本发明实施例中光纤FP谐振腔温度传感器的反射光谱的示意图；图5是本发明实施例中光纤FP谐振腔温度传感器的光谐振腔长度稳定性的示意图；图6是本发明实施例中光纤FP谐振腔温度传感器的一种定标系统的示意图。
参阅图1所示，一方面本发明提供一种光纤FP谐振腔温度传感器，包括光纤FP谐振腔1。具体实施过程中，所述光纤FP谐振腔1的结构参阅图2所示，所述光纤FP谐振腔1包括腔管11，所述腔管11的一端设置所述入射光纤12，所述腔管11的另一端设置反射光纤13，所述入射光纤12和所述反射光纤13相对的端部之间设置间距。所述入射光纤12和所述反射光纤13为单模光纤，一种可行的光纤型号为G652.D。所述腔管11所用的材料的膨胀系数要明显与单模光纤不同，具体实施过程中，一种可行的所述腔管11为高硼硅玻璃形成的毛细管。具体实施过程中，一种可行的所述入射光纤12或所述反射光纤13的纤芯直径为0.125mm，含涂覆层的外径为0.25mm；一种可行的所述腔管11的外径为0.3mm、内径为0.127mm、长度为46mm。所述腔管11的一端连接于连接座5。
所述光纤FP谐振腔1外套接设置第一保护管2，所述第一保护管2为冷拔金属铜形成的管结构，所述第一保护管2与所述连接座5连接，所述第一保护管2腔内填充导热介质4，具体实施过程中，填充时，所述导热介质4并不充满所述第一保护管2，且填充所述导热介质4之后将所述第一保护管2的远离所述连接座5的一端密封，所述导热介质4为金属汞。
所述第一保护管2固定连接于连接座5，所述连接座5上固定设置套接在所述第一保护管2外的镂空的第二保护管7，所述连接座5连接光纤保护套10，所述光纤FP谐振腔1的入射光纤12设置于所述光纤保护套10。具体实施过程中，所述连接座5和所述第二保护管7采用316L钢材料构成，所述光纤保护套10为聚酰亚胺套管。所述连接座与所述第二保护管7之间通过螺纹连接。所述第二保护管7均匀镂空。具体实施过程中，一种可行的所述第一保护管2的规格为：外径为2.5mm、内径为2.0mm、长度为80mm。具体实施过程中，一种可行的所述第二保护管的规格为：外径为2.6mm、内径为2.55mm、长度为100mm。具体实施过程中，一种可行的所述光纤保护套10的规格为外径为0.3mm、内径为0.29mm。
如图2所示，所述入射光纤12与所述反射光纤13相对的端面在所述腔管11中形成一个间隔为d的空气腔，即为光谐振腔，d为该腔的腔长；所述入射光纤12与所述腔管11的第一烧蚀点121与所述入射光纤12端面间的距离为L1一种可行的L1取值近似为6mm，所述反射光纤13与所述腔管11的第二烧蚀点131与所述反射光纤13端面的距离为L2，一种可行的L2取值为近似20mm，所述第一烧蚀点121和所述第二烧蚀点131之间的距离为L，一种可行的L取值近似为26mm，所述入射光纤12与所述反射光纤13之间的间隔d长度为μm量级。当外界环境温度改变ΔT时，根据线膨胀系数的定义，所述腔管11、所述入射光纤12、所述反射光纤13以及d的膨胀量满足如下关系式：
α1·ΔT·L1+α1·ΔT·L2+Δd＝α2·ΔT·L
处理后得到
Figure BDA0002949274710000061
其中α1为单模光纤的热膨胀系数，α2为高硼硅玻璃的热膨胀系数；
由关系式可知，d的改变量与环境温度的改变量呈如图3所示的严格的线性相关关系。
在应用时，所述入射光纤12连接解调装置，所述解调装置通过反射光谱确定所述光纤FP谐振腔1的光谐振腔的长度，并根据长度计算温度。具体实施过程中，所述解调装置通过基于波数域的重心-最小二乘法复合算法精确的实现反射光谱波峰的获取，进而计算出光谐振腔的长度并根据温度与光谐振腔长度的线性关系计算出温度。
另外一方面本申请提供一种光纤FP谐振腔温度传感器制作方法，包括：
(1)切割设定长度的高硼硅玻璃毛细管作为腔管11，切割单模光纤作为入射光纤12和反射光纤13，切割时切平单模光纤的端面并使端面垂直于单模光纤的径向；具体实施时，需要首先对用作入射光纤与反射光纤的单模光纤进行光损检测，删除不合格的单模光纤，以保证制作而成的所述光纤FP谐振腔温度传感器的精度。
(2)将所述入射光纤12插入所述腔管11的一端内设定长度，将所述腔管11的另一端密封，以二氧化碳激光或者氢氧焰烧蚀将所述入射光纤12与所述腔管11连接；具体实施过程中，通过二氧化碳激光或者氢氧焰烧蚀所述第一烧蚀点121。
(3)将所述腔管11另一端的密封切开，将所述反射光纤13插入所述腔管11的另一端内设定长度，将所述反射光纤13与所述腔管11的另一端通过二氧化碳激光或者氢氧焰烧蚀方式连接；具体实施过程中，通过二氧化碳激光或者氢氧焰烧蚀所述第二烧蚀点131。将所述反射光纤的尾纤去掉。
(4)将所述腔管与连接座连接；所述腔管11与所述连接座5之间采用高频加热的低熔点玻璃焊接的方式连接，焊接点为所述腔管11与所述连接座5之间的第一焊接点3。且所述第一焊接点3形成一个密封结构，使得所述第一焊接点3两侧的所述连接座5的通孔之间相互隔绝。
(5)将所述第一保护管2与所述连接座5密封连接，并将所述第一保护管2内填充导热介质之后密封，将所述连接座5与第二保护管7连接，将所述连接座5与光纤保护套10连接；具体实施过程中，冷拔处理形成两端开口的金属铜管作为第一保护管2，将两端开口的第一保护管2与所述连接座5连接，所述第一保护管2与所述连接座5之间同样采用高频加热的低熔点玻璃焊接的方式连接，焊接点为所述连接座5与所述第一保护管2之间的第二焊接点6；在所述第一焊接点3和所述连接座5的结合下将所述第一保护管2的一端密封，从所述第一保护管2的另一端向所述第一保护管2内填充导热介质4，填充所述导热介质4之后将所述第一保护管2的另一端封堵，而在填充所述导热介质4时，注意所述导热介质4不能充满所述第一保护管2，从而避免所述导热介质4膨胀对所述腔管11膨胀的影响；具体实施过程中，所述连接座5与所述第二保护管7螺纹连接或者通过卡扣8连接；所述连接座5与所述光纤保护套10通过密封胶9密封连接，一种可行的所述密封胶9为环氧树脂胶。
(6)通过恒温装置对所述光纤FP谐振腔温度传感器进行温度定标。
具体实施过程中，参阅图6所示，提供一种光纤FP谐振腔温度传感器的定标系统，包括恒温装置40，所述光纤FP谐振腔温度传感器设置于所述恒温装置40中，一种可行的所述恒温装置40可以为恒温油箱，所述光纤FP谐振腔温度传感器通过入射光纤的尾纤连接解调装置20，所述解调装置20连接计算机30。
实施过程中温度定标的过程包括：
将所述光纤FP谐振腔温度传感器设置于所述恒温装置40；
将所述光纤FP谐振腔温度传感器连接解调装置20；
设定所述恒温装置40温度，所述解调装置20通过反射光谱确定所述光纤FP谐振腔温度传感器中光谐振腔的长度，实现光谐振腔的长度与所述恒温装置的温度之间对应定标，通过所述计算机30显示上述过程中数据。
具体实施过程中，在进行温度定标之前通过所述定标系统检测所述光纤FP谐振腔温度传感器的光谐振腔的稳定性。如果在恒定温度下所述光谐振腔的长度不能稳定在误差范围内，将所述光纤FP谐振腔温度传感器舍弃，参阅图6所示，当恒温装置的温度设定为30℃时，200min内其实际温度在30±0.02℃内波动，在本发明申请的一个实施例中，光谐振腔的长度在128552.5至128555.0nm内波动，该长度波动量转换为温度约为±0.018℃，说明实施例提供的所述光纤FP谐振腔温度传感器具有较稳定的精度。
应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明区域的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和区域。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的区域之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种光纤FP谐振腔温度传感器，其特征在于，包括光纤FP谐振腔（1），其中，所述光纤FP谐振腔（1）包括腔管（11），所述腔管（11）为高硼硅玻璃形成的毛细管，所述腔管（11）的一端设置入射光纤（12），所述腔管（11）的另一端设置反射光纤（13），所述入射光纤（12）和所述反射光纤（13）相对的端部之间设置间距；
所述光纤FP谐振腔（1）外套接设置第一保护管（2），所述第一保护管（2）的两端密封，且所述第一保护管（2）腔内填充导热介质（4），所述导热介质（4）为金属汞，所述导热介质（4）不充满所述第一保护管（2）腔内；
所述第一保护管（2）和所述腔管（11）固定连接于连接座（5），所述连接座（5）上固定设置套接在所述第一保护管（2）外的镂空的第二保护管（7），所述连接座（5）连接光纤保护套（10），所述光纤FP谐振腔（1）的入射光纤（12）设置于所述光纤保护套（10）。
2.根据权利要求1所述的光纤FP谐振腔温度传感器，其特征在于，所述入射光纤（12）和所述反射光纤（13）为单模光纤。
3.根据权利要求1所述的光纤FP谐振腔温度传感器，其特征在于，所述第一保护管（2）为金属铜构成的管结构。
4.根据权利要求1所述的光纤FP谐振腔温度传感器，其特征在于，所述入射光纤（12）连接解调装置，所述解调装置通过反射光谱确定所述光纤FP谐振腔（1）的光谐振腔的长度，并根据长度计算温度。
5.一种光纤FP谐振腔温度传感器制作方法，用于制作权利要求1-4任一所述光纤FP谐振腔温度传感器，其特征在于，包括：
（1）切割设定长度的高硼硅玻璃毛细管作为腔管，切割单模光纤作为入射光纤和反射光纤；
（2）将所述入射光纤插入所述腔管的一端，将所述腔管的另一端密封，以烧蚀将所述入射光纤与所述腔管连接；
（3）将所述腔管另一端的密封打开，将所述反射光纤插入所述腔管的另一端，将所述反射光纤与所述腔管的另一端通过烧蚀的方式连接；
（4）将所述腔管与连接座连接；
（5）将第一保护管与所述连接座密封连接，并将所述第一保护管内填充导热介质之后密封，所述导热介质为金属汞，在填充所述导热介质时，所述导热介质不充满所述第一保护管腔内；将所述连接座与第二保护管连接，将所述连接座与光纤保护套连接；
（6）通过恒温装置对所述光纤FP谐振腔温度传感器进行温度定标。
6.根据权利要求5所述的光纤FP谐振腔温度传感器制作方法，其特征在于，所述腔管与所述连接座，所述第一保护管与所述连接座之间采用高频加热的低熔点玻璃焊接的方式连接，所述连接座与所述第二保护管通过螺纹或者卡扣连接，所述连接座与所述光纤保护套通过密封胶密封连接。
7.根据权利要求5所述的光纤FP谐振腔温度传感器制作方法，其特征在于，在切割所述单模光纤前对单模光纤的光纤损耗进行检测，筛选出符合指标的所述单模光纤。
8.根据权利要求5所述的光纤FP谐振腔温度传感器制作方法，其特征在于，按照设定的所述腔管中的所述入射光纤的端面位置与烧蚀位置的长度来烧蚀所述腔管与所述入射光纤；按着设定的长度控制所述反射光纤和所述入射光纤插入所述腔管的长度。
9.根据权利要求5所述的光纤FP谐振腔温度传感器制作方法，其特征在于，通过恒温装置对所述光纤FP谐振腔温度传感器进行温度定标包括：
将所述光纤FP谐振腔温度传感器设置于所述恒温装置；
将所述光纤FP谐振腔温度传感器连接解调装置；
设定所述恒温装置温度，所述解调装置通过反射光谱确定所述光纤FP谐振腔温度传感器中光谐振腔的长度，实现光谐振腔的长度与温度的对应定标。
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