CN113008406B - 基于增强型游标效应的高精度温度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了基于增强型游标效应的高精度温度传感器，涉及光纤传感器技术领域，包括传感头、宽谱光源、光纤环形器和光谱仪。宽谱光源发出的入射光经过光纤环形器进入传感头，然后依次经过传感头里界面M1、M2和M3反射，反射光经光纤环形器后被光谱仪接收，传感头光纤微腔中采用光纤熔接的方式制备，光纤微腔稳定性好。其传感器产生增强型游标效应的方法为，空气腔和PDMS腔均为法布里‑珀罗干涉计，法布里‑珀罗干涉计为对被测参量敏感的传感干涉计，且两干涉计对温度具有相反的温度响应，从而增强游标效应对灵敏度的放大作用。该传感器制作简单，成本低，结构紧凑便于使用，双腔级联增强了游标效应，大幅提高灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感器技术领域,具体涉及基于增强型游标效应的高精度温度传感器。
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。
但目前市场上的光纤温度传感器如专利CN201810738431.6制造过程复杂、采用镀膜的方式制作光纤微腔，镀膜需要昂贵的专门镀膜设备，如专利 CN201810996463.6采用马赫-曾德干涉原理，探测透射光，为非尖端结构，相对于尖端结构安装不便，如专利CN2201810971799.7进行温度检测时，灵敏度放大倍率小，灵敏度低，不能满足实际需求。
发明内容
本发明要解决的问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了基于增强型游标效应的高精度温度传感器，提供了一种制造简单，安装方便，灵敏度高的温度传感器。
本发明为了上述技术问题采取的技术方案是：
基于增强型游标效应的高精度温度传感头，包括第一单模光纤、PMDS、空芯光纤和第二单模光纤，所述空芯光纤在所述第一单模光纤和所述第二单模光纤中间，所述第一单模光纤在所述空芯光纤左侧位置，所述空芯光纤在靠近所述第一单模光纤一端设有PDMS腔，所述空芯光纤在靠近所述第二光纤一端设有所述空气腔，所述第二单模光纤在所述空芯光纤右侧位置，所述第一单模光纤与PDMS腔间的界面为M1，所述PDMS腔和所述空气腔间的界面为M2，所述空气腔和所述第二单模光纤间的界面为M3。
优选的，所述传感头中的所述第一单模光纤和第二单模光纤的外径均为125 微米，所述纤芯直径为10微米，所述空芯光纤的外径为125微米，内径为50-70 微米，所述气孔的直径为5-20微米。
优选的，所述的第二单模光纤替代为多模光纤或无芯光纤或熊猫光纤。
优选的，所述传感头的制备过程包括：
步骤一：将第一单模光纤与空芯光纤熔接，然后切割空芯光纤；
步骤二：将空芯光纤的切割端与第二单模光纤熔接；
步骤三：利用激光在空芯光纤两端各打一气孔，使外界气体与空芯光纤内部相通；
步骤四：将PDMS由靠近第一单模光纤的一端的气孔注入空芯光纤内，从而形成PDMS腔和空气腔，加热使其固化。
基于增强型游标效应的高精度温度传感器，包括采用权利要求1所述传感头、宽谱光源、光纤环形器和光谱仪。所述宽谱光源发出的入射光经光纤环形器进入所述传感头，然后依次经过所述界面M1、M2和M3反射，反射光经光纤环形器后被光谱仪接收。
优选的，所述宽谱光源波长为1200nm-1600nm。
界面M1和界面M2之间构成PMDS腔，界面M2和界面M3之间构成空气腔，所述空气腔和PMDS腔均为的法布里-珀罗干涉计，所述法布里-珀罗干涉计为对被测参量敏感的传感干涉计，且两干涉计对温度具有相反的温度响应，从而增强游标效应对灵敏度的放大作用，
原理的公式推导步骤为：
步骤一：计算PDMS腔和空气腔的干涉谱强度，
其中I1(λ)和I2(λ)分别表示为PDMS腔和空气腔的干涉谱强度，λ为入射光波长，A、B、C分别为由界面M1、M2和M3反射回光谱仪中的反射光的振幅，L1、L2分别为PDMS腔和空气腔的长度，n1和n2为PDMS和空气的折射率，分别约为1.399和1.0，PDMS腔和空气腔构成级联结构，
步骤二：计算常规游标效应的放大倍率，
其中Ienvelope表示为干涉谱包络的光强，M为常规游标效应的放大倍率，E为干涉谱包络振幅光谱仪接收到的光谱强度IEnvelope可近似为PDMS腔和空气腔干涉谱的叠加。当PDMS腔的光程n1L1(或自由光谱范围FSR1)与空气腔的光程n2L2(或自由光谱范围FSR2)接近，但不相等时，级联双腔的干涉谱就会产生增强型游标效应，
步骤三：计算PDMS腔和空气腔的温度灵敏度，
其中S1为PDMS腔的温度灵敏度，S2为空气腔的温度灵敏度，λm为峰值波长，α为PDMS的热光系数，β为PDMS的热膨胀系数，
步骤四：计算增强型游标效应的放大倍率，
将相关参数带入公式(3)和公式(4)可知，S1>0，S2<0，即温度变化时， PDMS腔和空气腔的干涉谱的频移方向相反。当PDMS腔和空气腔的自由光谱范围相近但不相等时，级联后干涉谱就会产生增强型游标效应，干涉谱游标效应随温度的平移量将远大于单个PDMS腔和单个空气腔，且大于常规游标效应放大倍率M，增强型游标效应相对于PDMS腔和空气腔的放大倍率分别为M1′和M2′，其灵敏度SE为
本发明具有以下有益效果：
采用光纤熔接制备方法，制备的光纤微腔稳定性好制作简单。利用法布里- 珀罗干涉原理，探测的是反射光，为尖端结构，体积小，结构紧凑，便于使用。使用热膨胀系数极高的PDMS材料和双腔级联实现了增强型游标效应，灵敏度放大倍率远大于常规游标效应的放大倍率。
附图说明
图1是基于增强型游标效应的高精度温度传感器结构示意图；
图2是传感器中传感头的结构示意图；
图3是PMDS腔和空气腔级联干涉谱；
图4温度变化时单个PMDS腔和单个空气腔的干涉谱变化
图5温度变化时干涉谱包络变化
其中1、宽谱光源；2、光纤环形器；3、传感头；4、光谱仪；301、第一单模光纤；302、第二单模光纤；303、空芯光纤；304、PDMS
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，说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。基于本申请中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
为了解决制造过程复杂、费用高，安装不便，灵敏度低问题，下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
实施例
参照图2所示，基于增强型游标效应的高精度温度传感头，包括第一单模光纤301、PMDS304、空芯光纤303和第二单模光纤302，所述空芯光纤303在所述第一单模光纤301和所述第二单模光纤302中间，所述第一单模光纤301 在所述空芯光纤303左侧位置，所述空芯光纤303在靠近所述第一单模光纤301 一端设有PDMS304腔，所述空芯光纤303在靠近所述第二光纤一端设有所述空气腔，所述第二单模光纤302在所述空芯光纤303右侧位置，所述第一单模光纤301与PDMS腔间的界面为M1，所述PDMS腔和所述空气腔间的界面为M2，所述空气腔和所述第二单模光纤302间的界面为M3。所述传感头中的所述第一单模光纤301和第二单模光纤302的外径均为125微米，所述纤芯直径为10微米，所述空芯光纤303的外径为125微米，内径为50-70微米，所述气孔的直径为5-20微米。此范围内的光纤的传导效果更好，减少损耗。所述的第二单模光纤302替代为多模光纤或无芯光纤或熊猫光纤，所述第二单模光纤302的作用就是提供一个反射界面，可以用其他任何一种可以完成此功能的光纤替代。
参照图2所示，所述传感头的制备过程为：
步骤一：将第一单模光纤301与空芯光纤303熔接，然后切割空芯光纤303，切割后的空芯光纤303的长度为200-400微米，此长度恰好能将第一单模光纤 301和第二单模光纤302承接起来。
步骤二：将空芯光纤303的切割端与第二单模光纤302熔接；
步骤三：利用激光在空芯光纤303两端各打一直径为5-20毫米的气孔，使外界气体能充分与空芯光纤303相通；
步骤四：将PDMS304由靠近第一单模光纤301的一端气孔注入空芯光纤303 内，注入过程保证靠近单模光纤1的一端没有气泡产生，实现完全挤压，从而形成PDMS腔和空气腔，PDMS腔的长度需要满足光在PDMS腔内传输的过程与在空气腔内传输的过程接近，但不相等，加热使PDMS固化封闭PDMS腔。
参照图1所示，基于增强型游标效应的高精度温度传感器，包括传感头3、宽谱光源1、光纤环形器2和光谱仪4。所述宽谱光源1波长为1200nm-1600nm 发出的入射光经光纤环形器2进入所述传感头3，然后依次经过所述界面M1、 M2和M3反射，反射光经光纤环形器2后被光谱仪4接收。
参照图2所示，基于增强型游标效应的高精度温度传感器原理,计算增强游标效应放大倍数和灵敏度的方法，其特征在于，界面M1和界面M2之间构成 PMDS腔，界面M2和界面M3之间构成空气腔，所述空气腔和PMDS腔均为的法布里-珀罗干涉计，所述法布里-珀罗干涉计为对被测参量敏感的传感干涉计，且两干涉计对温度具有相反的温度响应，从而增强游标效应对灵敏度的放大作用，
原理的公式推导步骤为：
步骤一：计算PDMS腔和空气腔的干涉谱强度，
其中I1(λ)和I2(λ)可分别表示为PDMS腔和空气腔的干涉谱强度，λ为入射光波长，A、B、C分别为由界面M1、M2和M3反射回光谱仪中的反射光的振幅，L1、L2分别为PDMS腔和空气腔的长度，n1和n2为PDMS和空气的折射率，分别约为1.399和1.0，PDMS腔和空气腔构成级联结构，
步骤二：常规游标效应的放大因倍率，
其中Ienvelope表示为干涉谱包络的光强，M为常规游标效应的放大倍率，E为干涉谱包络振幅光谱仪接收到的光谱强度IEnvelope可近似为PDMS腔和空气腔干涉谱的叠加。当PDMS腔的光程n1L1(或自由光谱范围FSR1)与空气腔的光程n2L2(或自由光谱范围FSR2)接近，但不相等时，级联双腔的干涉谱就会产生增强型游标效应，
步骤三：计算PDMS腔和空气腔的温度灵敏度，
其中S1为PDMS腔的温度灵敏度，S2为空气腔的温度灵敏度，λm为峰值波长，α为PDMS的热光系数，其值约为-5.0×10-4/℃，β为PDMS的热膨胀系数，其值约为9.6×10-4/℃。
步骤四：计算增强型游标效应的放大倍率，
将相关参数带入公式(3)和公式(4)可知，S1>0，S2<0，即温度变化时， PDMS腔和空气腔的干涉谱的频移方向相反，如图4所示。当PDMS腔和空气腔的自由光谱范围相近但不相等时，级联后干涉谱就会产生游标效应，干涉谱游标效应随温度的平移量将远大于单个PDMS腔和单个空气腔，如图5所示。相对于单个PDMS腔和单个空气腔，增强型游标效应的放大倍率分别为M1′和M2′，明显大于常规游标效应放大倍率M，其灵敏度SE为
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改，等同替换，改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.基于增强型游标效应的高精度温度传感器，其特征在于，包括传感头(3)、宽谱光源(1)、光纤环形器(2)和光谱仪(4)，所述传感头(3)包括第一单模光纤(301)、空芯光纤(303)和第二单模光纤(302)，所述空芯光纤(303)设置在所述第一单模光纤(301)和所述第二单模光纤(302)中间，所述第一单模光纤(301)在所述空芯光纤(303)左侧位置，所述空芯光纤(303)靠近所述第一单模光纤(301)一端设有PDMS(304)腔，所述空芯光纤(303)靠近所述第二单模光纤(302)一端设有空气腔，所述第二单模光纤(302)设置在所述空芯光纤(303)右侧位置；
所述第一单模光纤(301)和PDMS(304)间的界面为M1，所述PDMS(304)腔和所述空气腔间的界面为M2，所述空气腔和所述第二单模光纤(302)间的界面为M3，所述宽谱光源(1)发出的入射光经光纤环形器(2)进入所述传感头(3)，然后依次经过所述界面M1、M2和M3反射，反射光经光纤环形器(2)后被光谱仪(4)接收；
所述传感头(3)的制备过程包括：步骤一：将第一单模光纤(301)与空芯光纤(303)熔接，然后切割空芯光纤(303)；步骤二：将空芯光纤(303)的切割端与第二单模光纤(302)熔接；步骤三：利用激光在空芯光纤(303)两端各打一气孔，使外界气体与空芯光纤(303)内部相通；步骤四：将PDMS(304)由靠近第一单模光纤(301)一端气孔注入空芯光纤(303)内，填充空芯光纤(303)内靠近第一单模光纤(301)一端，从而形成PDMS腔，靠近第二单模光纤(302)的一端形成空气腔，加热使其固化；
所述空气腔和PMDS腔均为法布里-珀罗干涉计，所述法布里-珀罗干涉计为对被测参量敏感的传感干涉计，且两干涉计对温度具有相反的温度响应，当PDMS腔和空气腔的自由光谱范围相近但不相等时，所述高精度温度传感器的增强型游标效应的灵敏度SE如下：
式中，L 1、L 2分别为PDMS腔和空气腔的长度，n 1和n 2分别为PDMS和空气的折射率，S 1表示PDMS腔的温度灵敏度，S 2表示空气腔的温度灵敏度，α为PDMS的热光系数，β为PDMS的热膨胀系数；M表示常规游标效应的放大倍率；
表示增强型游标效应相对于PDMS腔的灵敏度放大倍率；
表示增强型游标效应相对于空气腔的灵敏度放大倍率；
其中，
2.根据权利要求1所述的基于增强型游标效应的高精度温度传感器，其特征在于，所述传感头中的所述第一单模光纤(301)和第二单模光纤(302)的外径均为125微米，所述第一单模光纤(301)和第二单模光纤(302)的纤芯直径为10微米，所述空芯光纤(303)的外径为125微米，内径为50-70微米，所述气孔的直径为5-20微米。
3.根据权利要求1所述的基于增强型游标效应的高精度温度传感器，其特征在于，所述的第二单模光纤(302)替代为多模光纤或无芯光纤或熊猫光纤。
4.根据权利要求1所述的基于增强型游标效应的高精度温度传感器，其特征在于，所述宽谱光源(1)波长为1200nm-1600nm。
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