CN113138035A - 基于光纤色散波的温度传感器及温度测量系统 - Google Patents

基于光纤色散波的温度传感器及温度测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于光纤色散波的温度传感器及温度测量系统，温度传感器由普通光纤和微结构光纤组成；所述微结构光纤两端与普通光纤熔接，构成光纤温度传感器；所述微结构光纤的气孔中填充有温度敏感物质。温度测量系统由光源模块、光纤传感器和检测模块组成。其中，光源模块与光纤传感器相连，光纤传感器与检测模块相连。当温度变化时，光纤传感器中产生的色散波的3dB带宽中心波长发生改变，通过检测输出光谱3dB带宽中心波长的改变实现温度传感。本发明提出的光纤温度传感器及温度测量系统，简化了光纤传感器结构、提高了光纤传感的灵敏度和测量精度、机械强度高，测量系统全光纤化，是实现温度检测的有效手段。

Description

基于光纤色散波的温度传感器及温度测量系统
技术领域
本发明涉及光学温度传感技术领域，尤其涉及一种基于光纤色散波的温度传感器及温度测量系统。
背景技术
色散波又称为契伦科夫辐射，是超连续谱重要的组成部分，当光脉冲在微结构光纤中传输时，脉冲波形受到多种非线性效应共同作用从而致使输入脉冲的频谱被极大地展宽，例如群速度色散、自相位调制、受激拉曼散射及自陡峭等。当脉冲频谱展宽到零色散波长附近，在高阶色散的影响下满足相位匹配条件时，高阶孤子将在正常色散区辐射出色散波，色散波的中心波长相对于孤子的中心波长不仅能够向长波段红移，还能向短波段蓝移。近年来，色散波被广泛应用于生物光学、超连续谱产生、超短脉冲的高效频率转换器等方面。
光纤传感器由于体积小、耐腐蚀、抗电磁干扰等优点在传感领域备受青睐。根据光纤在传感器中的作用光纤传感器分为功能型、非功能型和拾光型三类；根据光脉冲受被测对象的调制形式分为强度调制型光纤传感器、偏振调制光纤传感器、频率调制光纤传感器、相位调制光纤传感器。温度传感器作为传感器中的最早开发，应用最广的一类传感器，占整个传感器总需求量的40％以上。但是，光纤温度传感器依然存在着机械强度低、结构复杂、稳定性差、难以批量化生产等难题。由于基于光纤色散波的温度传感器无需复杂的传感结构，且机械强度高与稳定性强，因此为研发高性能温度传感器提供了新的有效途径。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种基于光纤色散波的温度传感器及温度测量系统。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于光纤色散波的温度传感器，由微结构光纤和普通光纤组成；所述微结构光纤的两端分别熔接一段普通光纤，形成三段式的整体结构。
所述微结构光纤包括：包层、包层中的气孔和内层气孔包围而成的六边形纤芯；所述气孔中填充有温度敏感物质。
所述微结构光纤六边形纤芯的内接圆直径范围为5um～10um，包层直径范围为20um～40um，包层中空气孔直径范围为2um～3um。
进一步的，所述微结构光纤的长度范围为20～30cm。
所述微结构光纤为石英微结构光纤或氟化物微结构光纤。
所述普通光纤为多模光纤或单模光纤。
所述温度敏感物质为酒精。
另一方面，本发明还提供一种采用上述温度传感器设计的温度测量系统，包括：光源模块、温度传感器和检测模块；
所述光源模块与温度传感器的一端相连，提供光脉冲传输至温度传感器；
所述温度传感器感应温度变化，使得色散波3dB带宽的中心波长发生改变，并将信号发送给检测模块；
所述检测模块与温度传感器的输出端相连接，用于显示光信号光谱的变化。
进一步的，所述光源模块为全光纤锁模激光器，输出激光工作波长范围在1050nm。
所述检测模块为光谱仪或示波器中的一种。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
1、本发明设计的基于光纤色散波的温度传感器通过改变微结构光纤中色散波3dB带宽中心波长来实现温度的感应，相比于传统的光纤温度传感器，结构简单、灵敏度高、机械强度高；
2、本发明设计的温度测量系统成本低，信息传递全光纤化，有利于大规模生产。
附图说明
图1为本发明实施例中基于光纤色散波的温度传感器中微结构光纤的横向截面图；
图2为本发明实施例中温度测量系统的整体结构示意图；
图3为本发明实施例中温度传感器的色散曲线；
图4为本发明实施例中温度传感器的非线性系数曲线；
图5为本发明实施例中温度传感器测量的光谱曲线；
图6为本发明实施例中温度传感器温度测量灵敏度曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本实施例中，基于光纤色散波的温度传感器，由微结构光纤和普通光纤组成；所述微结构光纤的两端分别熔接一段普通光纤，形成三段式的整体结构。
所述微结构光纤包括：包层、包层中的气孔和内层气孔包围而成的六边形纤芯，其结构的横截面如图1所示；所述气孔中填充有温度敏感物质。
所述微结构光纤六边形纤芯的内接圆直径范围为5um～10um，包层直径范围为20um～40um，包层中空气孔直径范围为2um～3um。
进一步的，所述微结构光纤的长度范围为20～30cm。
所述微结构光纤为石英微结构光纤或氟化物微结构光纤。
本实施例中，微结构光纤采用石英微结构光纤，其六边形纤芯5的内接圆直径为5.65um，包层6直径为20um，包层中空气孔7直径为2.1um，石英微结构光纤长度为20cm。光纤色散曲线如图3所示；光纤非线性系数曲线如图4所示。
所述普通光纤为多模光纤或单模光纤。
所述温度敏感物质为酒精。
当光脉冲在光纤传感器传输时，可以使用非线性薛定谔方程来描述光脉冲的传输情况：
Figure BDA0003032916610000031
其中，A(z,t)表示光脉冲的慢变包络振幅；z为传输距离；t为传输时间；α为传播损耗；βm为模传播常数的泰勒级数展开系数；m为泰勒级数展开的阶数；i为虚数单位，γ为非线性系数；ω0为光脉冲中心频率；R(t)为响应函数，表示为：
R(t)＝(1-fR)δ(t)+fRhR(t)
其中，fR表示拉曼响应对非线性极化率的权重,hR(t)为拉曼响应函数，δ(t)为冲激函数。当光脉冲在光纤传感器的反常色散区产生光孤子，光孤子与色散波之间满足的相位匹配条件时，在光纤传感器的正常色散区产生相应波长下产生蓝移或者红移的色散波。待测温度改变，非线性薛定谔方程右侧与光纤色散有关的第二项及与光纤非线性系数有关的第三项均发生变化，导致光孤子与色散波之间相位匹配条件发生改变，使得色散波3dB带宽的中心波长发生变化。当高阶色散主要考虑三阶色散时，色散波相对于光孤子的频移如下：
Figure BDA0003032916610000032
其中，ωDW为色散波中心频率，ωS为孤子中心频率，β2(ωS)为孤子中心频率处群速度色散，β3(ωS)为孤子中心频率处三阶色散，在不同待测温度下，色散波频移差可以表示为：
Figure BDA0003032916610000033
其中，△ωDW为色散波中心频率改变量，ω'DW为改变温度后色散波中心频率，β′2(ωS)为改变温度后孤子中心频率处群速度色散，β′3(ωS)为改变温度后孤子中心频率处三阶色散，T0为入射脉冲的时域宽度，TR源于拉曼延迟响应，一般假定为常数。
因此，通过观察不同待测温度下色散波3dB带宽的中心波长的变化实现温度传感。基于自相位调制效应的温度传感灵敏度可以表示为:
Figure BDA0003032916610000041
其中，T为温度。
本实施例中，还提供一种采用上述温度传感器设计的温度测量系统，其结构如图2所示，包括：光源模块1、温度传感器2和检测模块4；
所述光源模块1与温度传感器2的一端相连，提供光脉冲传输至温度传感器2；
所述温度传感器2将光脉冲耦合进入温度传感器纤芯产生光纤色散波，感应温度变化，使得色散波3dB带宽的中心波长发生改变，并将信号发送给检测模块4；
所述检测模块4与温度传感器2的输出端相连接，用于显示光信号光谱的变化。
进一步的，所述光源模块1为全光纤锁模激光器，输出激光工作波长范围在1050nm。
所述检测模块4为光谱仪或示波器中的一种，本实施例中采用YOKOGAWA AQ6375B光谱仪。
本实施例中，系统温度调节采用温度调节模块3来实现，温度调节模块3可以为水浴加热锅、恒温恒湿箱、加热电线圈等。本实施例中采用水浴加热锅来改变待测温度，光纤温度传感器2感应温度变化使得色散波3dB带宽中心波长发生变化；
本实施例中，采用上述温度测量系统进行温度测量的方法，包括以下步骤：
(1)全光纤锁模激光器输出工作波长为1050nm，平均泵浦功率150mW的光脉冲信号传输至微结构石英光纤传感器；
(2)光脉冲耦合进入微结构石英光纤传感器纤芯产生光纤色散波并传输至光谱仪；
(3)水浴加热锅改变待测温度，温度改变量ΔT为5℃、10℃、15℃、20℃、25℃；
(4)光谱仪显示温度改变量ΔT为5℃、10℃、15℃、20℃、25℃下光纤色散波的输出光谱，如图5所示,计算光纤色散波输出光谱的3dB带宽中心波长的变化，实现温度传感，计算得到的温度灵敏度为-0.412nm/℃，如图6所示。

Claims (10)

1.一种基于光纤色散波的温度传感器，其特征在于，由微结构光纤和普通光纤组成；所述微结构光纤的两端分别熔接一段普通光纤，形成三段式的整体结构。
2.根据权利要求1所述的基于光纤色散波的温度传感器，其特征在于，所述微结构光纤包括：包层、包层中的气孔和内层气孔包围而成的六边形纤芯；所述气孔中填充有温度敏感物质。
3.根据权利要求2所述的基于光纤色散波的温度传感器，其特征在于，所述微结构光纤六边形纤芯的内接圆直径范围为5um～10um，包层直径范围为20um～40um，包层中空气孔直径范围为2um～3um。
4.根据权利要求1所述的基于光纤色散波的温度传感器，其特征在于，所述微结构光纤的长度范围为20～30cm。
5.根据权利要求1所述的基于光纤色散波的温度传感器，其特征在于，所述微结构光纤为石英微结构光纤或氟化物微结构光纤。
6.根据权利要求1所述的基于光纤色散波的温度传感器，其特征在于，所述普通光纤为多模光纤或单模光纤。
7.根据权利要求2所述的基于光纤色散波的温度传感器，其特征在于，所述温度敏感物质为酒精。
8.采用权利要求1至7中任意一项所述的基于光纤色散波的温度传感器设计的温度测量系统，其特征在于，包括：光源模块、温度传感器和检测模块；
光源模块与温度传感器的一端相连，提供光脉冲传输至温度传感器；
所述温度传感器感应温度变化，使得色散波3dB带宽的中心波长发生改变，并将信号发送给检测模块；
所述检测模块与温度传感器的输出端相连接，用于显示光信号光谱的变化。
9.根据权利要求8所述的温度测量系统，其特征在于，所述光源模块为全光纤锁模激光器，输出激光工作波长范围在1050nm。
10.根据权利要求8所述的温度测量系统，其特征在于，所述检测模块为光谱仪或示波器中的一种。
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