CN113218532A - 一种基于光纤双腔二倍游标效应增敏的温度传感器 - Google Patents

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杨玉强
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    • G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/32—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres

Abstract

本发明属于光纤传感领域，具体涉及一种基于光纤双腔二倍游标效应增敏的温度传感器。本发明解决了现有的温度传感器灵敏度低、集成度不够高的问题。本发明采用单模光纤、悬浮芯光纤制备传感头，即基于双腔级联产生二倍游标效应实现增敏。此外，本发明结构简单，制作方便并不需要胶固或套管。采用本发明的传感头结构的灵敏度是单个空气腔灵敏度的M倍。本发明可用于环境温度检测，全光纤的结构在高温测量应用上具有巨大潜力。

Description

一种基于光纤双腔二倍游标效应增敏的温度传感器
技术领域
本发明属于光纤传感领域，具体涉及一种基于光纤双腔二倍游标效应增敏的温度传感器。
背景技术
光纤传感器很好的继承了光纤的优良特性，光纤传感器的灵敏度比传统的传感器高几个数量级，由于其优越的性能而备受青睐，在工业、环境、医疗等领域得到了广泛的研究和应用。光纤温度传感器具有成本低、响应速度快、抗电磁干扰、耐用等优点。而利用二倍游标效应则可以进一步提高传感性能，满足更高的要求。
近年来，应用游标效应的温度传感器包括对法布里珀罗腔、马赫曾德腔、赛格耐克腔等进行级联或并联的结构组合。这些研究中要么需要解调频谱以提取包络；要么所需特种光纤的长度太长，成本相对昂贵；要么集成度不够高，因此设计一种价格低、结构紧凑的温度传感器来提高测量灵敏度是十分重要的。
本发明设计了一种基于光纤双腔二倍游标效应增敏的温度传感器，经文献检索，未见与本发明相同的公开报道。
发明内容
为了解决上述问题，本发明公开了一种基于光纤双腔二倍游标效应增敏的温度传感器，该模拟装置利用传感腔与参考腔之间自由光谱范围的约二倍关系产生游标效应，直接可得到清晰的包络图；借助悬浮芯光纤内部有气孔的特殊结构，使传感器高度集成，实现结构紧凑、灵敏度高的目的；石英腔与空气腔的特殊组合方式可以避免复合腔的影响，对于包络的平移量，放大倍数可以直接达到理想的M倍，增敏效果显著。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于光纤双腔二倍游标效应增敏的温度传感器，其特征在于，所述温度传感装置包括自发辐射放大ASE光源作为宽光源、光纤环形器、导入单模光纤、悬浮芯光纤、尾端单模光纤、光谱仪；
所述的自发辐射放大ASE光源作为宽光源发出波长连续的激光经过光纤环形器进入到导入单模光纤传输至悬浮芯光纤、尾端单模光纤，经反射后的光传输到光谱仪中，得到带有二倍游标效应的干涉谱。
所用悬浮芯光纤长度287μm，外径125μm，内部纤芯9μm，紧邻纤芯有直径36μm的气孔。为保证传感器性能更加优良以便形成二倍游标效应，选用尾端单模光纤长度135μm，外径125μm，内部纤芯9μm；
悬浮芯光纤的一端与导入单模光纤的一端相熔接，对应的熔接面称为第一熔接面，同时也是第一反射面M1；悬浮芯光纤的另一端与尾端单模光纤的一端相熔接，对应的熔接面称为第二熔接面，悬浮芯光纤的气孔与尾端单模光纤的包层处形成第二反射面M2；利用熔接机对导入单模光纤和悬浮芯光纤进行错位熔接，熔接时悬浮芯光纤上移量为5μm，目的在于使从导入单模光纤出射的光一部分沿悬浮芯光纤的纤芯传输至尾端单模光纤纤芯在第三反射面M3处反射，另一部分光分别先后在第一反射面M1、第二反射面M2处反射。三束反射光相互干涉，形成二倍游标效应的干涉谱；
悬浮芯光纤纤芯和尾端单模光纤纤芯构成石英腔，全光纤结构可用于高温测量；悬浮芯光纤的气孔部分构成空气腔，双腔级联结构紧凑，集成度高。
空气腔的热光效应可以忽略，主要是石英腔的热膨胀效应使传感头遇热后，其长度有小幅度的增加，造成两腔的光程差变大从而引起包络谱的平移量。平移量公式如下：
ΔλEnvelope＝MΔλ
其中，M为包络的放大因子，Δλ为石英腔的干涉谱平移量。
空气腔与石英腔独特的组合结构有效避免了复合腔的干扰，对于包络的平移量，放大倍数可以直接达到理想的M倍，增敏效果显著。
有益效果：
第一、由于利用传感腔与参考腔之间自由光谱范围的约二倍关系产生游标效应，直接可得到清晰的包络图；
第二、空气腔与石英腔独特的组合结构有效避免了复合腔的干扰，包络的移动量能达到理论值即是单个石英腔平移量的M倍，增敏效果显著；
第三、由于借助悬浮芯光纤内部有气孔的特殊结构，使传感腔与参考腔高度集成，在能进一步提高灵敏度的同时，有利于仪器小型化；
第四、所采用的结构为全光纤，二氧化硅作为制造光纤的主材料可以耐高温，因此本发明的传感装置可用于高温检测领域。
附图说明
图1是本发明的一种基于光纤双腔二倍游标效应增敏的温度传感器的装置示意图；
图2是传感头的结构示意图。
图3是光路传输原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细描述。
具体实施例一
本实施例的一种基于光纤双腔二倍游标效应增敏的温度传感器，结构示意图如图1所示。该基于二倍游标效应的全光纤双腔级联传感装置包括自发辐射放大ASE光源作为宽光源(1)、光纤环形器(2)、导入单模光纤(3)、悬浮芯光纤(4)、尾端单模光纤(5)、光谱仪(6)；
自发辐射放大ASE光源作为宽光源(1)发出波长连续的激光经过光纤环形器(2)进入到导入单模光纤(3)传输至悬浮芯光纤(4)、尾端单模光纤(5)，经反射后的光传输到光谱仪(6)中，得到带有游标效应的干涉谱。
具体实施例二
本实施例的一种基于光纤双腔二倍游标效应增敏的温度传感器，在具体实施例一的基础上，进一步限定还包括所用长度287μm的悬浮芯光纤(4)，其外径125μm，内部纤芯9μm，紧邻纤芯有直径36μm的气孔。为保证传感器性能更加优良，同时便于形成二倍游标效应，选用尾端单模光纤(5)长度135μm，外径125μm，内部纤芯9μm。传感头结构如图2所示。
这种结构设计，利用空气腔自由光谱范围的二倍与石英腔一倍的自由光谱范围相接近的关系，形成游标效应。放大包络平移量到单个石英腔平移量的M倍，有效提高了灵敏度。
具体实施例三
本实施例的一种基于光纤双腔二倍游标效应增敏的温度传感器，在具体实施例一的基础上，进一步限定悬浮芯光纤(4)的一端与导入单模光纤(3)的一端相熔接，对应的熔接面称为第一熔接面；悬浮芯光纤(4)的另一端与尾端单模光纤(5)的一端相熔接，对应的熔接面称为第二熔接面；利用熔接机对导入单模光纤(3)和悬浮芯光纤(4)进行错位熔接，熔接时悬浮芯光纤(4)上移量为5μm，目的在于使从导入单模光纤(3)出射的光一部分沿悬浮芯光纤(4)的纤芯传输至尾端单模光纤(5)，另一部分沿悬浮芯光纤(4)的气孔传输。当两交界面的折射率不同时便会发生反射现象。分别在导入单模光纤(3)与悬浮芯光纤(4)气孔的交界面、悬浮芯光纤(4)气孔与尾端单模光纤(5)包层的交界面以及尾端单模光纤(5)的端面处形成第一反射面M1、第二反射面M2以及第三反射面M3。在本发明的传感头中会有三束反射光分别在M1、M2、M3处形成并产生干涉，光路传输的原理图如图3所示。
具体实施例四
本实施例的一种基于光纤双腔二倍游标效应增敏的温度传感器，在具体实施例一的基础上，进一步限定悬浮芯光纤(4)纤芯和尾端单模光纤(5)纤芯构成石英腔，全光纤结构可用于高温测量；悬浮芯光纤(4)的气孔部分构成空气腔，双腔级联结构紧凑，集成度高。
需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合，本领域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能，因此，本发明不再对排列组合后的技术方案进行一一说明，但应该理解为排列组合后的技术方案或由本技术方案引申出的显而易见的变化已经被本发明所公开。

Claims (6)

1.一种基于光纤双腔二倍游标效应增敏的温度传感器，其特征在于，所述温度传感装置包括自发辐射放大ASE光源作为宽光源(1)、光纤环形器(2)、导入单模光纤(3)、悬浮芯光纤(4)、尾端单模光纤(5)、光谱仪(6)；
所述的自发辐射放大ASE光源作为宽光源(1)发出波长连续的激光经过光纤环形器(2)进入到导入单模光纤(3)传输至悬浮芯光纤(4)、尾端单模光纤(5)，经反射后的光传输到光谱仪(6)中，得到带有二倍游标效应的干涉谱。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤双腔二倍游标效应增敏的温度传感器，其特征在于，所用悬浮芯光纤(4)长度287μm，外径125μm，内部纤芯直径9μm，紧邻纤芯有直径36μm的气孔。为保证传感器性能更加优良以便形成二倍游标效应，选用尾端单模光纤(5)长度135μm，外径125μm，内部纤芯直径9μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤双腔二倍游标效应增敏的温度传感器，其特征在于，悬浮芯光纤(4)的一端与导入单模光纤(3)的一端相熔接，对应的熔接面称为第一熔接面；悬浮芯光纤(4)的另一端与尾端单模光纤(5)的一端相熔接，对应的熔接面称为第二熔接面；利用熔接机对导入单模光纤(3)和悬浮芯光纤(4)进行错位熔接，熔接时悬浮芯光纤(4)上移量为5μm，目的在于使从导入单模光纤(3)出射的光一部分沿悬浮芯光纤(4)的纤芯传输至尾端单模光纤(5)，另一部分沿悬浮芯光纤(4)的气孔传输。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤双腔二倍游标效应增敏的温度传感器，其特征在于，悬浮芯光纤(4)纤芯和尾端单模光纤(5)纤芯构成石英腔，全光纤结构可用于高温测量；悬浮芯光纤(4)的气孔部分构成空气腔，双腔级联结构紧凑，集成度高。
5.根据权利要求1所述的一种基于光纤双腔二倍游标效应增敏的温度传感器，其特征在于，空气腔的热光效应可以忽略，主要是石英腔的热膨胀效应使传感头遇热后，其长度有小幅度的增加，造成两腔的光程差变大从而引起包络谱的平移量。平移量公式如下：
ΔλEnvelope＝MΔλ
其中，M为包络的放大因子，Δλ为石英腔的干涉谱平移量。
6.根据权利要求1所述的一种基于光纤双腔二倍游标效应增敏的温度传感器，其特征在于，空气腔与石英腔的传感头结构有效避免了复合腔的干扰，对于包络的平移量，放大倍数可以直接达到理想的M倍，增敏效果显著。
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