CN113405690A - 基于扭转双芯光纤的温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于扭转双芯光纤的温度传感器，包括双芯光纤，其两端的拉锥耦合区分别连接单模光纤，双芯光纤的两个纤芯扭转呈螺旋状，且两个纤芯的中心与光纤轴心的距离不同，形成的螺旋线螺距不同，两个纤芯中信号的群光程差趋近于零。本发明可使光纤在无需拉锥的情况下便可获得类似色散转折点带来的高灵敏度效果。

Description

基于扭转双芯光纤的温度传感器

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，具体涉及一种基于扭转双芯光纤的温度传感器。

背景技术

光纤温度传感器具有灵敏度高、体积小、重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰、电绝缘等优点，在一些特殊领域如高温高压、易燃易爆、强电磁干扰和化学腐蚀性强的场所具有很大的市场需求。在众多不同结构的光纤温度传感器中，干涉型光纤温度传感器因具有灵敏度高、灵活多样、测量对象广泛等优点受到研究者的广泛关注。然而常规的光纤干涉仪受石英热光系数的影响其温度灵敏度通常只有几十皮米/摄氏度(℃)。近期提出的基于色散转折点的干涉型光纤传感器，在25-32℃范围内其温度灵敏度可以达到1.899nm/℃。

干涉仪的色散转折点是发生干涉的两个模式的群有效折射率相差为零时所对应的传感器工作状态。由于传感器灵敏度公式的分母为两个模式群有效折射率的差，如公式(3)所示，因此在色散转折点附近，传感器具有超高的灵敏度。现有基于色散转折点的光纤传感器结构是基于直径小于5微米的光纤微锥。光纤微锥内的两个不同模式之间发生干涉，其干涉谱的一个波谷对应的波长可以表示为：

该微锥型干涉仪对温度的响应特性可以表示为：

其中T为环境温度。对(2)式合并同类项后并将(1)式代入，得

从公式(3)可以看出，当两个模式的群有效折射率相同时，传感器的灵敏度为无穷大，而n_g1＝n_g2所对应的工作波长被称为色散转折点。对于常规光纤，光纤内不同模式的色散曲线相差不大，很难在近红外波段获得色散转折点。为了得到色散转折点，只能将单根单模光纤拉锥至直径小于5微米的微锥，在锥区形成色散曲线差异足够大的HE12和HE11模式，并产生模间干涉。该种方法存在光纤传感区因直径过小导致的机械强度不高和结构不稳定等问题。

发明内容

本发明旨在解决现有温度传感器获取干涉仪色散转折点的方法单一、传感器的机械强度不高等问题，提出一种基于扭转双芯光纤的温度传感器。

本发明所采用的技术方案是：

提供一种基于扭转双芯光纤的温度传感器，包括双芯光纤，其两端分别通过拉锥耦合区连接单模光纤，双芯光纤包含扭转后呈螺旋状的两个纤芯，两个纤芯的中心与光纤轴心的距离不同，形成的螺旋线螺距不同，且两个纤芯中信号的群光程差为零。

接上述技术方案，双芯光纤的两端通过熔接后拉锥形成耦合区。

接上述技术方案，调节两个纤芯的螺距使两个纤芯中信号的群光程差趋近于零。

接上述技术方案，双芯光纤的两个纤芯的直径为8-10微米，两个纤芯与光纤轴心的距离为30-50微米。

接上述技术方案，两个纤芯材料的色散曲线差异大。

接上述技术方案，耦合区为双锥型，锥腰直径为50-80微米，双锥型的耦合区长度为200-1000微米。

接上述技术方案，两个纤芯所用材料折射率随波长变化的拟合线性系数不同。

接上述技术方案，双芯光纤外部包覆一层包层。

本发明还提供了一种基于扭转双芯光纤的温度传感器的制备方法，包括如下步骤：

(1)将双芯光纤去掉涂覆层，并将双芯两端用切割刀切出平整的端面；

(2)分别将去除涂覆层的两个单模光纤用切割刀切出平整的端面，并将两个单模光纤分别与双芯光纤两端熔接；

(3)用夹具固定光纤在一水平线上，将火焰刷头对准双芯光纤两端与单模光纤的熔接处熔融加热，同时在水平线上向相反方向移动两端夹具，形成两个双锥型耦合区；

(4)双芯光纤两端用夹具固定在一水平线上，将火焰刷头对准双芯光纤中间区域熔融加热，同时以相同的速度、不同的方向扭转夹具，使双芯呈螺旋状。

本发明产生的有益效果是：本发明通过对双芯光纤两端与单模光纤耦合，在一侧耦合区使单模光纤基模同时耦合入双芯光纤的两个纤芯中传输，两个纤芯模在另一耦合区耦合回单模光纤的纤芯中，发生干涉，形成马赫-泽德干涉仪；同时对双芯光纤扭转，两个纤芯模在螺旋区沿不同螺旋纤芯路径传输。双螺旋纤芯的引入使发生干涉的两个纤芯模的传输路径的物理长度不同，因此可以通过设置双芯光纤的扭转区的螺距，使两路信号的群光程差为零，从而实现类似色散转折点的高灵敏度效果。本发明可以只需要调节螺距，无需改变光纤直径，具有更好的机械强度和可靠性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实例中的基于扭转双芯光纤的温度传感器结构示意图；

图2为本发明实施例中的双芯光纤的水平横截面示意图；

图3为本发明实例中扭转双芯光纤的两个纤芯的基模的色散曲线；

图4为本发明实例中扭转双芯光纤的群光程差G随波长变化曲线；

图中：1.单模光纤，2.单模光纤，3.双芯光纤耦合区，4.双芯光纤耦合区，5.双芯光纤扭转区，7.纤芯，8.纤芯，9.包层。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例基于扭转双芯光纤的温度传感器，通过对双芯光纤进行扭转，使双芯光纤两个纤芯的基模的群光程差可调，进而使传感器工作在干涉仪的类色散转折点状态。

图1为本发明实例中的基于扭转双芯光纤的温度传感器结构示意图。本发明实施例基于扭转双芯光纤的温度传感器，包括单模光纤1和单模光纤2，还包括双芯光纤，该双芯光纤包括两端的耦合区(可通过拉锥形成)：双芯光纤耦合区3、双芯光纤耦合区4，以及双芯光纤中间部分扭转形成的双芯光纤扭转区5，其中双芯光纤包括纤芯7、纤芯8，双芯经过扭转后呈螺旋状态，进一步地可在扭转后的双芯外部包覆包层9。

图2为本发明实施例中的双芯光纤的水平横截面示意图，其中纤芯7与纤芯8在光纤轴心两侧，并且纤芯7中心与纤芯8中心与光纤轴心的距离不同，形成的螺旋线螺距不同，且两个纤芯中信号的群光程差趋近于零。

纤芯7和纤芯8采用不同的材料，两种材料的色散曲线差异较大。两个纤芯的直径为8-10微米，两纤芯中心距离光纤轴心的距离为30-50微米。包层9的直径为125微米。

进一步地，双芯光纤两端与单模光纤的形成的双锥形耦合区是利用熔融拉锥技术制作的，锥腰直径为50-80微米，双锥型耦合区长度为200-1000微米。

本发明中将双芯光纤两端熔接单模光纤，并且对两端熔接处进行拉锥形成耦合区。通过第一耦合区同时激发双芯光纤两个纤芯基模，两个纤芯基模分别沿不同的螺旋纤芯路径传输，在第二耦合区耦合回单模光纤的纤芯。通过对双芯光纤扭转，因为双纤芯在光纤轴心两侧，双纤芯因扭转而呈双螺旋线状态。同时因为双纤芯中心距离光纤轴心的距离不同，所以双纤芯模的光程差随螺旋线的螺距不同而发生改变。

本发明通过对双芯光纤两端与单模光纤熔接处拉锥，在一侧耦合区使单模光纤基模同时耦合入双芯光纤的两个纤芯中传输，两个纤芯模在另一耦合区耦合回单模光纤的纤芯中，发生干涉，形成马赫-泽德干涉仪；同时对双芯光纤扭转，两个纤芯模在螺旋区沿不同螺旋纤芯路径传输。双螺旋纤芯的引入使发生干涉的两个纤芯模的传输路径的物理长度不同，因此可以通过调节双芯光纤的扭转区的螺距，使两路信号的群光程差为零，从而实现类似色散转折点的高灵敏度效果。本发明可以只需要调节螺距，无需改变光纤直径，具有更好的机械强度和可靠性。

综上所述，可以通过控制扭转参数实现两个纤芯模光程差的调制。本发明提出的类色散转折点是两个模式的群有效折射率与各自对应的传输路径的物理长度的乘积的差为零的点，因此对于固定的两个模式，可以通过改变扭转参数达到类色散转折点状态，使光纤传感器的灵敏度得到提高。

本发明的一个较佳实施例中，单模光纤1和单模光纤2的纤芯直径均为 8.2微米，外径均为125微米；纤芯7与纤芯8的直径均为9微米，双芯光纤外径为125微米；纤芯7中心与纤芯8的中心与双芯光纤轴心距离分别为40 微米和37.5微米。

图3为本发明实例中扭转双芯光纤通过仿真得到的两个纤芯的基模的色 散曲线。基模的色散曲线的不同主要由纤芯材料的性质影响，在本发明中设置 纤芯1所用材料折射率随波长变化的拟合线性系数为-0.08；纤芯2所用材料 折射率随波长变化的拟合线性系数为-0.023。双芯光纤所用包层材料射率随波 长变化的拟合线性系数为-0.024。本发明实施例中设置的波长范围为1.4-1.6 微米，变化步长为0.01微米。通过仿真得到双纤芯基模的色散曲线。图中实 线为纤芯8对应基模HE_{11_core1}的色散曲线，虚线为纤芯7对应基模HE_{11_core2}的色散曲线。

图4为本发明实例中扭转双芯光纤的群光程差G随波长变化曲线。由图中 G随直径的变化曲线，可以得到本发明实施例中扭转双芯光纤中最佳实例扭转 双芯温度传感器参数，当扭转区螺距为6000微米，螺旋圈数为5时；纤芯7 和纤芯8的物理长度分别为3.00231厘米和3.00263厘米时，扭转双芯光纤在 波长1.53微米下达到类色散转折点附近，灵敏度提高。其中扭转双芯光纤类 色散转折点的原理如下：

本发明实施例中扭转双芯光纤的模式传输中，双芯光纤中双纤芯所传输的纤芯基模分别为HE_{11_core1}和HE_{11_core2}。

本发明实施例中扭转双芯光纤的螺距记为S，HE_{11_core1}模式传输对应单圈螺旋线长度为L₁,HE_{11_core2}模式传输对应单圈螺旋线长度为L₂，并且具有相同 N个连续的螺旋周期，即双纤芯扭曲的第一个螺旋起点到最后一个螺旋终点的物理距离分别为L₁×N和L₂×N,即两个纤芯基模HE_{11_core1}和HE_{11_core2}分别对应的传输路径长度。

进一步，通过螺旋线长度公式可以得到扭转双芯光纤的纤芯扭转螺旋线长度，即基模HE_{11_core1}和HE_{11_core2}的传输路径的物理长度，记为

和

其中d₁为纤芯基模 HE_{11_core1}的对应纤芯中心与双芯光纤轴心之间的距离，d₂为纤芯基模HE_{11_core2}的对应纤芯中心与双芯光纤轴心之间的距离。因为d₁不等于d₂，所以L_core1不等于L_core2，两个模式的传输路径的物理长度不同。

进一步，

表示模式HE_{11_core1}和模式HE_{11_core2}经过扭转区域后的相位差，对于干涉光谱的波谷，有

其中n_eff-co1和n_eff-co2分别对应模式HE_{11_core1}和模式HE_{11_core2}的相位有效折射率，m为奇数。对应的波谷的波长为

进一步，当环境温度发生改变，两个纤芯基模的有效折射率随之发生变化，同时受温度影响两个纤芯的物理长度也随之发生改变。因此该传感器的灵敏可以表示为：

其中T为环境温度。所以对(6)整理并合并同类项得

进一步，将公式(5)带入公式(7)可得

最终整理得灵敏度公式为

其中，

分别为双芯光纤两个纤芯模式HE_{11_core1}和HE_{11_core2}的群有效折射率，可以得出 G＝n_g-co1×L_core1-n_g-co2×L_core2。显而易见，当G＝0时S_T趋于无穷，即灵敏度趋于无穷大，此处将G＝0对应的点称为类色散转折点。因此，我们可以通过扭转双芯光纤调控L_core1与L_core2的差值使得G的值趋于0，从而实现灵敏度的提高。

可见本发明通过改进色散转折点的推导公式，提出一种扭转双芯光纤温度传感器。可以在不对光纤拉锥情况下达到类色散转折点状态，从而有效提高光纤温度传感器的灵敏度，并且增强了传感器的机械强度和稳定性。

本发明实施例基于扭转双芯光纤的温度传感器的制备方法，包括如下步骤：

(1)将双芯光纤去掉涂覆层，并将双芯两端用切割刀切出平整的端面；

(2)分别将去除涂覆层的两个单模光纤用切割刀切出平整的端面，并将两个单模光纤分别与双芯光纤两端熔接；

(3)用夹具固定光纤在一水平线上，将火焰刷头对准双芯光纤两端与单模光纤的熔接处熔融加热，同时在水平线上向相反方向移动两端夹具，形成两个双锥型耦合区；

(4)双芯光纤两端用夹具固定在一水平线上，将火焰刷头对准双芯光纤中间区域熔融加热，同时以相同的速度、不同的方向扭转夹具，使双芯呈螺旋状。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于扭转双芯光纤的温度传感器，其特征在于,包括双芯光纤，其两端分别通过拉锥耦合区连接单模光纤，双芯光纤包含扭转后呈螺旋状的两个纤芯，两个纤芯的中心与光纤轴心的距离不同，形成的螺旋线螺距不同，且两个纤芯中信号的群光程差为零。

2.根据权利要求1所述的基于扭转双芯光纤的温度传感器，其特征在于，双芯光纤的两端通过熔接后拉锥形成耦合区。

3.根据权利要求1所述的基于扭转双芯光纤的温度传感器，其特征在于，调节两个纤芯的螺距使两个纤芯中信号的群光程差趋近于零。

4.根据权利要求1所述的基于扭转双芯光纤的温度传感器，其特征在于，双芯光纤的两个纤芯的直径为8-10微米，两个纤芯与光纤轴心的距离为30-50微米。

5.根据权利要求1所述的基于扭转双芯光纤的温度传感器，其特征在于，两个纤芯材料的色散曲线差异大。

6.根据权利要求2所述的基于扭转双芯光纤的温度传感器，其特征在于，耦合区为双锥型，锥腰直径为50-80微米，双锥型的耦合区长度为200-1000微米。

7.根据权利要求1所述的基于扭转双芯光纤的温度传感器，其特征在于，两个纤芯所用材料折射率随波长变化的拟合线性系数不同。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的基于扭转双芯光纤的温度传感器，其特征在于，双芯光纤外部包覆一层包层。

9.一种基于扭转双芯光纤的温度传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

将双芯光纤去掉涂覆层，并将双芯两端用切割刀切出平整的端面；

分别将去除涂覆层的两个单模光纤用切割刀切出平整的端面，并将两个单模光纤分别与双芯光纤两端熔接；

用夹具固定光纤在一水平线上，将火焰刷头对准双芯光纤两端与单模光纤的熔接处熔融加热，同时在水平线上向相反方向移动两端夹具，形成两个双锥型耦合区；

双芯光纤两端用夹具固定在一水平线上，将火焰刷头对准双芯光纤中间区域熔融加热，同时以相同的速度、不同的方向扭转夹具，使双芯呈螺旋状。

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