CN113432750A - 基于空芯光纤的高灵敏度温度传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于空芯光纤的高灵敏度温度传感器及其制作方法。该传感器包括空芯光纤和单模光纤；空芯光纤的内部填充特定折射率的液体，空芯光纤的两端均与单模光纤熔接；两端的单模光纤分别连接光源和光谱仪；光源入射光经过空芯光纤时发生干涉，在特定的波长处产生损耗峰，当空芯光纤所处的环境温度变化时，空芯光纤的有效折射率产生变化，造成干涉透射峰的漂移，从而实现温度的测量。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于空芯光纤的高灵敏度温度传感器及其制作方法。
背景技术
温度传感器涉及的范围非常广泛，例如，应用于生物医学、工业、电力系统、建筑业、航空航天业以及海洋开发领域等。常见的热电偶温度传感器其工作原理是基于热电效应，也就是两种不同成分的导体两端接合成回路，当热电偶一端受热时，热电偶电路中就有电势差，从而可用测量的电势差来计算温度。另外，还有热敏电阻温度传感器、电阻温度检测器等，它们的基本原理是将温度信号转化为电参量信号。
这些基于电处理的温度传感器一般都包含了电信号的转换，电信号的传输以及处理等过程，因此在现实应用中可能会受到电磁干扰的影响。由于电子元器件对于使用环境具有一定的要求，比如需要在一定的温度范围内工作，因此在多变和极端环境下的温度传感监测方面，基于电信号的温度传感器会受到一定的限制。此外，电子器件易老化，或被特殊的液体腐蚀，需要相应的封装工艺来保证器件的使用寿命。随着工业技术的发展，需要被测环境温度越来越多，基于电信号的传感器件在易燃易爆环境中使用时需要加很大的防爆装置，应用受到了很大的限制。另外，传统的基于电信号的温度传感器，由于其体积较小，电路中的电子元器件发热对被监测的环境温度造成了一定的误差，在灵敏度上很难取得较理想的指标。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于空芯光纤的高灵敏度温度传感器及其制作方法，提高温度传感器的灵敏度，同时克服使用环境的影响。
本发明所采用的技术方案如下：
一种基于空芯光纤的高灵敏度温度传感器，包括空芯光纤和单模光纤；空芯光纤的内部填充特定折射率的液体，空芯光纤的两端均与单模光纤熔接；
两端的单模光纤分别连接光源和光谱仪；光源入射光经过空芯光纤时发生干涉，在特定的波长处产生损耗峰，当空芯光纤所处的环境温度变化时，空芯光纤的有效折射率产生变化，造成干涉透射峰的漂移，从而实现温度的测量。
优选地，空芯光纤的内径为2μm，外径为125μm。
优选地，液体的折射率值为1.452。
一种基于空芯光纤的高灵敏度温度传感器的制作方法，包括以下步骤：
取一段空芯光纤，去除掉空芯光纤的涂覆保护层；
利用光纤切割刀将空芯光纤的两端面切平整；
将空芯光纤放置在一定折射率的液体中，待其完全吸收；
将空芯光纤的两端均与一单模光纤熔接，且使两者的纤芯对准。
优选地，用酒精擦拭空芯光纤表面以除去涂覆层残留物。
优选地，利用光纤熔接机完成熔接。
优选地，熔接参数设置为放电强度20单位，放电时间700ms。
本发明的有益效果为：
本发明在空芯光纤的内部填充特定折射率的液体，光源入射光经过空芯光纤时会发生干涉，从而在特定的波长处产生损耗峰，当空芯光纤所处的环境温度变化时，空芯光纤的有效折射率也会产生变化，进而造成干涉透射峰的漂移，由此监测温度的变化。
附图说明
图1是本发明的基于空芯光纤的高灵敏度温度传感器结构示意图。
图2是本发明实施例的空芯光纤的横截面示意图。
图3是本发明实施例的温度传感器的测量方法示意图。
图4是本发明实施例的温度光谱图。
图5是本发明实施例的温度传感器的测试结果图。
图中：1-单模光纤，2-空芯光纤，3-折射率液体。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的说明：
本发明的基于空芯光纤的高灵敏度温度传感器，将空芯光纤两端熔接在普通的单模光纤之间，其中，空芯光纤内填充特定折射率的液体。传感器探头两端的单模光纤分别作为输入和输出光信号的部件，分别连接宽带光源和光谱仪，中间的空芯光纤作为温度传感器的探头水平放置在要测量的温度区域，进而对温度进行测量。光源入射到器件的光经过空芯光纤时会发生干涉，从而在特定的波长处产生损耗峰。当空芯光纤所处的环境温度升高，光纤的有效折射率会降低，造成干涉透射峰的漂移，从而实现对温度进行测量。
本实施例的基于空芯光纤的高灵敏度温度传感器，用于对温度进行高灵敏的测量，如图1和图2所示，包括内径为2μm、外径为125μm的空芯光纤2、普通单模光纤1和折射率为1.452的折射率液体3，将处理好的空芯光纤2两端和单模光纤1熔接构成传感器，两端的单模光纤1分别连接光源和光谱仪监测光谱。熔接在单模光纤中间的空芯光纤，其内部完全填满折射率值为1.452的匹配液体。
将空芯光纤作为探头水平放置在被测温度的环境下，当探头完全处于被测温度的环境时，由光谱仪搜集到的光谱透射峰会随着环境温度的变化而发生漂移，由此监测温度的变化。
本发明还公开上述基于空芯光纤的高灵敏度温度传感器的制作方法，包括以下步骤：
S1、涂覆层处理。选取一段空芯光纤，空芯光纤横截面有内外两层，内径2μm，外径125μm。使用刀片去除掉空芯光纤的涂覆保护层，并用酒精擦拭空芯光纤表面以除去涂覆层残留物。
S2、切平处理。使用光纤切割刀将空芯光纤的一端切平整，然后在离该端面一段距离处切出另外一个平整的端面，具体的距离根据实际需要而定，这里选取25mm。
S3、空芯光纤的进一步处理。空芯光纤一端放置在一定折射率的液体中，等待空芯光纤完全吸收液体。
S4、和普通单模光纤的熔接。处理过的空芯光纤管最后需要和单模光纤熔接起来完成整个器件的制作，可以利用光纤熔接机的手动操作功能来完成。由于单模光纤和空芯光纤的直径可能不同，故手动对准时要保证两者的纤芯正对着，防止错位造成多模干涉。采用优化了的熔接放电参数将已切好的空芯光纤的两端和单模光纤熔接，熔接参数设置为放电强度20单位，放电时间700ms，将处理过的空心光纤的两端都按上述要求熔接上单模光纤，即完成传感器的制作。
传感器的温度测量应用：
如图3所示，将器件两端的单模光纤分别接上光源和光谱仪，就会得到图4中原始的光谱图。将温度传感器用于温度测量时，只需将空芯光纤整个置于变化温度的环境内部，通过监测器件的光栅谐振峰的漂移即可，图4为温度光谱图。同样，在整个测量温度的过程中，光谱的温度表现得很线性。图5是在实验中取得的温度灵敏度，光谱中的温度灵敏度为0.64nm/℃，由此可见，器件具有较好的线性响应和较高的灵敏度。
本领域的技术人员容易理解，以上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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于空芯光纤的高灵敏度温度传感器，其特征在于，包括空芯光纤和单模光纤；空芯光纤的内部填充特定折射率的液体，空芯光纤的两端均与单模光纤熔接；
两端的单模光纤分别连接光源和光谱仪；光源入射光经过空芯光纤时发生干涉，在特定的波长处产生损耗峰，当空芯光纤所处的环境温度变化时，空芯光纤的有效折射率产生变化，造成干涉透射峰的漂移，从而实现温度的测量。
2.根据权利要求1所述的基于空芯光纤的高灵敏度温度传感器，其特征在于，空芯光纤的内径为2μm，外径为125μm。
3.根据权利要求1所述的基于空芯光纤的高灵敏度温度传感器，其特征在于，液体的折射率值为1.452。
4.一种基于空芯光纤的高灵敏度温度传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
取一段空芯光纤，去除掉空芯光纤的涂覆保护层；
利用光纤切割刀将空芯光纤的两端面切平整；
将空芯光纤放置在一定折射率的液体中，待其完全吸收；
将空芯光纤的两端均与一单模光纤熔接，且使两者的纤芯对准。
5.根据权利要求4所述的基于空芯光纤的高灵敏度温度传感器的制作方法，其特征在于，用酒精擦拭空芯光纤表面以除去涂覆层残留物。
6.根据权利要求4所述的基于空芯光纤的高灵敏度温度传感器的制作方法，其特征在于，利用光纤熔接机完成熔接。
7.根据权利要求6所述的基于空芯光纤的高灵敏度温度传感器的制作方法，其特征在于，熔接参数设置为放电强度20单位，放电时间700ms。
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