CN113465771A - 一种基于游标效应的光纤温度传感装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于游标效应的光纤温度传感装置，包括宽带光源、单模光纤、光纤马赫曾德干涉仪、光纤环形器、光谱分析仪、F‑P腔测温探头，其中，宽带光源与光纤马赫曾德干涉仪的任一输入端口通过单模光纤进行连接，光纤马赫曾德干涉仪的任一输出端口通过单模光纤与光纤环形器的第一端口进行连接，F‑P腔测温探头通过单模光纤与光纤环形器的第二端口进行连接，光谱分析仪通过单模光纤与光纤环形器的第三端口进行连接。本实施例的光纤温度传感装置，不仅体积小、容易制备、价格低廉，而且性能稳定、灵敏度高。
Description
技术领域
本发明涉及的是光纤传感技术领域，是一种基于游标效应的光纤温度传感装置。
背景技术
温度测量涉及的领域非常广泛，在航空航天、采矿业、机械工业、食品工业等领域有着广泛的应用前景。光纤温度传感器因其灵敏度高、抗电磁干扰、寿命长等优点而得到广泛的研究，相比于传统电学传感器因其结构中使用了电学材料，光纤温度传感器有着寿命更长以及适用范围更广的优势。
近些年，随着人们对光纤传感领域的不断深入研究，光纤温度传感器的实现方式越来越丰富，在各种光纤温度传感干涉仪器中，光纤法布里-珀罗（Fabry-Perot，简称F-P）干涉仪传感器（简称FPI）有着体积小、高稳定性、高灵敏度、多参量同时测量等优点。目前，FPI的制备方法有化学蚀刻、膜片涂覆、飞秒激光微加工、特殊光纤的拼接、以及形成气隙或气泡的特殊拼接技术等，其中氢氟酸化学蚀刻技术对人体有害且难以控制，涂层膜片和激光微加工技术增加了加工的复杂性且成本更高。为了解决受硅质材料相对较低的热光系数和热膨胀系数的限制从而基于FPI的光纤温度传感器灵敏度低的问题，人们近些年提出了一种将FPI与温敏材料相结合的方法来提高温度敏感性，然而这种方法有着涂层过程难以控制材料的均匀性，涂层材料使用寿命有限，易受污染、涂层材料收缩测量范围受温度影响的缺点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于游标效应的光纤温度传感装置，制作结构紧凑、工艺简单、成本低廉、有效且稳定。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于游标效应的光纤温度传感装置，其特征在于：包括宽带光源1、单模光纤2、光纤马赫曾德干涉仪3、光纤环形器4、光谱分析仪5、F-P腔测温探头6，其中，
宽带光源1与光纤马赫曾德干涉仪3的任一输入端口通过单模光纤2进行连接，光纤马赫曾德干涉仪3的任一输出端口通过单模光纤2与光纤环形器4的第一端口进行连接，F-P腔测温探头6通过单模光纤2与光纤环形器4的第二端口进行连接，光谱分析仪5通过单模光纤2与光纤环形器4的第三端口进行连接。
可选地，所述单模光纤2为G.652单模光纤，纤芯直径为8.2μm，包层直径为125μm。
可选地，所述光纤马赫曾德干涉仪3是通过光纤熔融拉锥机对单模光纤或保偏光纤进行拉制的。
可选地，所述光纤马赫曾德干涉仪3的两臂长度相差4-8mm。
可选地，所述F-P腔测温探头6是通过光纤熔接机将单模光纤和悬浮芯结构光纤焊接进行制备的。
可选地，所述悬浮芯结构光纤有三个气孔和一个硅芯，硅芯直径约6.8μm，光纤直径125μm，气孔间距测量值为2.5±0.1μm。
可选地，所述F-P腔测温探头（6）中的悬浮芯结构光纤长度为200-400μm。
因此我们提出了一种新的光纤温度传感装置，无需通过使用水银等对人体有毒有害的液体填充制备F-P腔，仅通过光纤熔接技术制备的基于游标效应的高灵敏度光纤FPI温度传感装置不仅体积小、容易制备、价格低廉，而且性能稳定、灵敏度高，在生化分析、食品工业、医疗诊断和工业过程监测具有重要意义和广阔的应用前景。
综上，本发明实施例提供了一种基于游标效应的光纤温度传感装置，成本低廉，结构紧凑，易制作以及抗电磁干扰，本实施例的光纤温度传感装置对生化分析、食品工业、医疗诊断和工业过程监测等许多领域具有重要意义和广阔的应用前景。
附图说明
图1为实施例的一种基于游标效应的光纤温度传感装置的结构示意图；
图2为实施例中的F-P腔测温探头的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。
实施例1
如图1所示，一种基于游标效应的光纤温度传感装置，包括宽带光源（Broadbandlight Source，简称BBS）1，单模光纤2，光纤马赫曾德干涉仪（MZI）3，光纤环形器4，光谱分析仪（Optical Spectrum Analyzer，简称OSA）5以及F-P腔测温探头6。
将BBS 1、MZI3、光纤环形器4、光谱分析仪5以及F-P腔测温探头6的尾纤剥除光纤的涂覆层20-30mm，使用无纺布蘸取酒精和乙醚混合液，反复擦拭光纤外包层，直至清洁。
用光纤切割刀将清洁后的BBS 1、MZI3、光纤环形器4、光谱分析仪5以及F-P腔测温探头6的尾纤端面切割平整。
使用光纤熔接机将BBS 1与MZI 3的任一输入端口进行熔接，MZI 3的任一输出端口与光纤环形器4的①端口进行熔接，F-P腔测温探头6与光纤环形器4的②端口进行熔接，光谱分析仪5与光纤环形器4的③端口进行熔接。
本实施例中的单模光纤2可以为G.652单模光纤，纤芯直径为8.2μm，包层直径为125μm。
本实施例中的MZI3的制备方法包括以下步骤：
步骤11、取两段长约0.5m的单模光纤，使用光纤剥线钳，分别将两根光纤的两端和中间部分区域去除涂覆层约1.5cm，使用无纺布蘸取酒精和乙醚混合液，将裸纤区域擦拭干净。
其中，步骤11中的单模光纤也可以替换为保偏光纤。
步骤12、将处理好的光纤放置在光纤熔融拉锥机的拉伸台上，中间的裸纤区域处于拉伸台中央，正对火具的位置，通过冷修正使两根光纤的裸纤部分平行贴在一起，将一根光纤的一个端口与光纤熔融拉锥机的波长为1550nm的激光器连接，另一端口与光电探测器连接；另一根光纤的一端也与光电探测器连接，设置光纤拉锥机的预加热时间为3s，左右拉伸台拉伸速度均为150μm/s，步距为5μm，氢流量设置为180sccm，火具零点为9.0mm，左右位置为29.2mm，前后位置为51.7mm，上下位置为19.7mm，预定分光比50:50，停止拉锥周期数为3。打开氢气发生器及拉锥机的氢气开关，使用脉冲点火器点燃火焰。点击拉锥机控制界面的“运行”按钮，开始拉锥。随着拉锥长度的增加，探测器实时监测两个输出端口的光功率，至两臂功率第三次相等时，满足系统设定的拉锥周期数，拉锥机自动停止。使用U形石英槽对拉制好的光纤耦合器进行封装，调整U形石英槽的位置，使耦合区落于U形石英槽内部正中央，且处于悬空状态，用紫外固化胶将拉制的耦合器固定于U形槽的两端，将其整体从光纤熔融拉锥机上面取下，完成第一个光纤耦合器的制备。
步骤13、重复步骤11和步骤12制备第二个光纤耦合器，用光纤切割刀将清洁后的两个光纤耦合器的8个端口a、b、c、d、e、f、g、h、i分别切去0.5cm、0.5cm、0.5cm、0.5cm、0.54cm、0.5cm、0.5cm、0.50cm，用光纤熔接机将第一光纤耦合器的c和d端分别第二光纤耦合器e和f端进行熔接，完成MZI3的制备。
其中，MZI3的两臂长度相差4-8mm，使MZI与F-P的FSR（Free Spectral Range，自由光谱范围）近似而不相等，从而产生游标效应。
本实施例的F-P腔测温探头6的制备方法如下：
步骤21、取一段单模光纤2，长度约1米，取一段悬浮芯结构光纤7，如图2所示，长度约为0.2m，在单模光纤2和悬浮芯结构光纤7的一端各剥除光纤的涂覆层20-30mm，使用无纺布蘸取酒精和乙醚混合液，反复擦拭光纤外包层，直至清洁后备用。
其中，悬浮芯结构光纤7可以有三个气孔和一个硅芯，硅芯直径约6.8μm，悬浮芯结构光纤7的直径为125μm，气孔间距测量值为2.5±0.1μm。
其中，悬浮芯结构光纤7也可以有六个气孔和一个硅芯，硅芯直径约6.8μm，悬浮芯结构光纤7的直径为125μm，气孔间距测量值为1.2±0.1μm。
步骤22、用光纤切割刀将清洁后的单模光纤2和悬浮芯结构光纤7的端面切割平整；
步骤23、使用光纤熔接机将单模光纤2和悬浮芯结构光纤7进行熔接；
步骤24、将熔接好的光纤取下放置在光纤切割刀上，将焊接的光纤整体放置在光学显微镜下，随后调整光纤位置，距两光纤焊点处约230um将悬浮芯结构光纤7切割，完成F-P腔测温探头6的制备。
其中，本实施例的F-P腔测温探头6中的悬浮芯结构光纤7长度为200-400μm。
本实施例中，通过光纤之间的熔接技术制备的FPI更加安全、可靠、成本低廉。
本实施例的光纤温度传感装置的工作方式为：宽带光源1产生信号光，由单模光纤2输入到MZI3，经MZI3透射光经过单模光纤2输入到光纤环形器4，光纤环形器4经过单模光纤2将光输入到F-P腔测温探头6，经F-P腔测温探头6反射经过单模光纤2，通过光纤环形器4经过单模光纤2输出到光谱分析仪5。
本实施例的光纤温度传感装置工作原理：
F-P腔测温探头6中单模光纤2与悬浮芯结构光纤7构成F-P光纤微腔，单模光纤2与悬浮芯结构光纤7的焊点处形成反射面A，悬浮芯结构光纤7与空气接触面形成反射面B，光信号通过F-P腔测温探头时，在单模光纤2与悬浮芯结构光纤7的焊点处形成反射面A发生菲涅尔反射，并与在悬浮芯结构光纤7与空气接触面形成反射面B发生菲涅尔反射的光束进行了干涉，形成了干涉谱线，当F-P腔测温探头6所处环境温度发生变化时，由于悬浮芯结构光纤7的热光效应和热膨胀效应，干涉谱线会产生相移。由于经过MZI3的透射光与经过F-P腔测温探头6的反射光自由光谱相近，而不相同，从而产生了光谱的游标效应，其中MZI3作为该基于游标效应的光纤温度传感装置的参考臂，F-P腔测温探头6作为该基于游标效应的光纤温度传感装置的传感臂。
游标效应产生方案：参考臂MZI3产生的透射光谱的自由光谱范围与传感臂的自由光谱范围接近但不相等，参考臂光谱与传感臂的干涉谱叠加从而会产生周期性包络，当传感臂干涉谱随腔内光程差变化，产生移动时，干涉谱包络随之向移动，移动量比单个传感腔频移量大数倍，即产生游标效应，对灵敏度有放大作用。
本实施例的基于游标效应的光纤温度传感装置，仅使用简单且常见材料及器材如宽带光源、光谱分析仪、光纤环形器、单模光纤、悬浮芯结构光纤、光纤熔接机和光纤拉锥机就可以实现制作，不需要飞秒激光器等昂贵的设备也不需要如氢氟酸、水银等对人有害且不好控制的材料，仅需光纤熔接拉锥技术实现温度传感，与现有光纤温度传感装置相比，制作结构紧凑、工艺简单、成本低廉、有效且稳定，MZI与光纤F-P腔温度传感器之间产生的游标效应在该光纤温度传感装置的应用，实现了温度的高灵敏度测量。
以上仅为本发明的优选实施例，当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于游标效应的光纤温度传感装置，其特征在于：包括宽带光源（1）、单模光纤（2）、光纤马赫曾德干涉仪（3）、光纤环形器（4）、光谱分析仪（5）、F-P腔测温探头（6），其中，
宽带光源（1）与光纤马赫曾德干涉仪（3）的任一输入端口通过单模光纤（2）进行连接，光纤马赫曾德干涉仪（3）的任一输出端口通过单模光纤（2）与光纤环形器（4）的第一端口进行连接，F-P腔测温探头（6）通过单模光纤（2）与光纤环形器（4）的第二端口进行连接，光谱分析仪（5）通过单模光纤（2）与光纤环形器（4）的第三端口进行连接。
2.根据权利要求1所述的光纤温度传感装置，其特征在于，
所述单模光纤（2）为G.652单模光纤，纤芯直径为8.2μm，包层直径为125μm。
3.根据权利要求1所述的的光纤温度传感装置，其特征在于，
所述光纤马赫曾德干涉仪（3）是通过光纤熔融拉锥机对单模光纤或保偏光纤进行拉制的。
4.根据权利要求1-3任一项所述的光纤温度传感装置，其特征在于，
所述光纤马赫曾德干涉仪（3）的两臂长度相差4-8mm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的光纤温度传感装置，其特征在于，
所述F-P腔测温探头（6）是通过光纤熔接机将单模光纤和悬浮微芯结构光纤焊接进行制备的。
6.根据权利要求5所述的光纤温度传感装置，其特征在于，
所述悬浮芯结构光纤有三个气孔和一个硅芯，硅芯直径约6.8μm，所述悬浮芯结构光纤的直径为125μm，气孔间距测量值为2.5±0.1μm。
7.根据权利要求5所述的光纤温度传感装置，其特征在于，
悬浮微芯结构光纤有六个气孔和一个硅芯，硅芯直径约6.8μm，悬浮微芯结构光纤7的直径为125μm，气孔间距测量值为1.2±0.1μm。
8.根据权利要求5-7任一项所述的光纤温度传感装置，其特征在于，
所述悬浮微芯结构光纤长度为200-400μm。
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2021
- 2021-06-02 CN CN202110615527.5A patent/CN113465771A/zh active Pending
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