CN114414084A - 一种基于spr效应的空芯负曲率光纤温度传感器 - Google Patents

一种基于spr效应的空芯负曲率光纤温度传感器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于SPR效应的空芯负曲率光纤温度传感器，所述光纤温度传感器包括外层结构、和位于该外层结构内表面所包围的内部空间中的：包层区、和除包层区之外的纤芯区；其中：所述外层结构内表面的径向截面为圆形；所述包层区布设有六个石英玻璃管，该六个石英玻璃管紧贴所述外层结构内表面间隔设置且相邻两个石英玻璃管的夹角为59.5～60.5度；所述六个石英玻璃管包括两个第一石英玻璃管和四个第二石英玻璃管，所述第一石英玻璃管内填充金，两个第一石英玻璃管的中心与光纤中心基本处于同一直线上；所述第二石英玻璃管内填充温敏液体；所述纤芯区为所述六个石英玻璃管围成的区域。

Description

一种基于SPR效应的空芯负曲率光纤温度传感器
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，特别涉及到一种基于SPR效应的空芯负曲率光纤温度传感器。
背景技术
光纤传感器依靠其灵敏度高、重量轻、体积小、免受电磁干扰、耐受化学腐蚀等特性，在工业、国防、民用等领域都有着广泛应用。近年来，折射率、应变、温度等物理量有关的传感器被大量报道。温度传感器在环境监测等方面有着不可忽视的作用，是必不可少的一个器件。
相对于传统光纤，微结构光纤有着特殊的内部结构，可向其内部填充温敏材料来监测温度的变化，微结构光纤的温度传感器应用备受人们的关注。
发明内容
根据本申请的具体实施方式，本申请提供一种具有较高灵敏度的基于SPR效应的空芯负曲率光纤温度传感器，具体方案如下：
本发明提供一种基于SPR效应的空芯负曲率光纤温度传感器，所述光纤温度传感器包括外层结构、和位于该外层结构内表面所包围的内部空间中的：包层区、和除包层区之外的纤芯区；其中：所述外层结构内表面的径向截面为圆形；所述包层区布设有六个石英玻璃管，该六个石英玻璃管紧贴所述外层结构内表面间隔设置且相邻两个石英玻璃管的夹角为59.5～60.5度；所述六个石英玻璃管包括两个第一石英玻璃管和四个第二石英玻璃管，所述第一石英玻璃管内填充金，两个第一石英玻璃管的中心与光纤中心基本处于同一直线上；所述第二石英玻璃管内填充温敏液体；所述纤芯区为所述六个石英玻璃管围成的区域。
在一些可选的实施例中，所述六个石英玻璃管沿光纤轴向延伸且径向截面为圆形，所述第二石英玻璃管的半径小于所述第一石英玻璃管的半径；
在一些可选的实施例中，所述第一石英玻璃管的半径范围为17μm～19μm。
在一些可选的实施例中，所述第一石英玻璃管的管壁厚度范围为0.9μm～1.1μm。
在一些可选的实施例中，所述第二石英玻璃管的半径范围为15μm～17μm。
在一些可选的实施例中，所述第二石英玻璃管的管壁厚度范围为0.4～0.6μm。
在一些可选的实施例中，所述外层结构径向截面的直径范围为44μm～46μm。
在一些可选的实施例中，所述温敏液体为乙醇溶液。
在一些可选的实施例中，所述传感器在20℃～40℃温度范围内平均灵敏度达到3.1nm/℃。
在一些可选的实施例中，所述纤芯区及包层区的其余部分均填充所述乙醇溶液。
本发明实施例的上述方案与现有技术相比，至少具有以下有益效果：
(1)本发明提供的光纤温度传感器，通过设置六个石英玻璃管，相邻所述石英玻璃管之间夹角为59.5～60.5度；且与光纤中心处于同一直线上的两个第一石英玻璃管内填充金，其余四个第二石英玻璃管内填充温敏液体，能够提高传感器灵敏度；
(2)填充温敏液体为乙醇溶液，能够使所述光纤温度传感器测量温度范围为20℃～40℃，且灵敏度达到3.1nm/℃。
(3)本发明提供的光纤温度传感器，能够减小测量误差。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1示出了本发明实施例提供的一种空芯负曲率光纤温度传感器的截面示意图；
图2示出了本发明实施例提供的基于SPR效应的空芯负曲率光纤温度传感器的温度为20℃～40℃范围内x偏振芯模的损耗谱；
图3示出了本发明实施例提供的基于SPR效应的空芯负曲率光纤温度传感器的损耗峰最高点对应波长随温度的变化。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述，但不应限于这些术语。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者装置中还存在另外的相同要素。
现有的基于微结构光纤的温度传感器有很多相关工作的报道：2012年，Peng等人提出了一种选择镀金光子晶体光纤温度传感器，在光子晶体光纤中的部分空气孔进行镀金，并在内部填充温敏材料，可实现平均灵敏度为720pm/℃的温度传感。
2018年，Liu等人提出了一种液体纤芯的光子晶体光纤温度传感器，基于SPR效应，在35～45℃范围内平均灵敏度可达9.89nm/℃。但光子晶体光纤的排布相对复杂，空气孔较多，且空气孔的尺寸通常较小。
2019年，Wei等人提出了一种液体填充的空芯负曲率光纤温度传感器，其结构相对简单，利用温度的变化引起填充温敏液体折射率的变化，从而导致谐振波长的变化，平均灵敏度为1.1nm/℃。
相关技术中，各种光纤温度传感器的工艺制备相对困难，或者灵敏度较低。为此，本申请实施例提供一种基于SPR效应的空芯负曲率光纤温度传感器，能够简化传感器结构，同时提高传感器温度测量的灵敏度。下面结合一个可选实施例，对本发明涉及到的内容进行详细说明。
具体的，图1示出了本发明实施例提供的一种空芯负曲率光纤温度传感器的截面示意图，如图1所示，所述光纤温度传感器包括外层结构10、和位于该外层结构内表面所包围的内部空间中的：包层区20、和除包层区之外的纤芯区30；其中：所述外层结构10内表面的径向截面为圆形；所述包层区20布设有六个石英玻璃管，该六个石英玻璃管紧贴所述外层结构内表面间隔设置且相邻两个石英玻璃管的夹角为59.5～60.5度；所述六个石英玻璃管包括两个第一石英玻璃管21和四个第二石英玻璃管22，所述第一石英玻璃管内填充金，两个第一石英玻璃管的中心与光纤中心基本处于同一直线上；所述第二石英玻璃管内填充乙醇液体；所述纤芯区30为所述六个石英玻璃管围成的区域。
在一些实施例中，所述外层结构径向截面的直径2R范围为44μm～46μm，可以理解为，所述光纤的直径2R范围为44μm～46μm。
所述石英玻璃管沿光纤轴向延伸且径向截面为圆形，设置为圆形方便制作传感器，工艺简单。在一些实施例中，所述六个石英玻璃管沿所述外层结构内壁周向均匀设置，相邻两个石英玻璃管之间的夹角为60度。所述六个石英玻璃管呈正六边形排列。
本发明中，以所述纤芯中心为原点建立x-y直角坐标系，所述第一石英玻璃管的位置可以是x方向或y方向。在一些实施例中，所述两个第一石英玻璃管设置在光纤的y方向上，分别位于y方向上所述外层结构内壁的最高点和最低点。所述第一石英玻璃管的半径大于所述第二石英玻璃管的半径，通过在半径大于第二石英玻璃管的第一石英玻璃管中填充金，能够发生较大的双折射，实现单偏振。
所述第二石英玻璃管内可以填充任意一种温敏液体，同时在所述外层结构的内部空间中，除所述石英玻璃管之外的区域填充所述温敏液体，实现温度传感。所述温敏液体为折射率随着温度变化而变化的材料，具体可满足：
nL＝1.454-3.9×10-4×(T-25) (1)
其中，nL为所述温敏材料的当前折射率，T为所述温敏材料的当前温度。
考虑到乙醇液体的熔点及沸点等参数，通过在所述第二石英玻璃管内填充乙醇，能够拓宽传感器的温度测量范围，使其温度测量范围达到20℃～40℃；相较于其它温敏液体，能够进一步提高光纤温度传感器的灵敏度。
在一些实施例中，所述第一石英玻璃管的半径r1范围为17μm～19μm，所述第一石英玻璃管的管壁厚度t1范围为0.9μm～1.1μm；所述第二石英玻璃管的半径r2范围为15μm～17μm，所述第二石英玻璃管的管壁厚度t2范围为0.4～0.6μm。
基于在半径较大的第一石英玻璃管中填充金、在半径较小的第二石英玻璃管中填充乙醇液体、设置第一石英玻璃管的直径和厚度以及第二石英玻璃管的直径和厚度，综合产生了如下技术效果：有效实现对20～40℃范围内的温度进行传感，其平均灵敏度可达3.1nm/℃，线性拟合度R2为0.999，具有良好的线性度，从而能够降低温度测量误差。可以理解，上述空芯负曲率光纤温度传感器的结构特点使其具有较高灵敏度且测量误差小的技术效果。
在应用上述光纤温度传感器时，所述光纤的导光原理为反谐振机理，处于谐振波长处的光将不能被限制在纤芯中。根据谐振条件：
Figure BDA0003440079050000061
其中，λ为谐振波长，t为石英玻璃管的厚度，nsilica为石英玻璃管的折射率；nliquid为乙醇液体的折射率，m为正整数，例如1，2……，；由上述公式可知，谐振波长的位置与石英玻璃管的厚度和填充液体的折射率有关。
根据Sellmeier方程，二氧化硅的折射率为：
Figure BDA0003440079050000062
其中，λ为入射光纤光的波长，T为温度。
乙醇的折射率随温度的变化为：
nliquid＝1.36048-σ(T-T0) (4)
其中，σ为光热系数，T为温度，T0为常量；当T0为20度时，σ为3.94×10-4。
由于处于y方向(垂直方向)上的两个所述第一石英玻璃管内部填充了金，当光入射至所述传感器时，所述第一石英玻璃管会产生表面等离子模式。根据模式耦合理论，两个所述第一石英玻璃管的表面等离子模式之间会产生模式耦合，形成表面等离子超模，而纤芯区的芯模又会和表面等离子超模发生SPR效应。且，由于温度的改变会引起乙醇折射率的改变，从而导致谐振波长产生漂移，因此通过监测谐振波长漂移的相对位置，来监测环境温度的变化，可以实现对温度的传感。
进一步请参阅图2，图2示出了所述空芯负曲率光纤温度传感器的仿真数据，具体仿真过程包括：设置环境温度为一目标温度，该目标温度为20℃-40℃内任意一个温度，可选的，所述目标温度可以为20℃、25℃、30℃、35℃、40℃中任意一个温度。本实施例中，依次设置所述目标温度为20℃、25℃、30℃、35℃、40℃，从而得到该目标温度下光纤温度传感器在不同波长时芯模的有效折射率，之后根据公式(5)计算限制损耗，公式(5)如下：
Figure BDA0003440079050000071
其中，k0为自由空间波数，neff为芯模的有效折射率。
根据计算得到的不同光波波长下的损耗值，得到当前温度下波长与损耗值的关系曲线，图2分别示出了目标温度依次为20℃、25℃、30℃、35℃、40℃时对应的损耗谱。
由上述图2可以看出：每个温度下都产生一个损耗峰值即损耗谱的最高点；随着温度的增加，x偏振损耗谱发生了红移且损耗峰值随之增加。
进一步根据图2所示的不同温度下的损耗峰值，得到损耗峰值对应的波长随温度的变化图，图3示出了空芯负曲率光纤温度传感器的损耗峰最高点对应波长随温度的变化，具体将5个温度下损耗峰值对应的谐振波长尽量拟合于同一条直线上，从而得到谐振波长的位置与对应温度的拟合方程为y＝3.1x+1733.2，其中，x为温度，y为对应的谐振波长。
根据上述拟合方程y＝3.1x+1733.2可知，该光纤温度传感器的平均灵敏度可达3.1nm/℃，5个谐振波长位置的拟合参数R2为0.999，代表有拟合成的直线有着很好的线性度，如此说明本发明实施例提供的光纤温度传感器能够减小测量误差。
本发明的基于SPR效应的空芯负曲率光纤温度传感器通过与光纤中心处于同一直线上的两个第一石英玻璃管内填充金，其余四个第二石英玻璃管内填充乙醇，可以实现在20℃～40℃范围内的温度传感，其平均灵敏度可达3.1nm/℃，线性度R2为0.999，达到很好的线性度，减小测量误差。该空芯负曲率光纤温度传感器结构简单，灵敏度高，在日常的温度监测中具有很大的应用前景。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于SPR效应的空芯负曲率光纤温度传感器，其特征在于，所述光纤温度传感器包括外层结构、和位于该外层结构内表面所包围的内部空间中的：包层区、和除包层区之外的纤芯区；其中：
所述外层结构内表面的径向截面为圆形；
所述包层区布设有六个石英玻璃管，该六个石英玻璃管紧贴所述外层结构内表面间隔设置且相邻两个石英玻璃管的夹角为59.5～60.5度；所述六个石英玻璃管包括两个第一石英玻璃管和四个第二石英玻璃管，所述第一石英玻璃管内填充金，两个第一石英玻璃管的中心与光纤中心基本处于同一直线上；所述第二石英玻璃管内填充温敏液体；
所述纤芯区为所述六个石英玻璃管围成的区域。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述六个石英玻璃管沿光纤轴向延伸且径向截面为圆形，所述第二石英玻璃管的半径小于所述第一石英玻璃管的半径；
3.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述第一石英玻璃管的半径范围为17μm～19μm。
4.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于，所述第一石英玻璃管的管壁厚度范围为0.9μm～1.1μm。
5.根据权利要求2所述纤传感器，其特征在于，所述第二石英玻璃管的半径范围为15μm～17μm。
6.根据权利要求5所述的传感器，其特征在于，所述第二石英玻璃管的管壁厚度范围为0.4～0.6μm。
7.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述外层结构径向截面的直径范围为44μm～46μm。
8.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述温敏液体为乙醇溶液。
9.根据权利要求8所述的传感器，其特征在于，所述传感器在20℃～40℃温度范围内平均灵敏度达到3.1nm/℃。
10.根据权利要求8所述的传感器，其特征在于，所述纤芯区及包层区的其余部分均填充所述乙醇溶液。
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