CN115435923A - 光纤传感头及温度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光纤传感器技术领域，本发明提供一种光纤传感头及温度传感器，包括：依次连接的单模光纤、渐变折射率光纤、三芯光纤以及空芯光纤，其中，所述渐变折射率光纤的入射端与所述单模光纤的出射端对心连接，所述渐变折射率光纤的出射端与所述三芯光纤的入射端对心连接，所述三芯光纤的出射端与所述空芯光纤的入射端之间错位连接。本发明还提供一种基于上述传感头的温度传感器。本发明通过在空芯光纤内填充一定长度的热敏材料，产生光程不同的三束反射光，进而构成并联结构的两个迈克耳孙干涉计，提高传感器的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感器技术领域，尤其涉及一种光纤传感头及温度传感器。
背景技术
在工业生产及科学研究中，温度常常是表征对象和过程状态的重要参数。因此，对温度进行准确测量和有效控制已成为人们在科学研究和生产实践中所面临的重要课题之一。
光纤传感器具有抗腐蚀、抗电磁干扰、结构紧凑、稳定性好、灵敏度高等优点，已经广泛应用于各个传感领域，比如能源环保、工矿企业、航空航天、医药卫生等领域。在众多光纤传感器当中，光纤迈克耳孙（Michelson）干涉计由于其制作简单、稳定性好、结构紧凑和灵敏度高等独特优点，受到了广泛关注，特别是光纤温度传感器。然而现有的光纤干涉计的灵敏度还有待提高。
发明内容
本发明一些实施例提供一种光纤传感头，包括：
单模光纤；
三芯光纤，包括位于轴心的第二纤芯以及相对于所述第二纤芯对称分布的第一纤芯和第三纤芯；
渐变折射率光纤，所述渐变折射率光纤的入射端与所述单模光纤的出射端对心连接，所述渐变折射率光纤的出射端与所述三芯光纤的入射端对心连接；用于将所述单模光纤的入射光转化为平行光入射到所述三芯光纤，以及将所述三芯光纤返回的平行光汇聚到所述单模光纤；
空芯光纤，包括包层区以及由所述包层区围成的纤芯区，所述纤芯区靠近所述三芯光纤的区域填充热敏结构；所述空芯光纤的入射端与所述三芯光纤的出射端错位连接，使所述第一纤芯的出射端暴露，所述第二纤芯的出射端连接所述包层区，所述第三纤芯的出射端连接热敏结构。
在一些实施例中，所述第一纤芯中的光束与所述第三纤芯中的光束构成第一迈克耳孙干涉计，以及所述第二纤芯中的光束与所述第三纤芯中的光束构成第二迈克耳孙干涉计；
第一迈克耳孙干涉计和第二迈克耳孙干涉计的干涉谱分别满足如下关系：
其中，
为第一迈克耳孙干涉计的干涉谱，
为第二迈克耳孙干涉计的干涉谱，λ为入射光波长， I1、I2、I3分别为入射到第一纤芯、第二纤芯以及第三纤芯光束的光强，L 1为热敏结构的长度，L 2为不包含热敏结构的空芯光纤的长度，n 1和n 2分别为热敏结构和所述包层区的折射率。
在一些实施例中，所述传感头的温度灵敏度满足如下关系：
其中，Sen为温度灵敏度，M为常规游标效应的放大因子，S1为第一迈克耳孙干涉计的温度灵敏度，S2为第二迈克耳孙干涉计的温度灵敏度，λ m 为入射光波长，L1为所述热敏结构的长度，L2为不含所述热敏结构的空芯光纤的长度，α1和β1分别为所述热敏结构的热膨胀系数和热光系数，α2和β2分别为所述包层区的热膨胀系数和热光系数，n1和n2分别为所述热敏结构和所述包层区的折射率。
在一些实施例中，所述热敏结构的材料为聚二甲基硅氧烷，所述包层区的材料为石英。
所述热敏结构内的光程为Δ1，所述包层区内的光程为Δ2，Δ1与Δ2之间满足：0.45≤Δ1:Δ2≤0.49或0.51≤Δ1:Δ2≤0.55。
在一些实施例中，所述热敏结构沿所述空芯光纤轴向的长度为所述空芯光纤长度的一半。
在一些实施例中，所述单模光纤、所述渐变折射率光纤、所述三芯光纤的外径相同。
在一些实施例中，所述空芯光纤的长度范围为100微米~200微米；所述三芯光纤的长度范围为100微米~500微米。
本发明还提供一种温度传感器，包括：光源、光纤环形器、光谱仪以及如上任一所述的传感头；所述光纤环形器的第一端口与所述光源连接，所述光纤环形器的第二端口与所述传感头连接，所述光纤环形器的第三端口与所述光谱仪光路连接。
相对于相关技术，本发明至少具有以下技术效果：
本发明提供的传感头及温度传感器通过在空芯光纤内填充一定长度的热敏材料，产生了光程不同的三束反射光，进而构成并联结构的两个迈克耳孙干涉计，并且通过控制热敏材料的长度可以使两个迈克耳孙干涉计产生游标效应，从而提高传感器的灵敏度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。
图1为本发明一些实施例提供的传感头的结构示意图；
图2为本发明一些实施例提供的传感头中三芯光纤的截面示意图；
图3为本发明一些实施例提供的温度传感器的结构示意图；
图4为本发明一些实施例涉及的并联的两个迈克耳孙干涉计的干涉谱图；
图5为特定温度下第一迈克耳孙干涉计的干涉谱图；
图6为特定温度下第二迈克耳孙干涉计的干涉谱图；
图7为特定温度下第一迈克耳孙干涉计和第二迈克耳孙干涉计构成的并联结构的干涉谱图。
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。
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。
本发明提供一种传感头，可以用于光纤温度传感器，所述传感头包括：单模光纤；三芯光纤，包括位于轴心的第二纤芯以及相对于所述第二纤芯对称分布的第一纤芯和第三纤芯；渐变折射率光纤，入射端与所述单模光纤的出射端对心连接，出射端与所述三芯光纤的入射端对心连接；用于将所述单模光纤的入射光转化为平行光入射到所述三芯光纤，以及将所述三芯光纤返回的平行光汇聚到所述单模光纤；空芯光纤，包括包层区以及由所述包层区围成的纤芯区，所述纤芯区靠近所述三芯光纤的区域填充热敏结构；空芯光纤的入射端与所述三芯光纤的出射端错位连接，使所述第一纤芯的出射端暴露，所述第二纤芯的出射端连接所述包层区，所述第三纤芯的出射端连接热敏结构。
本发明还提供一种温度传感器，包括：光源、光纤环形器、光谱仪以及传感头；所述光纤环形器第一端口与所述光源光路连接，所述光纤环形器第二端口与所述传感头光路连接，所述光纤环形器第三端口与所述光谱仪光路连接。
采用本发明提供的传感头及温度传感器通过在空芯光纤内填充一定长度的热敏材料，产生了光程不同的三束反射光，进而构成并联结构的两个迈克耳孙干涉计，并且通过控制热敏材料的长度可以使两个迈克耳孙干涉计产生游标效应，从而提高传感器的灵敏度。
下面结合附图详细说明本发明的可选实施例。
请参考图1，本发明实施例提供一种传感头100，可用于光纤温度传感器。所述传感头100包括依次连接的单模光纤110、渐变折射率光纤120、三芯光纤130以及空芯光纤140，其中，所述渐变折射率光纤120的入射端与所述单模光纤110的出射端对心连接，所述渐变折射率光纤120的出射端与所述三芯光纤130的入射端对心连接，所述三芯光纤130的出射端与所述空芯光纤140的入射端之间错位连接。
在一些实施例中，通过熔接的方式实现两个光学器件端面之间的连接，即所述渐变折射率光纤120的入射端与所述单模光纤110的出射端对心熔接，所述渐变折射率光纤120的出射端与所述三芯光纤130的入射端对心熔接，所述三芯光纤130的出射端与所述空芯光纤140的入射端之间错位熔接。采用熔接方法可以减少节点的损耗，提高连接点位的可靠性。
所述对心连接是指两根光纤的中心，如对称轴，在空间上重合。所述错位连接是指两根光纤的中心，如对称轴，在空间上不重合。在一些实施例中，待连接的光纤的外径相同，即所述单模光纤110、渐变折射率光纤120、三芯光纤130的外径相同。采用相同外径的光纤可以降低光纤对心连接的难度，简化加工工艺。作为一种示例，所述单模光纤110、渐变折射率光纤120、三芯光纤130、空芯光纤140的外径均相同，外径的取值范围为100微米~150微米，例如125微米。
所述单模光纤110包括纤芯111以及包覆所述纤芯的包层115，其中纤芯111和包层115均可以由折射率不同的二氧化硅制成。光在纤芯111与包层115的界面上发生全反射而被限制在纤芯111内传播，包层115为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。所述单模光纤110内的纤芯的数量为1，纤芯111直径为8微米~10微米，单模光纤110的长度可以为100微米~500微米。
所述单模光纤110包括两个相对的端面，分别为入射端以及与所述入射端相对的出射端，所述单模光纤110的入射端与光纤温度传感器的光纤环形器光路耦合，所述单模光纤110的出射端与渐变折射率光纤120的入射端对心连接。
所述渐变折射率光纤120用于将所述单模光纤110的入射光转化为平行光入射到所述三芯光纤130，以及将所述三芯光纤130返回的平行光汇聚到所述单模光纤110中。所述渐变折射率光纤120的折射率在纤芯分布不同，从而可以使光在传输过程中发生汇聚或分散。所述渐变折射率光纤120的折射率变化率以及长度需要根据实际需求选择，即所述渐变折射率光纤120需要满足单模光纤110入射的信号光经渐变折射率光纤120后恰好平行出射。
所述渐变折射率光纤120包括两个相对的端面，分别为入射端以及与所述入射端相对的出射端，所述渐变折射率光纤120的入射端与所述单模光纤110的出射端对心连接，渐变折射率光纤120的出射端与所述三芯光纤130的入射端对心连接。
请参考图2，所述三芯光纤130包括纤芯以及包覆所述纤芯的包层135，其中纤芯和包层135均可以由折射率不同的二氧化硅制成。光在纤芯与包层135的界面上发生全反射而被限制在纤芯内传播，包层135为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。所述三芯光纤130内纤芯的数量为3，即所述三芯光纤130包括三根纤芯，分别为第一纤芯131、第二纤芯132以及第三纤芯133。其中，第二纤芯132位于三芯光纤130轴心，第一纤芯131和第三纤芯133相对于所述第二纤芯132对称分布。作为一个示例，所述第一纤芯131、第二纤芯132以及第三纤芯133直径的范围为8微米~10微米，所述第一纤芯131、第二纤芯132以及第三纤芯133的直径可以相同，所述三芯光纤130的长度可以为100微米~500微米。
所述三芯光纤130包括两个相对的端面，分别为入射端以及与所述入射端相对的出射端，所述三芯光纤130的入射端与所述渐变折射率光纤120的出射端对心连接，所述三芯光纤130的出射端与所述空芯光纤140的入射端错位连接。
所述空芯光纤140包括纤芯区141以及包层区145，其中包层区145为中空柱状结构，所述纤芯区141为包层区145内的中空区域。所述包层区145可以由石英制成。所述包层区145的外径和内径可以根据三芯光纤130中第一纤芯131、第二纤芯132以及第三纤芯133的实际参数而选取，在一些实施例中，所述包层区145的内径取值范围为50微米~70微米，外径取值范围为100微米~150微米。
所述纤芯区141填充有热敏材料，所述热敏材料填充在纤芯区141的靠近所述三芯光纤130的一侧，形成热敏结构143。在一个可选的示例中，所述热敏材料为聚二甲基硅氧烷（PDMS），聚二甲基硅氧烷具有很强的热胀冷缩效应，便于控制所形成的热敏结构143的长度，并且聚二甲基硅氧烷凝固后为无色透明的固体，具有很好的透光性和折光性，以及聚二甲基硅氧烷还具有良好的粘接性和化学惰性，非常适合与光纤结合。
所述空芯光纤140中填充有热敏材料的区域的长度为L1，没有填充热敏材料的区域的长度为L2，L1也即所述热敏结构143的长度。在一些实施例中，L1≈1/2(L1+L2)，具体的，光在热敏结构143内的光程为Δ1，在包层区145内的光程为Δ2，Δ1与Δ2之间满足：
0.45≤Δ1:Δ2≤0.49 或 0.51≤Δ1:Δ2≤0.55
所述空芯光纤140的入射端与所述三芯光纤130的出射端错位连接，使所述第一纤芯131的出射端暴露，所述第二纤芯132的出射端连接所述包层区145，所述第三纤芯133的出射端连接热敏结构143。
参考图3，本发明实施例还进一步提供一种基于上述传感头的温度传感器10，该温度传感器10包括：传感头100、光源200、光纤环形器300以及光谱仪400。其中光源200为宽谱光源，光谱范围为1400nm~1600nm。
光纤环形器300包括第一端口301、第二端口302以及第三端口303，其中，第一端口301与光源200光路连接，第二端口302与传感头100光路连接，光源200发出的入射光经第一端口301进入光纤环形器300，在光纤环形器300内部经第二端口302进入传感头100。进入传感头100的光被传感头100反射后经第二端口302返回光纤环形器300，在光纤环形器300内部经第三端口303进入光谱仪400。
参考图1，光由单模光纤110进入传感头100后，经由渐变折射率光纤120形成平行光束并入射到三芯光纤130，其中，第一纤芯131中的光束在界面M1（三芯光纤130出射端与空气之间的界面）处发生反射，反射的信号光依次经第一纤芯131和渐变折射率光纤120后进入单模光纤110，此部分信号光称为光束1；第三纤芯133中的光束在界面M2（热敏结构143与空气之间的界面）处发生反射，反射的信号光依次经热敏结构143、第三纤芯133和渐变折射率光纤120后进入单模光纤110，此部分信号光称为光束3；第二纤芯132中的光束在界面M3（空芯光纤140出射端与空气之间的界面）处发生反射，反射的信号光依次经空芯光纤140、第二纤芯132和渐变折射率光纤120后进入单模光纤110，此部分信号光称为光束2。
光束1与光束3构成第一迈克耳孙（Mechelson）干涉计，光束2与光束3构成第二迈克耳孙干涉计。第一迈克耳孙干涉计和第二迈克耳孙干涉计的干涉谱分别表示为：
其中，λ为入射光波长， I1、I2、I3分别为光束1、光束2和光束3的光强，L1、L2分别为热敏结构143和不包含热敏结构143的空芯光纤的长度，n1和n2分别为热敏结构143和石英光纤包层区145的折射率。第一迈克耳孙干涉计和第二迈克耳孙干涉计构成并联结构，由于两个迈克耳孙干涉计的自由光谱范围接近但不相同，因此，并联后将产生游标效应，即并联结构干涉谱中将出现包络，且包络随温度的平移量远大于单个干涉计。干涉谱包络如图4所示，可近似表示为
其中，
为干涉谱包络，E为干涉谱包络振幅，M为常规游标效应的放大因子。
对于本实施例所提供的温度传感器10，当温度变化时，考虑到空气的热光系数和热膨胀系数远小于石英，第一迈克耳孙干涉计的温度灵敏度S1和第二迈克耳孙干涉计的温度灵敏度S2可表示为
其中，λm为峰值波长，α1和β1分别为热敏结构143的热膨胀系数和热光系数，α2和β2分别为石英的热膨胀系数和热光系数。第一迈克耳孙干涉计和第二迈克耳孙干涉计并联后的温度灵敏度，即干涉谱包络的温度灵敏度Sen为
本发明还进一步对温度传感器10的传感器性进行了仿真：仿真参数为α1=9.6×10-4/℃，β1=-5.0×10-4/℃；α2=5.5×10-7/℃，β2=6.7×10-6/℃；n1=1.45，n2=1.41，λm=1.550um，I1= I2= I3=1，L1=100um，L2=105um。
图5为温度分别为20℃和21℃时第一迈克耳孙干涉计的干涉谱，结果表明当温度由20℃升高到21℃时，第一迈克耳孙干涉计的干涉谱向长波方向移动，即红移，红移量为0.8nm。
图6为温度分别为20℃和21℃时第二迈克耳孙干涉计的干涉谱，结果表明当温度由20℃升高到21℃时，第二迈克耳孙干涉计的干涉谱向短波方向移动，即蓝移，蓝移量为1.6nm。第二迈克耳孙干涉计与第一迈克耳孙干涉计具有相反的温度响应。
图7为温度分别为20℃和21℃时第一迈克耳孙干涉计和第二迈克耳孙干涉计构成的并联结构的干涉谱，结果表明在温度20℃和21℃时，并联结构的干涉谱均呈现明显的包络现象，由20℃升高到21℃时，干涉谱包络蓝移31.6nm，是单个第一迈克耳孙干涉计的39.5倍，是单个第二迈克耳孙干涉计的17.8倍。
相较于现有技术，本发明提供的传感头及温度传感器通过在空芯光纤内填充一定长度的热敏材料，产生了光程不同的三束反射光，进而构成并联结构的两个迈克耳孙干涉计，并且通过控制热敏材料的长度可以使两个迈克耳孙干涉计产生游标效应，从而提高传感器的灵敏度。
最后应说明的是：本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统或装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
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 (9)
1.一种光纤传感头，其特征在于，包括：
单模光纤；
三芯光纤，包括位于轴心的第二纤芯以及相对于所述第二纤芯对称分布的第一纤芯和第三纤芯；
渐变折射率光纤，所述渐变折射率光纤的入射端与所述单模光纤的出射端对心连接，所述渐变折射率光纤的出射端与所述三芯光纤的入射端对心连接；用于将所述单模光纤的入射光转化为平行光入射到所述三芯光纤，以及将所述三芯光纤返回的平行光汇聚到所述单模光纤；
空芯光纤，包括包层区以及由所述包层区围成的纤芯区，所述纤芯区靠近所述三芯光纤的区域填充热敏结构；所述空芯光纤的入射端与所述三芯光纤的出射端错位连接，使所述第一纤芯的出射端暴露，所述第二纤芯的出射端连接所述包层区，所述第三纤芯的出射端连接热敏结构。
2. 根据权利要求1所述的光纤传感头，其特征在于，所述第一纤芯中的光束与所述第三纤芯中的光束构成第一迈克耳孙干涉计，以及所述第二纤芯中的光束与所述第三纤芯中的光束构成第二迈克耳孙干涉计；
第一迈克耳孙干涉计和第二迈克耳孙干涉计的干涉谱分别满足如下关系：
其中，
为第一迈克耳孙干涉计的干涉谱，
为第二迈克耳孙干涉计的干涉谱，λ为入射光波长， I1、I2、I3分别为入射到第一纤芯、第二纤芯以及第三纤芯光束的光强，L 1为热敏结构的长度，L 2为不包含热敏结构的空芯光纤的长度，n 1和n 2分别为热敏结构和所述包层区的折射率。
3.根据权利要求2所述的光纤传感头，其特征在于，所述传感头的温度灵敏度满足如下关系：
其中，Sen为温度灵敏度，M为常规游标效应的放大因子，S1为第一迈克耳孙干涉计的温度灵敏度，S2为第二迈克耳孙干涉计的温度灵敏度，λ m 为入射光波长，L1为所述热敏结构的长度，L2为不含所述热敏结构的空芯光纤的长度，α1和β1分别为所述热敏结构的热膨胀系数和热光系数，α2和β2分别为所述包层区的热膨胀系数和热光系数，n1和n2分别为所述热敏结构和所述包层区的折射率。
4.根据权利要求1所述的光纤传感头，其特征在于，所述热敏结构的材料为聚二甲基硅氧烷，所述包层区的材料为石英。
5.根据权利要求1所述的光纤传感头，其特征在于，所述热敏结构内的光程为Δ1，所述包层区内的光程为Δ2，Δ1与Δ2之间满足：0.45≤Δ1:Δ2≤0.49或0.51≤Δ1:Δ2≤0.55。
6.根据权利要求1所述的光纤传感头，其特征在于，所述热敏结构沿所述空芯光纤轴向的长度为所述空芯光纤长度的一半。
7.根据权利要求1所述的光纤传感头，其特征在于，所述单模光纤、所述渐变折射率光纤、所述三芯光纤的外径相同。
8.根据权利要求1所述的光纤传感头，其特征在于，所述空芯光纤的长度范围为100微米~200微米；所述三芯光纤的长度范围为100微米~500微米。
9.一种温度传感器，其特征在于，包括：光源、光纤环形器、光谱仪以及如权利要求1-8任一权利要求所述的光纤传感头；所述光纤环形器的第一端口与所述光源连接，所述光纤环形器的第二端口与所述传感头连接，所述光纤环形器的第三端口与所述光谱仪光路连接。
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