CN116125597A - 一种基于空芯光纤的高温传感器、制备及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于空芯光纤的高温传感器、制备及使用方法,制备方法包括:分别将一段单模光纤和一段空芯光纤的涂覆层剥去并擦拭干净;将单模光纤和空芯光纤放入光纤熔接机中,利用光纤熔接机放电将单模光纤末端和空芯光纤熔接在一起,形成光纤熔接结构;设置光纤熔接机放电时间和放电大小,对光纤熔接结构进行放电处理,通过多次放电使空芯光纤末端内侧形成尖锥形状,以及使空芯光纤末端外侧坍塌形成弧形形状。制备得到的高温传感器能够在一个微结构内实现游标效应,结构紧凑且制备方法简单,不需要利用新的特种光纤或者引入新的制作工艺。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于空芯光纤的高温传感器、制备及使用方法,属于光纤传感器技术领域。
背景技术
基于光纤传感器的多参数测量由于其灵敏度高、结构紧凑、抗电磁干扰、设计成本低、复用能力强等优点,已在折射率、应变、温度、曲率等方面得到了广泛的应用。同时,温度作为生产生活中不可分割的重要因素,引起人们对其更深入的研究。
在文献调研中,研究者们为了实现高灵敏度的高温传感,采用了不同的光子晶体光纤作为Fabry-Perot干涉仪(FPI)的传感探头,包括利用保偏光子晶体光纤(PMPCF)实现了高达1000 ℃的高温传感,具有良好的稳定性,同时温度灵敏度达到了15.34 pm/℃。基于悬芯光纤(SCF)的尖端封装微型高温传感器,在50-800 ℃的温度范围内,平均温度灵敏度从 9.42 pm/℃ 增加到12.51 pm/℃。利用大型激光器制作了基于平行结构的FPI,可以实现大范围的高温测量。基于单模光纤(SMF)的凸锥结构的Michelson干涉仪,在500-800℃的温度范围内,高温灵敏度达到了118.6 pm/℃。利用花生结构的Michelson传感器进行了高温测量,测量范围达到了900℃,灵敏度为0.096 nm/℃,传感器尺寸约为700μm。
现有技术中,大多数研究者利用新的特种光纤或者引入新的制作工艺,来实现高灵敏度的温度测量,但是过于追求高灵敏度会使结构制作复杂性和成本变高;另外用于游标效应多为两不同结构,结构紧凑性不行。
发明内容
本发明要解决的技术问题是,克服现有技术的缺陷,提供一种基于空芯光纤的高温传感器、制备及使用方法,能够在一个微结构内实现游标效应,结构紧凑,且制备方法简单,不需要利用新的特种光纤或者引入新的制作工艺。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:
一种基于空芯光纤的高温传感器制备方法,包括以下步骤:
分别将一段单模光纤和一段空芯光纤的涂覆层剥去并擦拭干净,使用光纤切割刀将单模光纤末端和空芯光纤末端切平;
将单模光纤和空芯光纤放入光纤熔接机中,利用光纤熔接机放电将单模光纤末端和空芯光纤熔接在一起,形成光纤熔接结构;
设置光纤熔接机放电时间和放电大小,对光纤熔接结构进行放电处理,通过多次放电使空芯光纤末端内侧形成尖锥形状,以及使空芯光纤末端外侧坍塌形成弧形形状。
单模光纤的长度为2~8cm,单模光纤末端切平时保留1.5~5cm;空芯光纤的长度为2~3 cm,空芯光纤末端切平时保留400 μm。
光纤熔接机放电时间设为1000ms,放电大小设为-20bit。
光纤熔接机放电前,将光纤熔接结构通过耦合器分别与宽带光源和光谱分析仪相连接,在放电过程中通过实时观察光谱分析仪上的反射谱线,适当调整放电次数。
一种基于空芯光纤的高温传感器,由所述基于空芯光纤的高温传感器制备方法制备得到。
所述基于空芯光纤的高温传感器长度为350~400μm。
一种基于空芯光纤的高温传感器的使用方法,包括以下步骤:
将基于空芯光纤的高温传感器通过耦合器分别与宽带光源和光谱分析仪相连接;
将基于空芯光纤的高温传感器放入到预设场景中,打开宽带光源和光谱分析仪,宽带光源发光,光谱分析仪接收反射光谱;
测量已知测试温度下对应的反射光谱的波长漂移量,基于测试温度的变化和波长漂移量存在线性关系,得到测试温度关于波长漂移量的表达式;
将基于空芯光纤的高温传感器放入到实际场景中,将检测到的波长漂移量代入到测试温度关于波长漂移量的表达式中,计算得到实测温度。
基于空芯光纤的高温传感器上尖锥形状和弧形形状形成游标效应,放大反射光谱的波长漂移量倍数。
本发明的有益效果:
本发明提供的一种基于空芯光纤的高温传感器、制备及使用方法,在空芯光纤末端利用光纤熔接机放电制作新的反射端面,形成三光束干涉,引入游标效应,只在一个微结构内实现游标效应,结构微小紧凑,在微米量级,具有实际应用价值,提升传感器的高温灵敏度;
高温传感器在传输过程中,纤芯模式与包层模式有效折射率差大,同时游标效应具有放大作用,进一步提升了高温传感器的灵敏度;
高温传感器制备方法简单,只用到了光纤熔接机,无需其它昂贵复杂的设备或工艺。
附图说明
图1为本发明中单模光纤与空芯光纤熔接示意图;
图2为本发明中空芯光纤切割示意图;
图3为本发明中空芯光纤末端放电示意图;
图4为本发明中高温传感器在光学显微镜下的结构示意图;
图5为本发明中高温传感器的光路示意图;
图6为本发明中游标模拟仿真结果图;
图7为本发明中高温传感器的实验示意图;
图中附图标记如下:1-夹具;2-宽带光源;3-耦合器;4-马弗炉;5-光谱分析仪。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述,以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示,本发明公开一种基于空芯光纤的高温传感器的制备方法,具体制备过程包括以下步骤:
步骤一,利用光纤剥线钳将一段长度为2-8cm单模光纤的涂覆层剥去,并用无水乙醇擦拭干净,使用光纤切割刀将单模光纤末端切平,单模光纤末端切平时保留1.5~5cm;
然后用同样的方法将空芯光纤去除涂覆层,并用无水乙醇擦拭干净,使用光纤切割刀将空芯光纤末端切平,空芯光纤的长度为2~3 cm,空芯光纤末端切平时保留400 μm。
步骤二,如图1所示将处理后的单模光纤和空芯光纤放入光纤熔接机中,用夹具1固定,利用熔接机放电将单模光纤和空芯光纤熔接在一起,形成光纤熔接结构。本发明选用型号为Fujikura 80s的光纤熔接机。然后对空芯光纤进行部分切割,如图2所示。
步骤三,如图3所示,为本发明中空芯光纤末端放电示意图,本发明将光纤熔接机放电时间设为1000 ms,放电大小设为-20 bit。通过多次放电使空芯光纤末端内侧形成尖锥形状。
可实施的,在空芯光纤末端放电过程中,光纤熔接结构通过3 dB耦合器分别与宽带光源和光谱分析仪相连接,通过实时观察光谱分析仪上的反射谱线,适当调整放电次数,获取符合既定要求的光纤传感器。
图4为最终所获得的高温传感器在光学显微镜下的结构示意图,高温传感器的长度为350-400μm,由于空芯光纤末端放电的缘故,空芯光纤末端外侧坍塌,形成弧形形状的末端。
图5为高温传感器结构的光路示意图,光在传输过程中,到达第一个反射面M1,一部分光被反射,为
I Ⅰ;另一部分光继续传输,同时这一部分光中部分被激发至包层传输,参见图5中包层模式,剩下的在纤芯传输,参见图5中纤芯模式。包层传输至末端反射面M2,反射光分别为
I 2 、
I 3 ;
I 1 分别与
I 2 、
I 3 发生干涉,之后两干涉光叠加形成游标效应,对灵敏度探测起到放大作用。其中,两干涉光的光强表达式为:
,
,
式中,
I Ⅰ、
I Ⅱ是
I 1 分别与
I 2 、
I 3 的干涉光强,Δ
φ'、Δ
φ"分别是
I 1 与
I 2 、
I 3 的相位差;其中,
,
,
式中,为
I 1
、I 2 传输路径的有效折射率差,
L '是
I 1
、I 2 的光程差;为
I 1
、I 3 传输路径的有效折射率差,
L "是
I 1
、I 2 的光程差,为波长。
使用三阶傅里叶进行游标拟合,包络光强拟合公式为:
,
式中,为包络光强,和
ω均为常数,为波长;在高温环境下,由于热光效应,空芯光纤的折射率会发生变化,导致反射谱线发生移动。
图6为游标模拟仿真结果图,图6中(b)中有两条谱线,分别为模拟折射率变化前后的谱线,谱线向长波长方向移动,移动变化量为2.52 nm;图6中(c)中对谱线进行了游标拟合,大的包络移动距离为27.95 nm,放大倍数达到了11.1,在仿真过程中,模拟波长的漂移量,波长漂移量是由温度变化引起的,温度变化和波长漂移量之间呈现线性关系,即通过追踪波长漂移量,能够解析出温度变化。
高温传感实验示意图如图7所示,将高温传感器放入马弗炉4中,通过3 dB的耦合器3分别与宽带光源2和光谱分析仪5相连接;
将马弗炉4温度上升至100 ℃后开始记录测试数据,温度测量范围为100 ℃-900℃,每隔50 ℃记录一次反射光谱,同时,在每个温度记录点稳定30分钟,避免马弗炉4内温度分布不均匀及其余噪声带来的实验影响。
根据上述实验,能够得到已知测试温度下对应的反射光谱的波长漂移量,基于测试温度的变化和波长漂移量存在线性关系得到测试温度关于波长漂移量的表达式。最后将基于空芯光纤的高温传感器放入到实际场景中,将检测到的波长漂移量代入到测试温度关于波长漂移量的表达式中,计算得到实测温度。
以上仅是本发明的优选实施方式,应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于空芯光纤的高温传感器制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
分别将一段单模光纤和一段空芯光纤的涂覆层剥去并擦拭干净,使用光纤切割刀将单模光纤末端和空芯光纤末端切平;
将单模光纤和空芯光纤放入光纤熔接机中,利用光纤熔接机放电将切平的单模光纤末端和空芯光纤末端熔接在一起,形成光纤熔接结构;
设置光纤熔接机放电时间和放电大小,对光纤熔接结构进行放电处理,通过多次放电使空芯光纤末端内侧形成尖锥形状,以及使空芯光纤末端外侧坍塌形成弧形形状。
2. 根据权利要求1所述的一种基于空芯光纤的高温传感器制备方法,其特征在于:单模光纤的长度为2~8cm,单模光纤末端切平时保留1.5~5cm;空芯光纤的长度为2~3 cm,空芯光纤末端切平时保留400 μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于空芯光纤的高温传感器制备方法,其特征在于:光纤熔接机放电时间设为1000ms,放电大小设为-20bit。
4.根据权利要求1所述的一种基于空芯光纤的高温传感器制备方法,其特征在于:光纤熔接机放电前,将光纤熔接结构通过耦合器分别与宽带光源和光谱分析仪相连接,在放电过程中通过实时观察光谱分析仪上的反射谱线,调整光纤熔接机放电次数。
5.一种基于空芯光纤的高温传感器,其特征在于:由权利要求1到4任一项所述基于空芯光纤的高温传感器制备方法制备得到。
6.根据权利要求5所述的一种基于空芯光纤的高温传感器,其特征在于:所述基于空芯光纤的高温传感器长度为350~400μm。
7.一种如权利要求5或6所述基于空芯光纤的高温传感器的使用方法,其特征在于:包括以下步骤:
将基于空芯光纤的高温传感器通过耦合器分别与宽带光源和光谱分析仪相连接;
将基于空芯光纤的高温传感器放入到预设场景中,打开宽带光源和光谱分析仪,宽带光源发光,光谱分析仪接收反射光谱;
测量已知测试温度下对应的反射光谱的波长漂移量,基于测试温度的变化和波长漂移量存在的线性关系,得到测试温度关于波长漂移量的表达式;
将基于空芯光纤的高温传感器放入到实际场景中,将检测到的波长漂移量代入到测试温度关于波长漂移量的表达式中,计算得到实测温度。
8.根据权利要求7所述的一种基于空芯光纤的高温传感器的使用方法,其特征在于:基于空芯光纤的高温传感器上尖锥形状和弧形形状形成游标效应,放大反射光谱的波长漂移量倍数。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20230516 |