CN1945246A - 一种薄膜型光纤温度传感器及其温度感应方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学测量仪器领域，其目的在于克服现有技术中的缺点，提供一种温度感应灵敏，可靠性高的薄膜型光纤温度传感器及其温度感应方法。其结构是包括一段光纤，光纤具有一个光信号入射端面和光信号出射端面，在光信号出射端面上镀制一层反射率随温度变化而变化的光学薄膜。薄膜型光纤温度传感器主要是利用光学薄膜介质的折射率随着温度变化而变化的特性，进而影响到特定波长光波的反射率或透射率变化而构成的一种新型光纤温度传感器。

Description

一种薄膜型光纤温度传感器及其温度感应方法

技术领域

本发明涉及光学测量仪器领域，更具体的说是一种薄膜型光纤温度传感器及其温度感应方法。

技术背景

在强电磁场和高电压系统中，温度是需要测量和控制的重要物理量之一，传统的电测技术如热电偶等由于具有电磁噪声和产生短路引起爆炸等危险而无法使用。光纤温度传感器具有电绝缘性能好、抗强电磁干扰、使用安全可靠、体积小、重量轻，特别适用于强电磁场、高电压以及有毒有害、易燃易爆等恶劣环境下使用，有着广阔的应用前景。

目前国内外对于光纤温度传感器的研究分为两个方向。第一类就是传光型光纤温度传感器。传光型把光的强度(吸收，热辐射，折射率变化，散射)，波长(荧光，光致发光)，偏振面(双折射)，时间变化(荧光)等当作温度信号，只是利用光纤传输光的信道作用，在光纤的一个端面上配置另外的温度敏感器件，并与光纤耦合起来，构成光纤传感器。第二类就是传感型光纤温度传感器，是利用相位(干涉)，强度(散射)作为温度信号，利用光纤自身所具有的物理参数随着温度变化而变化的特性构成光纤传感器。传光型传感器虽然对温度检测的灵敏度较差，但可靠性高，其中利用荧光吸收，热辐射的光纤温度传感器已达到实用水平。传感型光纤温度传感器的灵敏度高，但由于对温度以外的压力，振动等机械量的变化也很敏感，因此，其可靠性是尚未解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺点，提供一种温度感应灵敏，可靠性高的薄膜型光纤温度传感器及其温度感应方法。

首先本发明公开了一种薄膜型光纤温度传感器，结构是包括一段光纤，光纤具有一个光信号入射端面和光信号出射端面，在光信号出射端面上镀制一层反射率随温度变化而变化的光学薄膜。薄膜型光纤温度传感器主要是利用光学薄膜介质的折射率随着温度变化而变化的特性，进而影响到特定波长光波的反射率或透射率变化而构成的一种新型光纤温度传感器。本发明使用时不会受到在温度的测量过程中产生的强电磁场或高电压影响，同时具有传感型光纤温度传感器的灵敏度，而且由于光学薄膜厚度十分小，因此本发明不会受到外界压力，振动等机械量的影响，具有很高的稳定性。

本发明进一步提供一种适用所述薄膜型光纤温度传感器的温度感应方法，通过获得在光纤端面的光学薄膜的反射率或透过率，根据光学薄膜反射率或透过率随外界温度变化的曲线获得外界温度。这不同于现有传感型光纤温度传感器，是利用相位(干涉)，强度(散射)作为温度信号，利用光纤自身性质随温度的变化而变化来获得温度，这也决定了本发明所具有的稳定性优势。所述光学薄膜反射率或透过率随外界温度变化的曲线是通过在标定温度下测量特定波长反射率或透过率的变化，并将多组相对应的数据在坐标系上拟合得到的定标曲线。采用标定温度的方法来获得定标曲线的方式是最直接的一种方式，而且也是最符合每个具体温度传感器自身特点的一种方式，能够进一步减少由于工艺原因所产生的误差。

上述方法具体包括以下步骤：

①将薄膜型光纤温度传感器置于被探测的温度环境中，光信号从光纤的光信号入射端面入射；

②探测光信号在镀制在光纤光信号出射端面上的光学薄膜的反射光强或透射光强；

③计算光学薄膜的反射率或透射率；

④根据上述的反射率或透射率对应光学薄膜反射率或透过率随外界温度变化的曲线，获得被探测环境的温度。

本发明方法简单容易实现，而且适用于采用计算机进行测量和计算，有利于提高测量系统的自动化程度，使得温度测量更加简易且人性化。

上述薄膜型光纤温度传感器的传感端是通过在光纤端面镀制的光学薄膜组成的，为使得反射率或透过率曲线具有良好的线性度，便于测量。本发明选择了截止滤光膜层结构作为在光纤端面镀膜的标准。

所述光学薄膜的膜系结构为 或

H表示光学厚度为四分之一膜系的中心波长的高折射率层，L表示光学厚度为四分之一中心波长的低折射率层。m为基本周期的重复次数，一般为5＜m＜10，可以根据具体采用的镀膜机而定，采用现有通用的镀膜机，其最佳数值为6或7。截止滤光膜层由高、低折射率的材料组成，环境温度对光学薄膜器件温度稳定性的影响主要是通过改变光学薄膜器件的光学常数(n，k，d)来实现的。在可见、近红外波段，所述低折射率介质层和高折射率层材料采用氧化物、氟化物、硫化物或碲化物。这类材料的折射率温度系数和其热膨胀系数相当，其温度漂移主要由折射率n和几何厚度d共同作用决定，影响主要由折射率n和几何厚度d共同作用决定。对折射率温度系数比较大的材料，光学薄膜器件的温度漂移主要由折射率n的变化引起的。所述低折射率层材料为SiO₂、NaF或MgF₂，高折射率层材料为TiO₂、PbTe或ZeS，截止滤光膜层的光谱性能由各层膜的折射率和厚度决定。环境温度的变化时，所述光学薄膜的光学特性会随着环境温度的变化而发生变化。这种变化主要表征为光学薄膜的峰值透过率发生变化，截止波长或中心波长的位置发生漂移，带宽改变等。

本发明相对于现有技术具有以下突出的实质性特点和显著的进步。

1.本发明公开的传感器结构具有体积小、重量轻的优点，特别适用于强电磁场、高电压等恶劣环境下的温度测量；

2.具有很高的灵敏度和良好的重复性和温度稳定性；

3.本发明方法简单易于实施，能够适用于计算机控制，降低误差。

附图说明

图1本发明传感器的膜系反射率曲线；

图2为薄膜的反射率-温度关系曲线；

图3为本发明传感器结构示意图；

图4为传感器测量系统原理图；

图5为光纤传感器的反射率-温度关系曲线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详细的说明。

原理说明

带通截止滤光膜层结构的截止波长可表述成：

$\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{{\mathrm{\λ}}_c}=1\±\frac{2}{\mathrm{\π}}{\sin }^{-1}\left(\frac{{\mathrm{\η}}_H-{\mathrm{\η}}_L}{{\mathrm{\η}}_H+{\mathrm{\η}}_L}\right)---\left(1\right)$

其中λ₀是一个参考波长。

其截止带宽度为：

$\mathrm{\Δg}=\frac{2}{\mathrm{\π}}{\sin }^{-1}\left(\frac{{\mathrm{\η}}_H-{\mathrm{\η}}_L}{{\mathrm{\η}}_H+{\mathrm{\η}}_L}\right)---\left(2\right)$

相应的透射率为：

$R=\frac{I_0^{-}}{I_0^{+}}={\left|r\right|}^2={\left|\frac{{\mathrm{\η}}_{0}B-C}{{\mathrm{\η}}_{0}B+C}\right|}^2---\left(3\right)$

从上面可以看出Δg是关于η_H和η_L的函数，而当正入射时，η_H＝n_H，η_L＝n_L。而n_H和n_L又是温度T的函数，那么截止带宽度Δg也是温度T的函数，可以写成如下形式：

Δg＝f(T)                                                    (4)

对上式求微分，得，

$\frac{d\left(\mathrm{\Δg}\right)}{\mathrm{dT}}=\frac{\mathrm{df}\left(T\right)}{\mathrm{dT}}=u\left(T\right)---\left(5\right)$

当温度变化时，截止带宽度会发生变化，特定波长处的反射率也会发生变化。一般材料的折射率随温度变化的规律成线性关系，透射率曲线边沿处的反射率随温度的变化也成线性关系。基于这个变化特性，本发明设计出一种新型的薄膜型光纤传感器。

考虑到一般所设计的传感器所用光信号的中心波长为1310nm，所以在裸光纤端面镀膜中，要使得1310nm附近的反射率曲线具有良好的线性度。本发明选择了截止滤光片的膜层结构作为在光纤端面镀膜的标准。选择TiO₂作为高折射率材料，SiO₂作为低折射率材料，并且先选定膜系的中心波长为1080nm。入射介质为玻璃，透射介质是空气。膜系结构为 通过模拟计算，得出不同波长下的反射率曲线，如图1所示。该膜系的反射率曲线在1310nm附近有着良好的线性度。选定这段曲线作为传感器的工作区域。当温度产生变化时候，由于材料折射率的变化，这段曲线会产生漂移，从而使得特定波长处的透过率也产生相应的变化，如图2所示，其中T₁＜T₂＜T₃且T₃-T₂＝T₂-T₁。通过标定温度与特定波长下透过率的变化关系，可以得到一条定标曲线。利用定标曲线，当测得透过率的值，便可找到相对应的温度，从而达到传感温度的作用。将前面设计的膜系结构镀制在单模光纤端面上，制备出设计的薄膜型光纤温度传感器。

光纤温度传感器的结构如图3所示，传感器由镀在裸光纤1端面的高、低折射率周期薄膜2组成，膜系结构为

高折射率材料为TiO₂，低折射率材料为SiO₂，基本周期的重复次数为6，选定膜系的中心波长为1080nm。膜系的反射率曲线如前面所述的图2所示，膜系的透过率曲线在1260nm到1360nm间有较好的线性度。当温度变化时，膜系的光谱特性将发生变化，其中1260nm到1360nm间的反射率与温度的变化曲线具有比较好的线性。通过测量传感器的反射率，将得到传感器探测到的外界温度。

利用本发明所述的传感器，按照图4搭建传感器模拟实验测量系统。在本实验系统中，选用中心波长为1310nm的LD光源3作为信号源，3dB耦合器4和Newport公司生产的1830-C型光电探测器5。LD光源3发出的光经3dB耦合器4进入本发明的薄膜型光纤温度传感器6，薄膜型光纤温度传感器6的反射光将再次通过3dB耦合器4的而进入光电探测器5，反射光信号经光电探测器5探测到。耦合器4的另一支插入折射率匹配液8中以消除端面反射。把薄膜型光纤温度传感器6放进水浴锅9中，通过改变水浴锅9的温度来改变其环境温度，薄膜型光纤温度传感器6的温度可以直接从水温中读出。实验发现，当薄膜型光纤温度传感器6的温度变化时，光电探测器5探测到的光强也在改变，而且反射率的变化跟薄膜型光纤温度传感器6的温度变化成比较好的线性关系。将得到的数据通过计算机7进行分析就可以得出薄膜型光纤温度传感器6探测到的温度值。在实际使用中要先对设计的薄膜型光纤温度传感器6进行温度测量定标。

基于上面所测的特定波长出的光纤透射率与温度的线性关系，按照图4的实验系统图进行了薄膜型光纤温度传感器6的实验。测得的1310nm的薄膜型光纤温度传感器6的反射率与温度的关系曲线，如图5所示。实验结果表明，本发明的传感器的测量精度能达到1℃，在多次测量中也显示了良好的稳定性和重复性。如果通过选用更高的折射率温度系数材料如碲化铅、硫化锌等，本发明的测量精度将会进一步得到提高。

Claims (10)

1.一种薄膜型光纤温度传感器，其特征是包括一段光纤，光纤具有一个光信号入射端面和光信号出射端面，在光信号出射端面上镀制一层反射率随温度变化而变化的光学薄膜。

2.根据权利要求书1所述的薄膜型光纤温度传感器，其特征是所述光学薄膜的膜系结构为截止滤光膜系结构。

3.根据权利要求书2所述的薄膜型光纤温度传感器，其特征是所述光学薄膜的膜系结构为

或

H表示光学厚度为四分之一膜系的中心波长的高折射率层，L表示光学厚度为四分之一中心波长的低折射率层。m为基本周期的重复次数。

4.根据权利要求书3所述的薄膜型光纤温度传感器，其特征是所述基本周期的重复次数5＜m＜10。

5.根据权利要求书3所述的薄膜型光纤温度传感器，其特征是所述低折射率介质层和高折射率层材料为氧化物、氟化物、硫化物或碲化物。

6.根据权利要求书5所述的薄膜型光纤温度传感器，其特征是所述低折射率层材料为SiO₂、NaF或MgF₂，所述高折射率层材料为TiO₂、PbTe或ZeS。

7.根据权利要求书3所述的薄膜型光纤温度传感器，其特征是所述光信号的中心波长为1310nm，膜系的中心波长为1080nm。

8.一种适用于权利要求1所述薄膜型光纤温度传感器的温度感应方法，其特征是获得在光纤端面的光学薄膜的反射率或透过率，根据光学薄膜反射率或透过率随外界温度变化的曲线获得外界温度。

9.根据权利要求8所述的温度感应方法，其特征是所述光学薄膜反射率或透过率随外界温度变化的曲线是通过在标定温度下测量特定波长反射率或透过率的变化，并将多组相对应的数据在坐标系上拟合得到的定标曲线。

10.根据权利要求9所述的温度感应方法，其特征是具体包括以下步骤：

①将薄膜型光纤温度传感器置于被探测的温度环境中，光信号从光纤的光信号入射端面入射；

②探测光信号在镀制在光纤光信号出射端面上的光学薄膜的反射光强或透射光强；

③计算光学薄膜的反射率或透射率；

④根据上述的反射率或透射率对应光学薄膜反射率或透过率随外界温度变化的曲线，获得被探测环境的温度。

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