CN203595562U - 一种基于毛细管液体封装的干涉型光纤温度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于毛细管液体封装的干涉型光纤温度传感器，它是将一个“单模-双锥型单模-单模”三段式结构的光纤干涉仪封装在充有高热光系数液体的毛细管中。利用干涉仪的高折射率灵敏性以及毛细管内液体折射率随外界温度显著变化的特性，从而实现温度的传感测量。本实用新型制备简单，成本低，并且具有很高的温度灵敏度，适用于工业、食品加工等多种应用场合。

Description

一种基于毛细管液体封装的干涉型光纤温度传感器

技术领域

本实用新型涉及一种光纤温度传感器，尤其是一种基于毛细管液体封装的干涉型光纤温度传感器。 

背景技术

光纤温度传感器因其抗电磁干扰能力强，体积小，响应速度快，以及能在恶劣环境下工作和方便远程监控遥感测量的优点，而受到广泛研究。 

近年来，各种结构和制造技术已被应用于构建不同类型的光纤温度传感器，如光纤布拉格光栅(FBG)，长周期光纤光栅(LPG)，各种光纤干涉仪，以及其它有趣的结构。基于光栅的温度传感器具有分辨率高和较宽的测量范围等优点，但是制备这些传感器需要应用到精密而昂贵的专业设备或仪器。基于光纤干涉仪的温度传感器，例如法布里-珀罗干涉仪、迈克尔逊和马赫-曾德干涉仪，具有结构简单、价格低廉的优势，但是它们灵敏性通常较低。最近，一种基于选择性渗透的光子晶体光纤温度传感器，向光子晶体光纤的某个或某几个微孔中注入高热光系数的液体，这类传感器具有超高的温度灵敏性，在一定范围内甚至达到54.3nm／℃。然而这种传感器的量程较窄，且制造工艺复杂，如需要应用到飞秒激光微加工等，其使用受到限制。 

发明内容

为了克服目前光纤温度传感器存在的制备复杂、灵敏度低或者量程小等问题，本实用新型提供了一种基于毛细管液体封装的干涉型光纤温度传感器，具有制备简单、成本低、灵敏度高和量程大的优点。 

本实用新型所采用的技术方案是：将三段去除了涂覆层的普通通讯单模光纤顺次熔接在一起，熔接时设置较大的重叠长度，使得熔接点处光纤直径大于正常光纤直径。熔接点处两根单模光纤的纤芯不完全对齐，便于激发光纤的包层模，从而构成光纤干涉仪。将该干涉仪封装于充有高热光系数液体的毛细管中，利用干涉仪的高折射率灵敏性和液体的折射率随温度发生显著变化的特性，从而实现传感器对温度的测量。并且，本实用新型将干涉仪的传感光纤段进行腐蚀，形成双锥型，进一步提高了传感器的温度灵敏度。 

本实用新型的具体工作原理是：单模光纤熔接时，重叠长度设置较大，导致熔接点处两根 光纤的纤芯没有完全对齐，从而输入单模光纤中原本以芯模存在的光有部分泄露到第二段单模光纤的包层中，以包层模的形式传播；另一部分光耦合进第二段单模光纤的纤芯，以芯模形式传播。包层模和芯模在第二个熔接点处相遇产生干涉，之后以单模形式在输出单模光纤中传输。由于包层模与外界液体相接触，其有效折射率随着周围液体的折射率变化而发生变化；芯模与外界液体不接触，其有效折射率保持恒定，因此，包括两个拼接点及其之间的单模光纤可以看成是光纤内共轴的马赫-曾德干涉仪，纤芯和包层分别充当参考臂和传感臂。包层模和芯模的相位差如果为π的奇数倍，则对应干涉仪透射光谱中的波谷，如果相位差为π的偶数倍，则对应干涉仪透射光谱中的波峰。干涉仪透射光谱的波峰或波谷对应波长随着外界液体折射率的变化而发生变化。将此干涉仪浸入高热光系数的液体中，由于液体折射率随温度变化发生显著变化，因此该干涉仪的透射光谱的波峰或波谷对应波长随着环境温度的变化而变化，我们据此可以应用该干涉仪来传感测量温度。另外，对两个熔接点之间的光纤进行腐蚀，减小其包层直径，则可以大大提高包层模与外界液体的相互作用，从而提高该传感器对温度的灵敏度。 

本实用新型的有益效果是：该光纤温度传感器选用价格低廉的普通通讯单模光纤和毛细管而制备，具有制作简单，成本低的优点，且温度测量的量程大，灵敏度高。 

附图说明

图1是“单模-双锥型单模-单模”三段式结构的光纤干涉仪结构示意图。 

图2是毛细管液体封装的示意图。 

图3是光纤温度传感器测试系统示意图。图中，1输入单模光纤，2双锥型单模光纤，3输出单模光纤，4光纤干涉仪，5毛细管，6高热光系数液体，7密封胶，8光纤温度传感器，9宽带光源，10光纤光谱仪。 

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步地说明： 

如附图1所示，所述的“单模-双锥型单模-单模”三段式结构的光纤干涉仪包括输入单模光纤、双锥型单模光纤和输出单模光纤，其制备流程为： 

第一步，将三段去除涂敷层的单模光纤顺次熔接在一起，并且熔接时设置较大的重叠长 度，使得熔接点处光纤直径大于原来光纤直径，如附图1所示。 

第二步，用腐蚀法将中间段单模光纤进行锥化处理。在聚四氟乙烯塑料板上滴一小滴HF液体，在液体表面张力的作用下，HF小液滴形成一个小小的凸起。将中间段单模光纤的两个熔接点之间的部分浸入其中，且控制浸入部分的长度为5-40毫米。随着腐蚀的进行，光纤逐渐变细，HF液体顺着光纤流向两边，且HF液体浓度逐渐降低，从而制备得到双锥型单模光纤。控制腐蚀时间，使得双锥型单模光纤中间锥腰直径为15-50微米。移除HF液体，用清水漂洗腐蚀后的光纤，即获得如图1所示的光纤干涉仪。 

第三步，如附图2所示，将已制备的光纤干涉仪穿插进内径大于125微米的毛细管中，且保证其双锥型光纤全部处于毛细管中。 

第四步，将插有光纤干涉仪的毛细管竖直放置，在毛细管上端口径处滴一滴高热光系数的液体，如异丙醇或Cargille液体，该液体在自重和毛细管作用下会迅速充满毛细管。 

第五步，将毛细管的两端用密封胶进行密封，密封胶可选用A B胶。 

至此，基于毛细管液体封装的干涉型光纤温度传感器即制备完成。 

在应用时，如附图3，光纤温度传感器的输入单模光纤和输出单模光纤经导光单模光纤分别与宽带光源和光纤光谱仪相连。将光纤传感器置于可控温度场中，改变温度，即可获得一系列已知温度下光纤传感器的透射光谱中特征峰波长值。应用数学分析，得到特征峰波长值与温度的对应函数关系，即完成了传感器的定标。将定标过的光纤传感器置于待测温度场中，根据测量得到的透射光谱中特征峰波长值和定标函数关系，即可获知待测温度场的温度。 

Claims (6)

1.一种基于毛细管液体封装的干涉型光纤温度传感器，其特征在于：该传感器包括由输入单模光纤(1)、双锥型光纤(2)和输出单模光纤(3)形成的光纤干涉仪(4)和充有液体(6)的毛细管(5)，且双锥型光纤(2)熔接于输入单模光纤(1)和输出单模光纤(3)之间，并封装于毛细管(5)中。 

2.根据权利要求1所述的基于毛细管液体封装的干涉型光纤温度传感器，其特征在于：所述输入单模光纤(1)和输出单模光纤(3)为同型号的普通通讯单模光纤，其包层直径约为125微米。 

3.根据权利要求1所述的基于毛细管液体封装的干涉型光纤温度传感器，其特征在于：双锥型光纤(2)的两端分别与输入单模光纤(1)和输出单模光纤(3)熔接，且熔接时选择重叠长度较大，使得两个熔接点处的直径大于原单模光纤的直径。 

4.根据权利要求3所述的基于毛细管液体封装的干涉型光纤温度传感器，其特征在于：双锥型光纤(2)是与输入单模光纤(1)和输出单模光纤(3)同类型的普通通讯单模光纤经HF腐蚀而制备，且中间锥腰直径为15-50微米，锥腰长度为5-40毫米。 

5.根据权利要求1所述的基于毛细管液体封装的干涉型光纤温度传感器，其特征在于：所述的光纤干涉仪(4)穿插进内径大于125微米的毛细管(5)，且其双锥型光纤(2)全部处于毛细管(5)中。 

6.根据权利要求1所述的基于毛细管液体封装的干涉型光纤温度传感器，其特征在于：所述的毛细管(5)两端用密封胶(7)密封。 

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