CN205642669U - 基于光纤光栅传感头的马赫-曾德温度传感器 - Google Patents
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Abstract
基于光纤光栅传感头的马赫‑曾德温度传感器，涉及光纤传感领域。它是解决在测量小范围温度变化时，传统马赫‑曾德干涉温度传感器测量精度低的问题。本实用新型包括宽带光源、一号单模光纤、一号绝热保护套、一号耦合器、二号单模光纤、二号绝热保护套、三号单模光纤、三号绝热保护套、导热管、四号绝热保护套、二号耦合器、四号单模光纤、五号绝热保护套、光谱仪、光纤布拉格光栅。其中，一号单模光纤的一端接光源，另外一端接一号耦合器；二号单模光纤一端接一号耦合器，另外一端接二号耦合器；三号单模光纤一端接一号耦合器，另一端接二号耦合器；四号单模光纤一端接二号耦合器，另一端接光谱仪。本实用新型适用于精密光纤温度传感领域。
Description
技术领域
本实用新型涉及光纤传感领域。具体涉及一种基于光纤光栅传感头的马赫-曾德温度传感器。
背景技术
马赫-曾德干涉光纤温度传感器相比其他传统温度传感器具有抗电磁干扰能力强、响应速度快、结构简单、制造成本低、应用范围广等优点。该干涉结构的温度传感器可广泛应用于建筑、电力工程、医药化工等领域。马赫-曾德温度传感器在测温时，依靠温度变化使传感光纤与参考光纤产生长度差进而形成位相差使之产生干涉光，利用干涉光的变化间接得到温度变化的信息。但受传感光纤材料等条件的限制，在测量极小范围内的温度变化时其测量精度不及某些光栅温度传感器。光栅温度传感器结构简单尺寸小，可与普通光纤融合连接，适用于各种场合，便于埋入复合材料及大型建筑内部，可在保证结构完整性和安全性的同时，进行时时温度测量。另外，由于光栅温度传感器从根本上排除了光源强度起伏、光纤微弯效应引起的随机起伏等对温度传感的影响，所以基于光纤光栅的传感系统具有很高的可靠性和稳定性。因此有必要将二者结合，设计出能够测量极小范围温度变化的具有更高灵敏度的温度传感装置。
基于光纤光栅传感头的马赫-曾德温度传感器。该传感器对传感光纤进行改进，在普通单模光纤上刻蚀光纤布拉格光栅。进行温度传感时，把光纤布拉格光栅置于温度场中，参考光纤离开温度场。这种新型结构的光纤光栅温度传感器能够在测量极小范围温度变化时获得更高灵敏度。
发明内容
本实用新型是为了解决在测量小范围温度变化时，传统马赫-曾德干涉温度传感器测量精度低的问题。在全光纤马赫-曾德干涉温度传感器的基础上进行改进，提供了一种基于光纤光栅传感头的马赫-曾德干涉的高灵敏度、抗电磁干扰能力强、成本低廉、操作简单、应用范围广的温度传感装置。
基于光纤光栅传感头的马赫-曾德温度传感器，其特征在于：它包括光源（1）、一号单模光纤（2）、一号绝热保护套（3）、一号耦合器（4）、二号单模光纤（5）、二号绝热保护套（6）、三号单模光纤（7）、三号绝热保护套（8）、导热管（9）、四号绝热保护套（10）、二号耦合器（11）、四号单模光纤（12）、五号绝热保护套（13）、光谱仪（14）；
三号单模光纤（7）在导热管（9）内的部分刻有光纤布拉格光栅（9-1）；
一号单模光纤（2）的一端接光源（1），另外一端接一号耦合器（4）；二号单模光纤（5）一端接一号耦合器（4），另外一端接二号耦合器（11）；三号单模光纤（7）一端接一号耦合器（4），另一端接二号耦合器（11）；四号单模光纤（12）一端接二号耦合器（11），另一端接光谱仪（14）；
光源（1）发出的光信号经一号单模光纤（2）到达一号耦合器（4），在一号耦合器（4）中光被分成两束，其中一束进入二号单模光纤（5），另一束光进入三号单模光纤（7）经过光纤布拉格光栅（9-1）后继续在三号单模光纤（7）中传播，两束光在二号耦合器（11）内相遇，再经过四号单模光纤（12）进入光谱仪（14）中。
光源（1）能够发出宽带光，且宽带光的中心波长为1550nm，频带宽度为40nm。
一号单模光纤（2）外套有一号绝热保护套（3），二号单模光纤（5）外套有二号绝热保护套（6），三号单模光纤（7）外分别套有三号绝热保护套（8）四号绝热保护套（10），四号单模光纤（12）外套有五号绝热保护套（13）。
一号耦合器（4）和二号耦合器（11）的分光比及耦合比均为50:50。
导热管（9）分别与三号绝热保护套（8）和四号绝热保护套（10）连接且连接处涂有防水胶。
光纤布拉格光栅（9-1）的长度为2cm。
三号单模光纤（7）比二号单模光纤（5）长3.1mm。
一号单模光纤（2）、二号单模光纤（5）、三号单模光纤（7）、四号单模光纤（12）均通过法兰与其他器件相连。
本实用新型的有益效果是：本实用新型在传统马赫-曾德干涉温度传感器的基础上进行改进，通过在传感光纤上刻蚀布拉格光栅，形成一种基于光纤布拉格光栅的马赫-曾德温度传感装置。该光纤布拉格光栅长度为2cm，在温度传感时将该部分置于温度场中，相比传统马赫-曾德温度传感器在进行小温度变化的温度传感时可获得更高的灵敏度。由于该温度传感器的单模光纤外套有绝热保护套，可有效防止外界干扰（如：振动干扰）对探测结果的影响，同时保护套可防止光纤因受外力而造成光纤的损害。并且该温度传感装置还具有抗电磁干扰能力强、制作成本低廉、操作简便等优点。
附图说明
图1为基于光纤光栅传感头的马赫-曾德温度传感器；
图2为光纤光栅的放大结构。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的基于光纤光栅传感头的马赫-曾德温度传感器，它包括光源（1）、一号单模光纤（2）、一号绝热保护套（3）、一号耦合器（4）、二号单模光纤（5）、二号绝热保护套（6）、三号单模光纤（7）、三号绝热保护套（8）、导热管（9）、四号绝热保护套（10）、二号耦合器（11）、四号单模光纤（12）、五号绝热保护套（13）、光谱仪（14）；
三号单模光纤（7）在导热管（9）内的部分刻有光纤布拉格光栅（9-1）；
一号单模光纤（2）的一端接光源（1），另外一端接一号耦合器（4）；二号单模光纤（5）一端接一号耦合器（4），另外一端接二号耦合器（11）；三号单模光纤（7）一端接一号耦合器（4），另一端接二号耦合器（11）；四号单模光纤（12）一端接二号耦合器（11），另一端接光谱仪（14）；
测温时，先把光源与光谱仪放置合适位置，再把光纤布拉格光栅（9-1）置于温度场中，令二号单模光纤（5）离开温度场。
光源（1）发出的光信号经一号单模光纤（2）到达一号耦合器（4），在一号耦合器（4）中光被分成两束，其中一束进入二号单模光纤（5），另外一束进入三号单模光纤（7）的前段，再依次经过光纤布拉格光栅（9-1）和三号单模光纤（7）的后段，两束光在二号耦合器（11）内相遇，发生耦合，产生干涉。干涉光再经过四号单模光纤（12）进入光谱仪（14）中，利用光谱仪（14）可以观测干涉光谱。干涉光谱的漂移与温度的变化有一一对应的关系，因此可以通过观测干涉光谱的漂移间接进行温度的测量。
具体实施方式二：本实施方式对具体实施方式一所述的基于光纤光栅传感头的马赫-曾德温度传感器的进一步限定，本实施方式中，所述光源（1）能够发出宽带光，且宽带光的中心波长为1550nm，频带宽度为40nm。
具体实施方式三：本实施方式对具体实施方式一所述的基于光纤光栅传感头的马赫-曾德温度传感器的进一步限定，本实施方式中，一号单模光纤（2）外套有一号绝热保护套（3），二号单模光纤（5）外套有二号绝热保护套（6），三号单模光纤（7）外分别套有三号绝热保护套（8）四号绝热保护套（10），四号单模光纤（12）外套有五号绝热保护套（13）。
具体实施方式四：本实施方式对具体实施方式一所述的基于光纤光栅传感头的马赫-曾德温度传感器的进一步限定，本实施方式中，一号耦合器（4）和二号耦合器（11）的分光比及耦合比均为50:50。
具体实施方式五：本实施方式对具体实施方式一所述的基于光纤光栅传感头的马赫-曾德温度传感器的进一步限定，本实施方式中，导热管（9）分别与三号绝热保护套（8）和四号绝热保护套（10）连接且连接处涂有防水胶。
具体实施方式六：本实施方式对具体实施方式一所述的基于光纤光栅传感头的马赫-曾德温度传感器的进一步限定，本实施方式中，光纤布拉格光栅（9-1）的长度为2cm。
具体实施方式七：本实施方式对具体实施方式一所述的基于光纤光栅传感头的马赫-曾德温度传感器的进一步限定，本实施方式中，三号单模光纤（7）比二号单模光纤（5）长3.1mm。
具体实施方式八：本实施方式对具体实施方式一所述的基于光纤光栅传感头的马赫-曾德温度传感器的进一步限定，本实施方式中，一号单模光纤（2）、二号单模光纤（5）、三号单模光纤（7）、四号单模光纤（12）均通过法兰与其他器件相连。
工作原理：
基于光纤光栅传感头的马赫-曾德温度传感器：
工作过程：如图1所示，将一号单模光纤（2）的一端接光源（1），另外一端接一号耦合器（4）；二号单模光纤（5）一端接一号耦合器（4），另外一端接二号耦合器（11）；三号单模光纤（7）一端接一号耦合器（4），另一端接二号耦合器（11）；四号单模光纤（12）一端接二号耦合器（11），另一端接光谱仪（14）。
在温度传感的过程中，需要将带有导热管（9）的光纤布拉格光栅（9-1）放于待测的温度场中。二号单模光纤（5）离开温度场。由光源（1）发出的光信号经过一号单模光纤（2）到达一号耦合器（4），一号耦合器（4）的分光比为50:50。经过一号耦合器（4）后，光信号被分成光强比为1:1的两束光分别进入二号单模光纤（5）和三号单模光纤（7）。在三号单模光纤（7）中的光分别经过三号单模光纤（7）前段、光纤布拉格光栅（9-1）和三号单模光纤（7）后段。二号单模光纤（5）中传输的光与三号单模光纤（7）中传输的光在二号耦合器（11）内相遇。当温度场中的温度改变时，会使三号单模光纤（7）的物理长度在原三号单模光纤（7）与二号单模光纤（5）长度差的基础上发生改变，从而使两路光的光程差发生改变。光程差的改变会导致两束光的位相发生改变。在二号耦合器（11）内相遇的两束光会因为位相不同的两束光的叠加而发生光强的重新分布，产生干涉。该干涉光经过四号单模光纤（12）到达光谱仪（14）。当干涉光因为三号单模光纤（7）受温度改变而发生位相改变时，光谱仪（14）显示的光谱会发生漂移。此外，光纤布拉格光栅（9-1）在温度变化时，其反射率会发生变化，导致在其中传输光的光程发生变化，致使位相发生改变，产生干涉。可通过光谱仪可测得光栅受温度变化引起的光谱漂移。将两部分的漂移叠加可确定温度的变化。
将三号单模光纤（7）单模光纤的一部分经过刻蚀光纤布拉格光栅（9-1）后，制作成基于光纤布拉格光栅的马赫-曾德温度传感器。在传感过程中，温度的改变会造成三号单模光纤（7）长度的变化。同时光纤布拉格光栅（9-1）也会改变传播光的光程，使得该传感结构对温度的变化更加敏感，以此提高马赫-曾德温度传感其在测量极小温度变化时的灵敏度。
Claims (8)
1.基于光纤光栅传感头的马赫-曾德温度传感器，其特征在于：它包括光源（1）、一号单模光纤（2）、一号绝热保护套（3）、一号耦合器（4）、二号单模光纤（5）、二号绝热保护套（6）、三号单模光纤（7）、三号绝热保护套（8）、导热管（9）、四号绝热保护套（10）、二号耦合器（11）、四号单模光纤（12）、五号绝热保护套（13）、光谱仪（14）；
三号单模光纤（7）在导热管（9）内的部分刻有光纤布拉格光栅（9-1）；
一号单模光纤（2）的一端接光源（1），另外一端接一号耦合器（4）；二号单模光纤（5）一端接一号耦合器（4），另外一端接二号耦合器（11）；三号单模光纤（7）一端接一号耦合器（4），另一端接二号耦合器（11）；四号单模光纤（12）一端接二号耦合器（11），另一端接光谱仪（14）；
光源（1）发出的光信号经一号单模光纤（2）到达一号耦合器（4），在一号耦合器（4）中光被分成两束，其中一束进入二号单模光纤（5），另一束光进入三号单模光纤（7）经过光纤布拉格光栅（9-1）后继续在三号单模光纤（7）中传播，两束光在二号耦合器（11）内相遇，再经过四号单模光纤（12）进入光谱仪（14）中。
2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感头的马赫-曾德温度传感器，其特征在于：光源（1）能够发出宽带光，且宽带光的中心波长为1550nm，频带宽度为40nm。
3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感头的马赫-曾德温度传感器，其特征在于：一号单模光纤（2）外套有一号绝热保护套（3），二号单模光纤（5）外套有二号绝热保护套（6），三号单模光纤（7）外分别套有三号绝热保护套（8）四号绝热保护套（10），四号单模光纤（12）外套有五号绝热保护套（13）。
4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感头的马赫-曾德温度传感器，其特征在于：一号耦合器（4）和二号耦合器（11）的分光比及耦合比均为50:50。
5.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感头的马赫-曾德温度传感器，其特征在于：导热管（9）分别与三号绝热保护套（8）和四号绝热保护套（10）连接且连接处涂有防水胶。
6.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感头的马赫-曾德温度传感器，其特征在于：光纤布拉格光栅（9-1）的长度为2cm。
7. 根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感头的马赫-曾德温度传感器，其特征在于：三号单模光纤（7）比二号单模光纤（5）长3.1mm。
8.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感头的马赫-曾德温度传感器，其特征在于：一号单模光纤（2）、二号单模光纤（5）、三号单模光纤（7）、四号单模光纤（12）均通过法兰与其他器件相连。
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| CN106546274A (zh) * | 2016-10-19 | 2017-03-29 | 暨南大学 | 细芯光纤布拉格光栅温度和应变传感器及其检测方法 |
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