CN206618510U - 一种多芯光纤错位熔接的透射式光纤温度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光纤传感技术领域，尤其是一种多芯光纤错位熔接的透射式光纤温度传感器，它包括由单模光纤A、多芯光纤和单模光纤B依次熔接为一体的光纤干涉仪；在光纤干涉仪上套装有毛细玻璃管,毛细玻璃管的两端分别通过密封胶与两个单模光纤密封为一体，在毛细玻璃管内封装有温度敏感性液体；所述单模光纤A和单模光纤B分别作为光源的输入端和输出端，单模光纤A的纤芯与多芯光纤的中心纤芯错位熔接，单模光纤B的纤芯与多芯光纤的中心纤芯同轴熔接；本实用新型不仅体积小、制作方便、制作成本低，具有较高的温度灵敏度，而且传输信息容量大、温度测量的量程较宽,适用于医学、生物、化工、食品加工等多种应用场合的温度传感测量。

Description

一种多芯光纤错位熔接的透射式光纤温度传感器

技术领域

本实用新型涉及光纤传感技术领域，尤其是一种多芯光纤错位熔接的透射式光纤温度传感器。

背景技术

光纤传感具有较高的研究价值和广泛的应用价值。光纤传感器可测量许多参数，如温度、折射率、应变、位移、气压、气体浓度、压力等物理量。由于其灵敏度高、体积小、抗电磁干扰，使其在化工、生化分析、医疗诊断、环境污染评估等许多领域得到广泛应用。光纤温度传感器作为最常用的一种光纤传感器，因其抗电磁干扰能力强，体积小，响应速度快，能在恶劣环境下工作和方便远程监控遥感测量等优点，在工业上得到广泛的应用。

近年来，已经发展出各种不同类型结构的光纤温度传感器，包括使用倾斜光纤布拉格光栅（FBG）、超长周期光纤光栅和光子晶体光纤（PCF）以及利用飞秒激光加工制作的光纤干涉仪。然而，采用上述结构的光纤温度传感器都存在各自的缺陷：倾斜光纤光栅、超长周期光纤光栅的光纤温度传感器都需要特殊光栅制作设备，其制造工艺复杂、难以控制。基于光子晶体光纤的光纤温度传感器需要使用专门设计的光子晶体光纤，其成本相对较高。基于飞秒激光加工制作而成的光纤干涉型温度传感器，例如：法布里-珀罗干涉仪、迈克尔逊干涉仪和马赫-曾德干涉仪，虽然具有结构简单、价格低廉的优势，但是它们灵敏度往往较低，存在一定的交叉感染问题。与此同时，上述温度传感器大都是利用单模光纤制作而成的，其传输的信息量和测量量程也会受到一定的限制。

发明内容

本实用新型的目的就是要解决现有的光纤温度传感器所存在的上述问题，为此提供一种结构简单、制作方便、灵敏度高、传输信息量大，并且测量量程较宽的多芯光纤错位熔接的透射式光纤温度传感器。

本实用新型的具体方案是：一种多芯光纤错位熔接的透射式光纤温度传感器，其特征是：包括由单模光纤A、多芯光纤和单模光纤B依次熔接为一体的光纤干涉仪；在光纤干涉仪上套装有毛细玻璃管，其中毛细玻璃管的长度大于多芯光纤的长度，毛细玻璃管的两端分别通过密封胶与两个单模光纤密封为一体，在毛细玻璃管内封装有温度敏感性液体；所述单模光纤A和单模光纤B分别作为光源的输入端和输出端，单模光纤A的纤芯与多芯光纤的中心纤芯错位熔接，单模光纤B的纤芯与多芯光纤的中心纤芯同轴熔接。

本实用新型中所述单模光纤A、多芯光纤和单模光纤B依次通过光纤熔接机熔接为一体，单模光纤A的纤芯与多芯光纤的中心纤芯错位熔接时的错位距离为4-6μm。

本实用新型中所述单模光纤A和单模光纤B的包层直径均为125μm，纤芯直径为9μm；所述多芯光纤的长度为13mm，其包层直径为150μm，在包层内分布有1个所述的中心纤芯和6个沿圆周均布的纤芯，7个纤芯的直径均为7.9μm，相邻两个纤芯之间的间距为42.4μm；所述单模光纤A的纤芯与多芯光纤的中心纤芯错位熔接时的错位距离为5μm。

本实用新型中所述毛细玻璃管的长度为5～15cm、内径为500～1200μm、外径为1000～2000μm。

本实用新型中所述温度敏感性液体为异丙醇或酒精，密封胶为AB胶。

本实用新型结构简单、设计巧妙，通过利用由单模光纤A、多芯光纤和单模光纤B依次熔接而成的光纤干涉仪，并将该光纤干涉仪封装于充有温度敏感性液体的毛细玻璃管中，利用光纤干涉仪的高折射率灵敏性和温度敏感性液体的折射率随温度发生显著变化的特性，实现了对温度的测量。该传感器不仅体积小、制作过程简单、制作成本低，具有较高的温度灵敏度，而且由于在光纤干涉仪中采用了多芯光纤，使得该传感器还具备传输信息容量大、温度测量的量程较宽的特点,适用于医学、生物、化工、食品加工等多种应用场合的温度传感测量。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型中多芯光纤的横截面示意图；

图3是本实用新型在对温度进行检测的结构示意图。

图中：1—单模光纤A，2—多芯光纤，3—单模光纤B，4—毛细玻璃管，5—密封胶，6—温度敏感性液体，7—导光单模光纤，8—带宽光源，9—光谱仪，10—可控温度场。

具体实施方式

参见图1，一种多芯光纤错位熔接的透射式光纤温度传感器，包括由单模光纤A1、多芯光纤2和单模光纤B3依次熔接为一体的光纤干涉仪；在光纤干涉仪上套装有毛细玻璃管4，其中毛细玻璃管4的长度大于多芯光纤2的长度，毛细玻璃管4的两端分别通过密封胶5与两个单模光纤密封为一体，在毛细玻璃管4内封装有温度敏感性液体6；所述单模光纤A1和单模光纤B3分别作为光源的输入端和输出端，单模光纤A1的纤芯与多芯光纤2的中心纤芯错位熔接，单模光纤B3的纤芯与多芯光纤2的中心纤芯同轴熔接。

本实施例中所述光纤干涉仪的制备流程如下：

第一步：取一段长度为13mm的多芯光纤，其中多芯光纤的包层直径为150μm，在包层内分布有1个所述的中心纤芯和6个沿圆周均布的纤芯，7个纤芯的直径均为7.9μm，相邻两个纤芯之间的间距为42.4μm，参见图2，将该多芯光纤的两端去除涂敷层，用酒精擦干净，并用切割刀将其两端切割平整；

第二步：取两段相同型号的单模光纤，单模光纤的包层直径均为125μm，纤芯直径为9μm，将这两段单模光纤依次标记为单模光纤A和单模光纤B，并去除这两段单模光纤两端的涂敷层，用酒精擦干净，用切割刀把它们的端面切割平整；

第三步：用光纤熔接机将单模光纤A的端面与多芯光纤其中一端的端面熔接为一体，在熔接时，将单模光纤A的纤芯与多芯光纤的中心纤芯进行错位熔接，错位量控制在5μm；将多芯光纤另一端的端面与单模光纤B的端面熔接为一起，其中在熔接时，多芯光纤的中心纤芯与单模光纤B的纤芯进行同轴熔接。取单模光纤A为光源的输入端，单模光纤B为光源的输出端。

通过上述三个步骤制得光纤干涉仪，该光纤干涉仪也可称之为马赫-曾德干涉仪。在对该光纤干涉仪进行毛细玻璃管液体封装即可制得本实用新型所述的光纤温度传感器，具体实施步骤如下：

第一步：将已制备好的光纤干涉仪穿插进长度为10cm、内径为1000μm、外径为1500μm的毛细玻璃管中，并保证在该光纤干涉仪中，单模光纤A、B与多芯光纤的两个连接处均处于毛细玻璃管中；

第二步：将插有光纤干涉仪的毛细玻璃管竖直放置，在毛细玻璃管上端口径处滴入温度敏感性液体，如异丙醇或酒精液体，该液体在自重作用下会迅速充满毛细玻璃管；

第三步：将毛细玻璃管的两端用密封胶进行密封，密封胶可选用AB胶。

通过上述三个步骤即可制得如图1所示的光纤温度传感器。

上述光纤温度传感器在使用之前需要对其进行定标，操作过程如下：

参见图3，首先，将单模光纤A1和单模光纤B3的两端分别通过导光单模光纤7对应连接带宽光源8和光谱仪9，其中导光单模光纤7为普通的用于光传导的单模光纤。然后，将光纤温度传感器置于可控温度场中，通过改变温度即可获得一系列已知温度下光纤温度传感器的透射光谱的特征峰波长值。应用数学分析，得到特征峰波长值与温度的对应函数关系，即完成了光纤温度传感器的定标。

将定标过的光纤温度传感器置于待测温度场中，根据测量得到的透射光谱的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。

本实用新型实现温度测量是基于以下原理:

定义单模光纤A与多芯光纤一端熔接的部位为第一熔接点，多芯光纤的另一端与单模光纤B熔接的部位为第二熔接点。

由于单模光纤A在与多芯光纤熔接时,人为使多芯光纤的中间纤芯与单模光纤A的纤芯发生5μm的错位偏移,导致在第一熔接点处两根光纤的纤芯没有完全对齐,从而单模光纤A中原本以纤芯模传输的光一部分泄露到多芯光纤的包层中，以包层模的形式传输，而另一部分光耦合进多芯光纤的纤芯中，以纤芯模形式传输；当分别以包层模和纤芯模传输的光在第二熔接点处相遇时，将产生干涉现象，并以耦合的模式从单模光纤B中输出。

由于多芯光纤的包层模与毛细玻璃管中的温度敏感性液体相接触,多芯光纤的包层有效折射率将受到周围液体折射率的影响;由于多芯光纤的纤芯模与毛细玻璃管中的温度敏感性液体不接触,其有效折射率保持恒定。

因此，将两个熔接点及其之间的多芯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。包层模和纤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的波长随多芯光纤的包层有效折射率的变化而变化，也即随着包层周围液体折射率的变化而变化。将此干涉仪浸入温度敏感性液体（异丙醇或酒精）中，由于液体折射率随温度变化而发生显著变化，因此该干涉仪的透射光谱会随环境温度的变化发生线性漂移，通过测量波长的漂移量就可以测量环境温度。由于多芯光纤的直径大于单模光纤直径，多芯光纤与毛细玻璃管内温度敏感性液体的接触面更大，使得该光纤温度传感器对外界温度变化的反应更加敏感，温度测量的量程更宽。另外，单模光纤与多芯光纤错位连接时有一个最佳错位连接点，在该处最容易发生干涉，能够有效提高该光纤温度传感器对温度的灵敏度。

Claims (5)

1.一种多芯光纤错位熔接的透射式光纤温度传感器，其特征是：包括由单模光纤A、多芯光纤和单模光纤B依次熔接为一体的光纤干涉仪；在光纤干涉仪上套装有毛细玻璃管，其中毛细玻璃管的长度大于多芯光纤的长度，毛细玻璃管的两端分别通过密封胶与两个单模光纤密封为一体，在毛细玻璃管内封装有温度敏感性液体；所述单模光纤A和单模光纤B分别作为光源的输入端和输出端，单模光纤A的纤芯与多芯光纤的中心纤芯错位熔接，单模光纤B的纤芯与多芯光纤的中心纤芯同轴熔接。

2.根据权利要求1所述的一种多芯光纤错位熔接的透射式光纤温度传感器，其特征是：所述单模光纤A、多芯光纤和单模光纤B依次通过光纤熔接机熔接为一体，单模光纤A的纤芯与多芯光纤的中心纤芯错位熔接时的错位距离为4-6μm。

3.根据权利要求1或2所述的一种多芯光纤错位熔接的透射式光纤温度传感器，其特征是：所述单模光纤A和单模光纤B的包层直径均为125μm，纤芯直径为9μm；所述多芯光纤的长度为13mm，其包层直径为150μm，在包层内分布有1个所述的中心纤芯和6个沿圆周均布的纤芯，7个纤芯的直径均为7.9μm，相邻两个纤芯之间的间距为42.4μm；所述单模光纤A的纤芯与多芯光纤的中心纤芯错位熔接时的错位距离为5μm。

4.根据权利要求1所述的一种多芯光纤错位熔接的透射式光纤温度传感器，其特征是：所述毛细玻璃管的长度为5～15cm、内径为500～1200μm、外径为1000～2000μm。

5.根据权利要求1所述的一种多芯光纤错位熔接的透射式光纤温度传感器，其特征是：所述温度敏感性液体为异丙醇或酒精，密封胶为AB胶。