CN208595984U - 一种高灵敏度光纤温度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种高灵敏度光纤温度传感器,由单模调频连续波激光器、光纤耦合器、光纤温度传感探头、光电探测器以及数字处理电路构成，其中，光纤温度传感探头由设置于金属管内的单模光纤、陶瓷插芯、准直透镜、两个相互平行并与准直透镜出光方向垂直的反射镜构成，其中第一个介质反射镜为部分反射镜，金属管的线性伸缩导致介质反射镜之间的间距线性变化，从而造成量反射镜两反射光之间光程差的线性变化，由于入射激光为线性调频连续波激光，因此会产生一个初相位与温度之间呈线性关系的拍频干涉信号，该信号由光电探测器接收，并由数字处理单元鉴相处理，通过温度标度因数计算得到实际温度值。该温度传感器具有灵敏度高、测量准确的优点。

Description

一种高灵敏度光纤温度传感器

技术领域

本实用新型涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种高灵敏度光纤温度传感器。

背景技术

光纤传感器用于温度传感，具有体积小、灵敏度高、可以远程测量、抗电磁干扰等优点，尤其是通过特殊设计，使用碳化硅、蓝宝石等耐高温材料，可以用于常规电子式温度传感器无法适应的极端高温环境。

现有光纤温度传感器主要有光纤光栅型温度传感器、光纤荧光温度传感器、光纤强度型温度传感器、光纤偏振型温度传感器和光纤干涉型温度传感器等几种类型。其中，光纤光栅型温度传感器利用在光纤纤芯上以紫外光结合相位掩模技术制作的布拉格光栅反射的中心波长随温度的变化关系来实现温度测量。光纤光栅型温度传感器，需要高分辨率的波长解调技术，才能够实现较高的温度分辨率，其对波长解调的分辨率通常要达到皮米(pm)量级，对解调技术的要求较为苛刻，因此相对解调成本较高。光纤荧光温度传感器则利用荧光光纤内荧光工作物质在受激后荧光寿命或荧光强度比与温度相关的特性实现对环境温度的测量。光纤强度型温度传感器和光纤偏振型温度传感器则分别利用特殊的光纤强度型和偏振型温度传感探头，使温度对其中传播光的强度或偏振产生调制，来实现对温度的传感测量，不过，光纤荧光温度传感器、光纤强度型温度传感器和光纤偏振型温度传感器对温度测量的精确度通常不高。而光纤干涉型温度传感器，由于通过温度对在光纤干涉仪（光纤迈克尔逊干涉仪、光纤马赫-增德尔干涉仪、光纤萨格纳克干涉仪、光纤法布里-珀罗干涉仪）中光学干涉信号相位的调制效应实现温度传感，通过高精度的鉴相测量机制，温度测量的精度非常高。

对于光纤干涉型温度传感器，通常可采白光干涉法或者激光干涉法。白光干涉法，采用宽带光源作为照射光源，使用光谱分析器件采集反射或者透射光谱，由光谱信息解算干涉光束光程差，最终由温度标定因数获得温度信息。激光干涉法，使用单波长激光或者双波长激光作为照射光源，以光电探测器接收透射或反射光强，并计算干涉光波相位变化，解算温度信息。不过白光干涉法，需要使用精密的光谱分析器件或模块，因此相对成本较高，而激光干涉法，其测量需要精确设定参考工作点，量程受线性范围限制，并且激光波长漂移，会来带参考工作点的改变，从而对最终测量结果产生不利影响。

使用线性调频连续波激光作为光源，通过光电探测器测量温度敏感型光纤干涉仪输出的动态拍频干涉信号测量温度，则可以克服上述缺点。中国计量大学的郑万福等人在文献（Zheng W, Xie J, Li Y, et al. A fiber air-gap Fabry–Pérot temperaturesensor demodulated by using frequency modulated continuous wave[J]. OpticsCommunications, 2014, 324(324):234-237.）中使用HF在光纤端面刻蚀出凹形曲面，然后与一段数厘米长的光纤熔接，溶解后，在熔接点位置产生一个空气泡，由此制作了简单的光纤法布里-珀罗干涉仪。他们利用该光纤法布里-珀罗干涉仪对温度的敏感特性，结合调频连续波激光干涉的方法，实现了高灵敏度的温度传感。但是实践发现，该温度传感器存在着下述的问题：1、该温度传感器中构成光纤温度传感探头的光纤本身为玻璃材质，石英的热膨胀系数不高，导致其温度测量灵敏度不高；2、光纤本身较为脆弱，尤其是在较高温度下，涂覆层碳化剥落，丧失涂覆层保护的石英光纤与空气接触，会发生脆化，影响了这种温度传感器在较高温度下的可靠性。

实用新型内容

为解决现有调频连续波激光干涉光纤温度传感器中面临的问题，本申请提供一种结合非本征型法珀腔干涉仪与光纤准直耦合技术的高灵敏度光纤温度传感器。

为达到本实用新型的目的，本实用新型的技术方案如下：

一种高灵敏度光纤温度传感器,由单模调频连续波激光器，1×2光纤耦合器，光纤温度传感探头，光电探测器和信号处理电路构成，其特征在于：所述单模调频连续波激光器与1×2光纤耦合器的一个输入端通过单模光纤相连，光电探测器与1×2光纤耦合器的另一个输入端通过单模光纤相连，光电探测器同时通过金属导线与信号处理电路相连；1×2光纤耦合器的输出端与光纤温度传感探头相连，所述光纤温度传感探头，由金属管内依次固定设置的陶瓷插芯、准直透镜、两个相互平行的第一反射镜和第二反射镜组成，第一反射镜和第二反射镜与准直透镜的出光光路垂直设置，第一反射镜为部分反射镜，所述陶瓷插芯轴向穿设有单模光纤，单模光纤一端与陶瓷插芯内侧端面齐平设置，另一端延伸出金属管，光纤耦合器的输出端与光纤温度传感探头上单模光纤的延伸端相连。

上述金属管的截面为圆形。

上述光纤温度传感探头中的金属管为不锈钢或铝合金。

上述陶瓷插芯内侧端面上的单模光纤的端面及准直透镜光路上的两个端面均镀有减反射介质膜。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：

1.灵敏度高：本实用新型提供了一种新的光纤温度传感探头，该部件使用金属套管配合两面反射镜，将温度变化通过金属套管长度的线性长度，转化为调频连续波激光干涉信号初相位的线性变化，从而可以利用金属套管较高的热膨胀系数实现高灵敏度的温度传感测量。由于对温度敏感的金属套管直接与外部环境接触，并且具有良好的导热性，使得该传感器对温度变化有极高的响应速度，从而大幅提高了灵敏度；

2.可靠性高：使用陶瓷插芯与准直透镜，将光纤中传播的调频连续波激光转换为自由空间中的准直光束，使该光束垂直照射固定于金属套管中的实现温度敏感测量的两面反射镜，两面反射镜的位置可以远离准直透镜表面，因而可以用于高温传感测量，而不至于使陶瓷插芯外部单模光纤的涂覆层由于高温受到破坏，造成单模光纤脆化断裂，导致传感器失效的问题。

附图说明

图1是本实用新型的原理简图；

图2是本实用新型所提出的光纤温度传感探头的结构示意图；

图3是本实用新型所提出的高灵敏度光纤温度传感器温度测量测试结果。

图中，1-单模调频连续波激光器，2-1×2光纤耦合器，3-光纤温度传感探头，4-光电探测器，5-信号处理电路，6-单模光纤，7-陶瓷插芯，8-准直透镜，9-第一反射镜，10-金属管，11-第二反射镜。

具体实施方式：

下面将结合附图和实施例对本实用新型进行详细地描述。

参见图1和图2，一种高灵敏度光纤温度传感器,由单模调频连续波激光器1，1×2光纤耦合器2，光纤温度传感探头3，光电探测器4和信号处理电路5构成。所述单模调频连续波激光器1与光纤耦合器2的一个输入端通过单模光纤相连，光电探测器4与1×2光纤耦合器2的另一个输入端通过单模光纤相连，光电探测器4同时通过金属导线与信号处理电路5相连；1×2光纤耦合器2的输出端与光纤温度传感探头3相连，所述光纤温度传感探头3，由金属管10内依次固定设置的陶瓷插芯7、准直透镜8、两个相互平行的第一反射镜9和第二反射镜11组成，所述金属管10的截面为圆形，为不锈钢制品。第一反射镜9和第二反射镜11与准直透镜8的出光光路垂直设置，第一反射镜9为部分反射镜，所述陶瓷插芯7轴向穿设有单模光纤6，单模光纤6一端与陶瓷插芯7内侧端面齐平设置，另一端延伸出金属管10，光纤耦合器2的输出端与光纤温度传感探头3上单模光纤6的延伸端相连。所述陶瓷插芯7内侧端面上的单模光纤6的端面及准直透镜8光路上的两个端面均镀有减反射介质膜。

上面所说的陶瓷插芯7和第二反射镜11位于金属管10的两端。所说的第一反射镜9为部分反射镜，第二反射镜11为部分反射镜或全反射镜。这两个反射镜构成非本征型法珀腔干涉仪。

金属圆管10长度随温度线性变化，使得两反射镜反射光之间光程差的线性变化，叠加产生初相位随温度线性变化的拍频干涉信号被光电探测器4接收，并由信号处理电路5鉴相处理，通过温度标度因数计算得到实际温度值。

本实用新型的基本原理是：光纤温度传感探头中的金属圆管长度随温度线性变化，使得两反射镜反射光之间光程差线性变化，因此第一反射镜与第二反射镜反射的调频连续波激光相互叠加，产生初相位随温度线性变化的动态拍频干涉信号，该信号被光电探测器接收，由信号处理电路鉴相处理后由温度标度因数即可计算得到实际温度值。由于采用了鉴相方式，实现温度的传感测量，因此具有较高的温度测量灵敏度。

具体地说明如下：所述单模调频连续波激光器1通过电流直接调制的方式发射一束线性调频连续波激光信号，该信号通过光纤耦合器2耦合进入光纤温度传感探头，在光纤温度传感探头中线性调频连续波激光信号由陶瓷插芯7前端的光纤端面耦合为空间光，并由准直透镜3转化为准直光束，该准直光束经过第一反射镜9后，部分反射，部分透射，部分透射的激光光束照射第二反射镜11后再次被反射，由第一反射镜9与第二反射镜11反射的激光光束，相互叠加，并形成拍频激光干涉信号，该拍频激光干涉信号由准直透镜8聚焦，并由陶瓷插芯7前端的光纤端面回到单模光纤6，部分拍频激光干涉信号通过光纤耦合器2的另外一个输入端口由单模光纤耦合至光电探测器4，光电探测器4将接收到的拍频激光干涉信号转化为电信号，最后由信号处理电路5鉴相处理，并由温度标度因数计算得到实际温度。

假定第一反射镜9反射的光平均光强为，第二反射镜11反射的光平均光强为，则拍频信号光强

其中，，为拍频信号的对比度，并且，为光学频率调制宽度，为调制信号的频率，为光速，为时间，为光波在真空中的波长，为拍频信号频率，为拍频信号初相位，为两反射光之间的光程差。显然

对于该调频连续波激光干涉温度传感器，由于两反射镜之间为空气，光程差，其中为第一反射镜9与第二反射镜11之间的间距。拍频信号的初相位可以写为

当外部温度发生变化时，金属管随之发生线性伸缩变化，从而第一反射镜与第二反射镜之间的间距随温度线性变化，假设两反射镜间距变化量为，

对应拍频信号初相位的偏移量为

因此，有

调频连续波拍频信号由光电探测器转化为电信号，并由信号处理电路鉴相处理，通过测量初相位的偏移量即得到两反射镜间距的相对变化量。两反射镜间距的相对变化量，与温度呈良好线性关系，如图3所示，对该传感器进行标定，由温度标定因数，即可得到实际环境中的温度，实现温度的传感测量。通过数据拟合，温度没变化1℃，相应腔长改变1455.9nm，目前所采用信号处理电路鉴相算法对腔长的解算精度为10nm，因此相应温度的传感分辨可达0.0071℃。

Claims (4)

1.一种高灵敏度光纤温度传感器,由单模调频连续波激光器（1），1×2光纤耦合器（2），光纤温度传感探头（3），光电探测器（4）和信号处理电路（5）构成，其特征在于：所述单模调频连续波激光器（1）与1×2光纤耦合器（2）的一个输入端通过单模光纤相连，光电探测器（4）与1×2光纤耦合器（2）的另一个输入端通过单模光纤相连，光电探测器（4）同时通过金属导线与信号处理电路（5）相连；1×2光纤耦合器（2）的输出端与光纤温度传感探头（3）相连，所述光纤温度传感探头（3），由金属管（10）内依次固定设置的陶瓷插芯（7）、准直透镜（8）、两个相互平行的第一反射镜（9）和第二反射镜（11）组成，第一反射镜（9）和第二反射镜（11）与准直透镜（8）的出光光路垂直设置，第一反射镜（9）为部分反射镜，所述陶瓷插芯（7）轴向穿设有单模光纤（6），单模光纤（6）一端与陶瓷插芯（7）内侧端面齐平设置，另一端延伸出金属管（10），光纤耦合器（2）的输出端与光纤温度传感探头（3）上单模光纤（6）的延伸端相连。

2.如权利要求1所述的一种高灵敏度光纤温度传感器，其特征在于：所述金属管（10）的截面为圆形。

3.如权利要求1或2所述的一种高灵敏度光纤温度传感器，其特征在于：所述光纤温度传感探头（3）中的金属管（10）为不锈钢或铝合金。

4.如权利要求3所述的一种高灵敏度光纤温度传感器，其特征在于：所述陶瓷插芯（7）内侧端面上的单模光纤（6）的端面及准直透镜（8）光路上的两个端面均镀有减反射介质膜。