CN216433291U - 基于pdms填充悬浮芯光纤的温度传感器和检测系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种基于PDMS填充悬浮芯光纤的温度传感器和检测系统，所述温度传感器包括：悬浮芯光纤、单模光纤；所述悬浮芯光纤的一端与单模光纤熔接，所述悬浮芯光纤的另一端的气孔内填充预设长度的聚二甲基硅氧烷PDMS，所述悬浮芯光纤的熔接面与所述PDMS之间的气孔形成空气腔，所述悬浮芯光纤的熔接面与另一端面之间的纤芯形成石英腔。所述检测系统包括：光源、光纤环形器、传感器和光谱仪；所述光源发出的光束经过所述光纤环形器入射至所述传感器，经过所述传感器反射的光束经过所述光纤环形器传输至所述光谱仪，所述光谱仪检测反射光束的光谱。
Description
技术领域
本实用新型涉及光纤传感领域，尤其涉及一种基于PDMS(聚二甲基硅氧烷)填充悬浮芯光纤的温度传感器。
背景技术
温度作为国际单位制七个基本物理量之一，在国民经济、国防建设和科学研究等领域中温度的准确测量具有举足轻重的作用。随着温度传感应用需求的提高，传统的温度传感器已经无法满足高精度的测量要求。光纤温度传感器具有尺寸小、测量精度高、灵敏度高、抗电磁干扰强、电绝缘性好、温度范围大等诸多优点，在温度测量方面有着自身独特的优势。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术中的缺陷，提供一种基于PDMS填充悬浮芯光纤的温度传感器和检测系统，实现高灵敏度温度测量。
本实用新型的一种基于PDMS填充悬浮芯光纤的温度传感器，包括：悬浮芯光纤、单模光纤；
所述悬浮芯光纤的一端与单模光纤熔接，所述悬浮芯光纤的另一端的气孔内填充预设长度的聚二甲基硅氧烷PDMS，所述悬浮芯光纤的熔接面与所述PDMS之间的气孔形成空气腔，所述悬浮芯光纤的熔接面与另一端面之间的纤芯形成石英腔。
可选地，所述的温度传感器还包括：熔接在所述悬浮芯光纤与所述单模光纤之间的无芯光纤或多模光纤。
可选地，所述无芯光纤或多模光纤与所述悬浮芯光纤为错位熔接，使得经所述单模光纤传输的光束在经过所述无芯光纤或多模光纤后，一部分进入所述石英腔，另一部分进入所述空气腔。
可选地，所述PDMS的长度使得光束进入悬浮芯光纤所述石英腔的光程为所述空气腔光程的n倍，所述n不等于正整数。
可选地，n取值范围为1.9至2.1，且不等于2。
可选地，所述悬浮芯光纤的长度为200-300微米，所述悬浮芯光纤的外径为125微米，纤芯直径为10微米，所述悬浮芯光纤的气孔位于横截面中心，直径为50微米，所述悬浮芯光纤的纤芯位于气孔边缘，部分裸露于空气中。
可选地，所述单模光纤的外径为125微米，纤芯的直径为10微米。
可选地，所述无芯光纤的外径为125微米，长度为50-150微米，所述多模光纤的外径为125微米，长度为50-150微米，纤芯的直径为30-50微米。
可选地，所述错位熔接的错位量为0-30微米。
本实用新型的一种基于PDMS填充悬浮芯光纤的温度检测系统，包括：光源、光纤环形器、基于PDMS填充悬浮芯光纤的温度传感器和光谱仪；
所述光源发出的光束经过所述光纤环形器入射至所述温度传感器，经过所述温度传感器反射的光束经过所述光纤环形器传输至所述光谱仪，所述光谱仪检测反射光束的光谱；所述温度传感器采用上述的温度传感器。
可选地，所述光源为宽谱光源，波长范围为1200nm-1600nm。
实施本实用新型的，具有以下有益效果：
本实用新型提供的基于PDMS填充悬浮芯光纤的温度传感器，传感器将一段悬浮芯光纤的一端与单模光纤熔接，另一端气孔内填充一段PDMS，从而形成石英腔和空气腔，从而双腔产生游标效应来提高温度测量灵敏度。其中采用的聚二甲基硅氧烷(PDMS)是一种非常出色的热敏材料，在温度的作用下会有很强的热胀冷缩效应，凝固后为无色透明的固体，具有很好的透光性和折光性，此外，PDMS还具有良好的粘接性和化学惰性。因此，PDMS非常适合与光纤相结合，用于高灵敏度温度测量。
附图说明
图1是本实用新型实施例的基于PDMS填充悬浮芯光纤的温度传感器的结构示意图；
图2是本实用新型实施例的基于PDMS填充悬浮芯光纤的温度传感器的截面示意图；
图3是本实用新型实施例的基于PDMS填充悬浮芯光纤的温度检测系统的结构示意图；
图4是本实用新型实施例的干涉谱包络产生示意图。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
如图1所示，本实用新型实施例提供一种基于PDMS填充悬浮芯光纤的温度传感器，包括：悬浮芯光纤、单模光纤；
所述悬浮芯光纤的一端与单模光纤熔接，所述悬浮芯光纤的另一端的气孔内填充预设长度的聚二甲基硅氧烷PDMS，所述悬浮芯光纤的熔接面与所述PDMS之间的气孔形成空气腔，所述悬浮芯光纤的熔接面与另一端面之间的纤芯形成石英腔。
本实用新型提供的基于PDMS填充悬浮芯光纤的温度传感器，将一段悬浮芯光纤的一端与单模光纤熔接，另一端气孔内填充一段PDMS，从而形成石英腔和空气腔，从而双腔产生游标效应，利用PDMS的高热膨胀特性和游标效应提高传感器温度测量灵敏度。
本实用新型的温度传感器，还包括：熔接在所述悬浮芯光纤与所述单模光纤之间的无芯光纤或多模光纤。
本实用新型的温度传感器中，所述无芯光纤或多模光纤与所述悬浮芯光纤为错位熔接，使得经所述单模光纤传输的光束在经过所述无芯光纤或多模光纤后，一部分进入所述石英腔，另一部分进入所述空气腔。
本实用新型的温度传感器将单模光纤与无芯光纤或多模光纤的一端熔接，将无芯光纤或多模光纤的另一端与悬浮芯光纤错位熔接；无芯光纤或多模光纤的作用是将入射光扩束，降低熔接时对悬浮芯光纤的错位量精度要求；保证经无芯光纤或多模光纤后一部分光进入悬浮芯光纤的纤芯，而另一部分光进入悬浮芯光纤的气孔。
本实用新型的温度传感器中，可以用无芯光纤或者多模光纤其中之一与悬浮芯光纤错位熔接，多模光纤可以与无芯光纤互换，多模光纤和无芯光纤的作用都是使入射光扩束，降低悬浮芯光纤错位精度控制要求，即降低熔接难度。
本实用新型的温度传感器中，所述PDMS的长度使得光束进入悬浮芯光纤所述石英腔的光程为所述空气腔光程的n倍，所述n不等于正整数。
本实用新型的温度传感器中，n取值范围为1.9至2.1，且不等于2。
本实用新型的温度传感器中，n可以接近2或者接近3或者接近4，由于倍数越大干涉谱包络约复杂，因此，n一般小于4。
所述PDMS的长度使得光束进入悬浮芯光纤所述石英腔的光程约为所述空气腔光程的2倍，范围是1.9-2.1，但不等于2，PDMS热膨胀系数远大于石英光纤，约为0.001，在100℃的温度变化范围内，其膨胀约为0.1微米。
本实用新型的温度传感器向悬浮芯光纤的气孔内注入PDMS，PDMS的长度由悬浮芯光纤的长度决定，保证石英腔的光程约为空气腔光程的2倍。
如图2所示，本实用新型的温度传感器中，所述悬浮芯光纤的长度为200-300微米，所述悬浮芯光纤的外径为125微米，纤芯直径为10微米，所述悬浮芯光纤的气孔位于横截面中心，直径为50微米，所述悬浮芯光纤的纤芯位于气孔边缘，部分裸露于空气中。
本实用新型的温度传感器中，所述单模光纤的外径为125微米，纤芯的直径为10微米。
本实用新型的温度传感器中，所述无芯光纤的外径为125微米，长度为50-150微米。
本实用新型的温度传感器中，所述多模光纤的外径为125微米，长度为50-150微米，纤芯的直径为30-50微米
本实用新型的温度传感器中，所述错位熔接的错位量为0-30微米。
各种光纤的横截面如图2所示，其中，图2(a)为单模光纤的截面图，图2(b)为无芯光纤的截面图，图2(c)为悬浮芯光纤的截面图；单模光纤、无芯光纤、悬浮芯光纤的外径均为125微米，单模光纤和悬浮芯光纤的纤芯直径为10微米，悬浮芯光纤的气孔位于横截面中心，直径为50微米，悬浮芯光纤的纤芯位于气孔边缘，部分裸露于空气中。
结合图1和图2说明本实用新型的温度传感器的制备过程：
a)将单模光纤与无芯光纤熔接，然后将无芯光纤切割，切割后的无芯光纤长度为50-150微米，无芯光纤的作用是将入射光扩束，降低熔接时对悬浮芯光纤的错位量精度要求；
b)将无芯光纤的切割端与悬浮芯光纤错位熔接，错位量为0-30微米，保证经无芯光纤后一部分光进入悬浮芯光纤的纤芯，而另一部分光进入悬浮芯光纤的气孔，然后将悬浮芯光纤切割，切割后的悬浮芯光纤长度为200-300微米；
c)向悬浮芯光纤的气孔内注入PDMS，PDMS的长度由悬浮芯光纤的长度决定，保证石英腔的光程约为空气腔光程的2倍。
结合图1说明本实用新型的温度传感器的光束传输过程：入射光由单模光纤进入无芯光纤，在无芯光纤中扩束(无芯光纤的作用：减小悬浮芯光纤错位熔接时错位量精度要求)；部分入射光被反射面M1反射，而另一部分光进入悬浮芯光纤；进入悬浮芯光纤的入射光在悬浮芯光纤中又分成两束，其中一束在纤芯中传输，另一束在气孔中传输；在悬浮芯光纤的纤芯中传输的光束，被反射面M3反射回单模光纤；在悬浮芯光纤的气孔中传输的光束，被反射面M2反射回单模光纤。因此，反射面M1和M2构成空气腔，反射面M1和M3构成石英腔。其中，石英腔的光程约为空气腔光程的2倍。
如图3所示，本实用新型还提供一种基于PDMS填充悬浮芯光纤的温度检测系统，包括：光源、光纤环形器、基于PDMS填充悬浮芯光纤的温度传感器和光谱仪；
所述光源发出的光束经过所述光纤环形器入射至所述温度传感器，经过所述温度传感器反射的光束经过所述光纤环形器传输至所述光谱仪，所述光谱仪检测反射光束的光谱；所述温度传感器采用上述的温度传感器。
本实用新型的温度检测系统中，所述光源为宽谱光源，波长范围为1200nm-1600nm。
如上所述，空气腔和石英腔干涉谱分别表示为：
其中，λ为入射光波长，Iair(λ)、Isilica(λ)分别表示空气腔和石英腔的干涉谱，A、B、C分别为由反射面M1、M2和M3反射回光谱仪中的反射光的复振幅，L1、L1+L2分别为空气腔和石英腔的长度，nair、nsilica分别为空气腔和石英腔的折射率。空气腔和石英腔构成并联结构，光谱仪接收到的光谱为空气腔和石英腔干涉谱的叠加，表示为：
Iall(λ)＝Iair(λ)+Isilica(λ)
当石英腔的长度光程nsilica(L1+L2)约为空气腔光程nairL1的2倍，但不等于2倍时(即空气腔的自由光谱范围FSR1约为石英腔自由光谱范围FSR2的2倍，但不等于2倍)，并联双腔的干涉谱就会产生包络，如图4所示，图4(a)为空气腔干涉谱，图4(b)为石英腔干涉谱，图4(c)为并联腔干涉谱，图4中FSR1表示空气腔的自由光谱范围，FSR2表示石英腔自由光谱范围，该包络的干涉谱Ienvelope(又)可近似表示为：
其中，M为放大因子。
当温度变化时，空气腔的干涉谱不发生变化，而石英腔的干涉谱会平移。又由于石英腔的自由光谱范围约为空气腔的2倍，但不等于2倍，此时双腔并联干涉谱会产生游标效应，即当石英腔在温度的作用下干涉谱平移时，干涉谱包络的平移量为单个石英腔平移量的M倍，如图4所示。
本实用新型的温度传感器中，PDMS的长度使得光束进入悬浮芯光纤石英腔的光程约为空气腔光程的2倍，这里只能接近2，而不能等于2，越接近2，干涉谱包络越大，或者说自由光谱范围越大，当等于2时，自由光谱范围无限大，相当于没有包络了。另外，接近3倍或4倍都可以，但是倍数越大干涉谱包络约复杂，不容易辨认。
当温度变化时，PDMS热膨胀挤压空气腔，使空气腔的长度发生变化，因此，空气腔的温度灵敏度Sair可表示为：
其中，λm为峰值波长，若取1550nm附近峰值，则λm＝1550nm，αPDMS为PDMS的热膨胀系数，其值约为9.6×10-4/℃。
当温度变化时，石英腔温度灵敏度Ssilica可表示为：
其中，αsilica为悬浮芯光纤的纤芯的热光系数，约为6.7×10-6/℃；βsilica为光纤的热光系数，约为5.5×10-7/℃。
干涉谱包络的温度灵敏度可表示为：
由上式可知，本实用新型提出的温度传感器的温度测量灵敏度受到了游标效应和PDMS高热膨胀特性的双重放大。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于PDMS填充悬浮芯光纤的温度传感器，其特征在于：包括：悬浮芯光纤、单模光纤；
所述悬浮芯光纤的一端与单模光纤熔接，所述悬浮芯光纤的另一端的气孔内填充预设长度的聚二甲基硅氧烷PDMS，所述悬浮芯光纤的熔接面与所述PDMS之间的气孔形成空气腔，所述悬浮芯光纤的熔接面与另一端面之间的纤芯形成石英腔。
2.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于：还包括：熔接在所述悬浮芯光纤与所述单模光纤之间的无芯光纤或多模光纤。
3.根据权利要求2所述的温度传感器，其特征在于：所述无芯光纤或多模光纤与所述悬浮芯光纤为错位熔接，使得经所述单模光纤传输的光束在经过所述无芯光纤或多模光纤后，一部分进入所述石英腔，另一部分进入所述空气腔。
4.根据权利要求1或2所述的温度传感器，其特征在于：所述PDMS的长度使得光束进入悬浮芯光纤所述石英腔的光程为所述空气腔光程的n倍，所述n不等于正整数。
5.根据权利要求4所述的温度传感器，其特征在于：n取值范围为1.9至2.1，且不等于2。
6.根据权利要求1或2所述的温度传感器，其特征在于：所述悬浮芯光纤的长度为200-300微米，所述悬浮芯光纤的外径为125微米，纤芯直径为10微米，所述悬浮芯光纤的气孔位于横截面中心，直径为50微米，所述悬浮芯光纤的纤芯位于气孔边缘，部分裸露于空气中。
7.根据权利要求1或2所述的温度传感器，其特征在于：所述单模光纤的外径为125微米，纤芯的直径为10微米。
8.根据权利要求2或3所述的温度传感器，其特征在于：所述无芯光纤的外径为125微米，长度为50-150微米，所述多模光纤的外径为125微米，长度为50-150微米，纤芯的直径为30-50微米。
9.根据权利要求3所述的温度传感器，其特征在于：所述错位熔接的错位量为0-30微米。
10.一种基于PDMS填充悬浮芯光纤的温度检测系统，包括：光源、光纤环形器、基于PDMS填充悬浮芯光纤的温度传感器和光谱仪；
所述光源发出的光束经过所述光纤环形器入射至所述温度传感器，经过所述温度传感器反射的光束经过所述光纤环形器传输至所述光谱仪，所述光谱仪检测反射光束的光谱；所述温度传感器采用权利要求1至9任一所述的温度传感器。
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
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