CN218211633U - 一种光纤热辐射传感器装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光纤热辐射传感器装置，包括光学测量装置和光纤热辐射探头，所述光纤热辐射探头包括相移布拉格光栅和真空管，所述真空管套设于所述相移布拉格光栅外，将所述相移布拉格光栅真空封装，所述相移布拉格光栅的一端面露出于所述真空管外与所述光学测量装置连接。该光纤热辐射传感器装置具有结构简单、分辨率高、带宽高、灵敏度高及使用寿命长等优势。

Description

一种光纤热辐射传感器装置

技术领域

本实用新型涉及热辐射传感领域，尤其涉及一种光纤热辐射传感器装置。

背景技术

热辐射测量计是一种热能辐射转移过程的量化检测仪器，是用于测量热辐射过程中热辐射迁移量的大小、评价热辐射性能的重要工具。既热辐射的大小表征和热辐射能量转移的程度。换句话说，热辐射测量计是测量热辐射能量传递大小和方向的仪器。热辐射测量计在感测成像系统和通信系统中均具有多种应用。

现有的热辐射测量计主要基于半导体的热电效应，将热辐射信号转化为电信号，通过对电信号进行测量，进而实现对热辐射信号的测量。

如专利号为202210186549.9的中国专利中公开了一种热辐射传感器装置，所述热辐射传感器装置从下到上依次包括：基板、底部连接电路、热电柱、顶部连接电路和热辐射吸收层，所述热电柱是由以自由离子为主要载流子的离子导体制成的离子热电柱。

现有热辐射测量计的主要缺点在于分辨率低和带宽窄，分辨率仅能达到微米级别，而制备涵盖1μm到10μm波长范围的热辐射传感器的难度极大，主要由于热辐射传感器的敏感元件的敏感速度与灵敏度与热敏电阻相反。热辐射传感器的带宽和灵敏度是通信领域中的关键指标，而通信的常用波段是1550nm的波长。此外，灵敏度对于成像应用非常重要，并且带宽对高速成像很重要。因此，兼具高灵敏度和高带宽的热辐射测量计是众多领域的迫切需要。

实用新型内容

为了解决上述现有技术的不足，本实用新型提供一种光纤热辐射传感器装置，具有结构简单、分辨率高、带宽高、灵敏度高及使用寿命长等优势。

本实用新型所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：

一种光纤热辐射传感器装置，包括光学测量装置和光纤热辐射探头，所述光纤热辐射探头包括相移布拉格光栅和真空管，所述真空管套设于所述相移布拉格光栅外，将所述相移布拉格光栅真空封装，所述相移布拉格光栅的一端面露出于所述真空管外与所述光学测量装置连接。

进一步地，所述相移布拉格光栅包括光纤FBG和光纤FPI，所述光纤FBG包括第一端面和第二端面，所述光纤FBG的第一端面露出于所述真空管外与所述光学测量装置连接，所述光纤FBG的第二端面与所述光纤FPI连接。

进一步地，所述光纤FBG包括单模光纤和布拉格光栅，所述布拉格光栅形成于所述单模光纤内；所述光纤FPI包括所述单模光纤的第二端面、光学微腔和谐振薄膜，所述单模光纤的第二端面连接于所述光学微腔的一端上，所述谐振薄膜制作于所述光学微腔的另一端上；所述布拉格光栅与所述光学微腔之间的距离小于所述布拉格光栅的光栅周期，且所述布拉格光栅所形成的反射光强与所述谐振薄膜所形成的反射光强相同，以使所述光纤FBG和光纤FPI共同形成所述相移布拉格光栅。

进一步地，所述布拉格光栅与所述谐振薄膜之间的距离满足π相位变化。

进一步地，所述谐振薄膜包括石墨烯膜和纳米金膜，所述纳米金膜形成于所述石墨烯膜上。

进一步地，所述谐振薄膜包括固定区域、谐振区域及多个悬挂区域，所述固定区域附着固定于所述光学微腔的腔壁上，所述谐振区域悬空于所述光学微腔上且与所述单模光纤的纤芯相对应；各个悬挂区域连接于所述谐振区域和固定区域之间，相邻的悬挂区域之间为镂空区域，所述光学微腔从所述镂空区域中露出。

进一步地，所述真空管的内部气压小于5*10^^-4mbar。

进一步地，所述光学测量装置包括激励激光器、信号发生器、电光调制器、检测激光器、光纤耦合器、光纤环形器、带通滤波器、光电探测器和频谱仪，所述光纤耦合器具有第一入射端、第二入射端和出射端，所述光纤环形器具有入射端、反射端和透射端，所述激励激光器通过所述电光调制器连接至所述光纤耦合器的第一入射端，所述检测激光器连接至所述光纤耦合器的第二入射端，所述光纤耦合器的出射端连接至所述光纤环形器的入射端，所述光电探测器通过所述带通滤波器连接至所述光纤环形器的反射端；所述信号发生器连接控制所述电光调制器，所述频谱仪连接控制所述光电探测器。

进一步地，所述检测激光器所发射的检测光信号具有第二波长，所述检测光信号的第二波长等于所述相移布拉格光栅的相移波长。

进一步地，所述检测激光器与所述光纤耦合器的第二入射端之间还连接有光学隔离器。

本实用新型具有如下有益效果：该光纤热辐射传感器装置通过所述相移布拉格光栅对热辐射信号进行传感，当环境热辐射信号发生变化时，所述相移布拉格光栅的反射频谱会发生波峰漂移，通过所述反射频谱中的波峰漂移即可实现对热辐射信号的测量；而采用所述真空管对所述相移布拉格光栅进行真空封装，则可利用所述真空管内部的真空环境将所述相移布拉格光栅与外界环境隔绝，使得热量无法通过热传导和热对流的方式作用在所述相移布拉格光栅上，避免热传导和热对流对热辐射信号的传感产生影响。

附图说明

图1为本实用新型提供的光纤热辐射传感器装置的原理示意图；

图2为本实用新型提供的光纤热辐射传感器装置中光纤热辐射探头的结构示意图；

图3为本实用新型提供的一光纤热辐射传感器装置中相移布拉格光栅的等效示意图；

图4为本实用新型提供的另一光纤热辐射传感器装置中光纤热辐射探头的结构示意图；

图5为本实用新型提供的又一光纤热辐射传感器装置中光纤热辐射探头的结构示意图；

图6为本实用新型提供的光纤热辐射传感器装置中光纤热辐射探头的结构示意图；

图7为本实用新型提供的光纤热辐射传感器装置中谐振薄膜的平面示意图；

图8为本实用新型提供的光纤热辐射传感器装置中光学测量装置的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的说明，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“设置”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

实施例一

一种光纤热辐射传感器装置，如图1和2所示，包括光学测量装置和光纤热辐射探头10，所述光纤热辐射探头10包括相移布拉格光栅和真空管103，所述真空管103套设于所述相移布拉格光栅外，将所述相移布拉格光栅真空封装；所述相移布拉格光栅的一端面露出于所述真空管103外与所述光学测量装置连接。

该光纤热辐射传感器装置通过所述相移布拉格光栅对热辐射信号进行传感，当环境热辐射信号发生变化时，所述相移布拉格光栅的反射频谱会发生波峰漂移，通过所述反射频谱中的波峰漂移即可实现对热辐射信号的测量；而采用所述真空管103对所述相移布拉格光栅进行真空封装，则可利用所述真空管103内部的真空环境将所述相移布拉格光栅与外界环境隔绝，使得热量无法通过热传导和热对流的方式作用在所述相移布拉格光栅上，避免热传导和热对流对热辐射信号的传感产生影响。

所述相移布拉格光栅包括光纤FBG 101和光纤FPI 102，所述光纤FBG 101包括第一端面和第二端面，所述光纤FBG 101的第一端面露出于所述真空管103外与所述光学测量装置连接，所述光纤FBG 101的第二端面与所述光纤FPI 102连接。

在对热辐射信号进行传感时，所述光学测量装置将具有第一波长的激励光信号和具有第二波长的检测光信号同时耦合进所述光纤热辐射探头10内，所述激励光信号经过所述光纤FBG 101后，进入到所述光纤FPI 102内，以驱动所述光纤FPI 102产生谐振运动，而所述检测光信号经过所述光纤FBG 101后，进入到所述光纤FPI 102内，受到所述光纤FPI102的谐振调制后被反射出来，再重新经过所述光纤FBG 101，最终被所述光学测量装置采集；由于受到了所述光纤FPI 102的谐振调制，被反射回来的检测光信号中带有所述光纤FPI 102的谐振信息，表现为其反射频谱上有一谐振波峰；同时，通过所述光纤FPI 102的调制反射，检测光信号两次经过所述光纤FBG 101，如图3所示，等效于在所述光纤FPI 102的另一端上形成与所述光纤FBG 101完全相同的一虚拟FBG 101’，而所述光纤FPI 102则相当于插入到所述光纤FBG 101和虚拟FBG 101’之间的相移点，使原本均匀的光纤FBG 101和虚拟FBG 101’发生相移突变，所述相移布拉格光栅会在所述检测光信号的反射频谱上形成一相移波峰；谐振波峰和相移波峰在所述反射频谱上叠加形成的反射波峰可以实现更精密和更微弱信号的测量。

当热辐射信号作用在所述光纤FPI 102上时，所述光纤FPI 102受热而发生谐振变化，进而改变了对检测光信号的调制程度，导致所述谐振波峰发生漂移，同时所述光纤FPI102的谐振变化也会改变所述相移布拉格光栅的相移，导致所述相移波峰发生漂移，谐振波峰和相移波峰的漂移叠加放大了反射波峰的漂移量。通过所述反射波峰的位置，可计算出热辐射信号的大小，通过所述反射波峰的的漂移量，可计算出热辐射信号的变化。

该光纤热辐射传感器装置通过所述光纤FBG 101与所述光纤FPI 102配合形成所述相移布拉格光栅，放大了谐振波峰的漂移，可实现更精密和更微弱信号的测量，当所述检测光信号的第二波长等于所述相移布拉格光栅的相移波长时，所述谐振波峰的漂移最大；同时所述光纤FBG 101提高了所述FPI 102入射时的反射率，增强了所述光纤FPI 102的腔光耦合效率，提高了反射频谱的锐利度。

所述光纤FBG 101包括单模光纤104和布拉格光栅105，所述布拉格光栅105形成于所述单模光纤104内；所述光纤FPI 102包括所述单模光纤104的第二端面、光学微腔106和谐振薄膜107，所述单模光纤104的第二端面连接于所述光学微腔106的一端上，所述谐振薄膜107形成于所述光学微腔106的另一端上；所述布拉格光栅105与所述光学微腔106之间的距离小于所述布拉格光栅105的光栅周期，且所述布拉格光栅105所形成的反射光强与所述谐振薄膜107所形成的反射光强相同，以使所述光纤FBG 101和光纤FPI 102共同形成所述相移布拉格光栅。

当所述布拉格光栅105(朝向所述光学微腔106的一端)与所述光学微腔106(朝向所述布拉格光栅105的一端)之间的距离小于所述布拉格光栅105的光栅周期，且所述布拉格光栅105所形成的反射光强与所述谐振薄膜107所形成的反射光强相同时，所述光纤FBG101、光学微腔106和虚拟FBG 101'等效于所述相移布拉格光栅。

所述单模光纤104为所述光纤FBG 101和光纤FPI 102的共同元件，所述光纤FBG101以所述单模光纤104作为载体，通过对所述单模光纤104的内部进行折射率调制，以形成所述布拉格光栅105；所述光纤FPI 102以所述单模光纤104的第二端面作为一反射面，直接在所述单模光纤104的第二端面上制作所述光学微腔106和谐振薄膜107。

所述单模光纤104的第二端面以及所述谐振薄膜107构成了所述光纤FPI 102的两个反射面，检测光信号在经过所述单模光纤104的第二端面时，发生第一次反射，在抵达所述谐振薄膜107时，再发生第二次反射，两次反射的检测光信号发生干涉而在反射频谱中形成一谐振波峰；所述谐振薄膜107在受到热辐射信号作用时，由于其热应力发生改变，其谐振状态也发生变化，进而改变了对检测光信号的第二次反射，使检测光信号的调制程度发生改变。

本实施例中，所述光学微腔106的腔长为10-200μm之间。

一般地，所述布拉格光栅105与所述谐振薄膜107之间的距离满足π相位变化，以形成π相移光纤光栅，更好地提高所述光纤FPI 102的腔光耦合效率。

所述单模光纤104包括纤芯108和包层109，所述包层109环绕包裹在所述纤芯108的外周上，所述纤芯108与所述包层109的折射率不同，使得光信号可在所述纤芯108与所述包层109的交界处发生全反射，进而在所述纤芯108内向前传输。

所述单模光纤104的包层109与所述光学微腔106的腔壁112相连接，所述单模光纤104的纤芯108与所述光学微腔106相连接，但所述光学微腔106的径向应当大于所述纤芯108的直径；所述布拉格光栅105形成于所述单模光纤104的纤芯108内，根据具体需求，所述布拉格光栅105也可延伸至单模光纤104的包层109上。

在一具体实现方式中，如图4所示，所述光学微腔106由与所述单模光纤104的第二端面相接的一空心管117(石英管或空芯光纤)形成，如采用熔接法将所述单模光纤104的第二端面与所述空心管117的一端面相熔接，将所述空心管117的管腔作为所述光学微腔106，所述空心管117的管壁作为所述光学微腔106的腔壁112；所述谐振薄膜107形成于所述空心管117的另一端面上。

在另一具体实现方式中，如图5所示，所述光学微腔106由形成于所述单模光纤104的第二端面上的聚合物微结构118形成，如采用双光子聚合法在所述单模光纤104的第二端面上制作带所述光学微腔106的聚合物微结构118，将所述聚合物微结构118作为所述光学微腔106的腔壁112；所述谐振薄膜107形成于所述聚合物微结构118上。

在又一具体实现方式中，如图6所示，所述光学微腔106由所述单模光纤104的第二端面内凹形成，如采用激光烧蚀湿法刻蚀法直接对所述单模光纤104的第二端面进行刻蚀，以在第二端面的纤芯108处形成向内凹陷的光学微腔106，所述单模光纤104在其第二端面上的包层109作为所述光学微腔106的腔壁112；所述谐振薄膜107形成于所述单模光纤104的第二端面上。

所述真空管103的一端与所述光纤FBG 101的单模光纤104相熔接，另一端熔融封口。

本实施例中，所述真空管103为硅毛细管，其内径在250±6μm之间(大于所述单模光纤104的外径)，其内部气压小于5*10^^-4mbar。

如图8所示，所述光学测量装置包括激励激光器1、信号发生器3、电光调制器2、检测激光器4、光纤耦合器5、光纤环形器6、带通滤波器7、光电探测器8和频谱仪9，所述光纤耦合器5具有第一入射端、第二入射端和出射端，所述光纤环形器6具有入射端、反射端和透射端，所述激励激光器1通过所述电光调制器2连接至所述光纤耦合器5的第一入射端，所述检测激光器4连接至所述光纤耦合器5的第二入射端，所述光纤耦合器5的出射端连接至所述光纤环形器6的入射端，所述光电探测器8通过所述带通滤波器7连接至所述光纤环形器6的反射端，所述光纤FBG 101(单模光纤104)的第一端面连接至所述光纤环形器6的透射端；所述信号发生器3连接控制所述电光调制器2，所述频谱仪9连接控制所述光电探测器8。

所述激励激光器1向所述电光调制器2发射具有第一波长的激励光信号，所述检测激光器4向所述光纤耦合器5发射具有第二波长的激励光信号，然后所述电光调制器2在所述信号发生器3的周期性信号下对所述激励光信号的光强进行调制，使所述激励光信号的光强呈周期性变化进入到所述光纤耦合器5内，并与所述检测光信号耦合后进入到所述光纤热辐射探头10内。

本实施例中，所述光纤耦合器5为90:10耦合器，即耦合时，所述激励光信号占总体光信号的90％，所述检测光信号占总体光信号的10％。

优选地，所述检测激光器4所发射的检测光信号具有第二波长，所述检测光信号的第二波长等于所述相移布拉格光栅的相移波长。

优选地，所述检测激光器4与所述光纤耦合器5的第二入射端之间还连接有光学隔离器11，所述光学隔离器11仅允许所述检测光信号从所述检测激光器4传输至所述光纤耦合器5，而不允许所述检测光信号从所述光纤耦合器5传输至所述检测激光器4，以避免所述检测光信号在传输过程中被反射折返至所述检测激光器4处而导致所述检测激光器4损坏。

耦合进所述光纤热辐射探头10内的激励光信号作用在所述谐振薄膜107上时，所述谐振薄膜107由于受到光强周期性变化的激励光信号照射，从而产生周期性变化的热膨胀或收缩，受迫形成谐振运动。

耦合进所述光纤热辐射探头10内的检测光信号受所述谐振薄膜107的调制反射后，带有所述谐振薄膜107的谐振信息。被所述光纤热辐射探头10反射回来的检测光信号重新进入到所述光纤环形器6内，然后从所述光纤环形器6的反射端通过所述带通滤波器7被所述光电探测器8捕获。所述光电探测器8将被反射回来的检测光信号转换为对应的电信号后提供给所述频谱仪9，所述频谱仪9输出相应的反射频谱。

所述带通滤波器7用于将被反射回来的检测光信号中掺杂的激励光信号滤除。

实施例二

作为实施例一的优化方案，在本实施例中，如图2所示，所述谐振薄膜107包括石墨烯膜110和纳米金膜111，所述纳米金膜111形成于所述石墨烯膜110上。

所述石墨烯膜110用于在所述激励光信号的作用下产生谐振运动，并对所述检测光信号进行调制反射，而所述纳米金膜111则用于提高所述谐振薄膜107的反射率，以弥补所述石墨烯膜110反射率不足的缺陷。

本实施例中，所述石墨烯膜110的厚度为0.3-5.0nm之间，可以采用单层、双层或多层石墨烯结构；所述纳米金膜111的厚度为5-200nm之间。

实施例三

作为实施例一或实施例二的优化方案，在本实施例中，如图3所示，所述谐振薄膜107包括固定区域113、谐振区域114及多个悬挂区域115，所述固定区域113附着固定于所述光学微腔106的腔壁112上，所述谐振区域114悬空于所述光学微腔106上且与所述单模光纤104的纤芯108相对应；各个悬挂区域115连接于所述谐振区域114和固定区域113之间，相邻的悬挂区域115之间为镂空区域116，所述光学微腔106从所述镂空区域116中露出。

所述谐振薄膜107通过所述镂空区域116将所述光学微腔106露出，以使所述光学微腔106与所述真空管103处于同一气压值，避免所述光学微腔106与所述真空管103之间的气压差对所述谐振薄膜107的谐振运动产生影响，以提高传感精度；同时降低所述固定区域113与所述谐振区域114之间的连接应力，提到所述谐振区域114对热辐射信号的敏感速率和灵敏度。

本实施例中，所述镂空区域116为圆形，数量为四个，均匀分布于所述谐振区域114的外围圆周上，通过改变所述谐振薄膜107的形状和尺寸，可以改变所述谐振薄膜107对热辐射信号的敏感速率和灵敏度。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型实施例的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本实用新型实施例的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本实用新型实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种光纤热辐射传感器装置，其特征在于，包括光学测量装置和光纤热辐射探头，所述光纤热辐射探头包括相移布拉格光栅和真空管，所述真空管套设于所述相移布拉格光栅外，将所述相移布拉格光栅真空封装，所述相移布拉格光栅的一端面露出于所述真空管外与所述光学测量装置连接。

2.根据权利要求1所述的光纤热辐射传感器装置，其特征在于，所述相移布拉格光栅包括光纤FBG和光纤FPI，所述光纤FBG包括第一端面和第二端面，所述光纤FBG的第一端面露出于所述真空管外与所述光学测量装置连接，所述光纤FBG的第二端面与所述光纤FPI连接。

3.根据权利要求2所述的光纤热辐射传感器装置，其特征在于，所述光纤FBG包括单模光纤和布拉格光栅，所述布拉格光栅形成于所述单模光纤内；所述光纤FPI包括所述单模光纤的第二端面、光学微腔和谐振薄膜，所述单模光纤的第二端面连接于所述光学微腔的一端上，所述谐振薄膜制作于所述光学微腔的另一端上；所述布拉格光栅与所述光学微腔之间的距离小于所述布拉格光栅的光栅周期，且所述布拉格光栅所形成的反射光强与所述谐振薄膜所形成的反射光强相同，以使所述光纤FBG和光纤FPI共同形成所述相移布拉格光栅。

4.根据权利要求3所述的光纤热辐射传感器装置，其特征在于，所述布拉格光栅与所述谐振薄膜之间的距离满足π相位变化。

5.根据权利要求3所述的光纤热辐射传感器装置，其特征在于，所述谐振薄膜包括石墨烯膜和纳米金膜，所述纳米金膜形成于所述石墨烯膜上。

6.根据权利要求3或5所述的光纤热辐射传感器装置，其特征在于，所述谐振薄膜包括固定区域、谐振区域及多个悬挂区域，所述固定区域附着固定于所述光学微腔的腔壁上，所述谐振区域悬空于所述光学微腔上且与所述单模光纤的纤芯相对应；各个悬挂区域连接于所述谐振区域和固定区域之间，相邻的悬挂区域之间为镂空区域，所述光学微腔从所述镂空区域中露出。

7.根据权利要求1所述的光纤热辐射传感器装置，其特征在于，所述真空管的内部气压小于5*10^^-4mbar。

8.根据权利要求1所述的光纤热辐射传感器装置，其特征在于，所述光学测量装置包括激励激光器、信号发生器、电光调制器、检测激光器、光纤耦合器、光纤环形器、带通滤波器、光电探测器和频谱仪，所述光纤耦合器具有第一入射端、第二入射端和出射端，所述光纤环形器具有入射端、反射端和透射端，所述激励激光器通过所述电光调制器连接至所述光纤耦合器的第一入射端，所述检测激光器连接至所述光纤耦合器的第二入射端，所述光纤耦合器的出射端连接至所述光纤环形器的入射端，所述光电探测器通过所述带通滤波器连接至所述光纤环形器的反射端；所述信号发生器连接控制所述电光调制器，所述频谱仪连接控制所述光电探测器。

9.根据权利要求8所述的光纤热辐射传感器装置，其特征在于，所述检测激光器所发射的检测光信号具有第二波长，所述检测光信号的第二波长等于所述相移布拉格光栅的相移波长。

10.根据权利要求8或9所述的光纤热辐射传感器装置，其特征在于，所述检测激光器与所述光纤耦合器的第二入射端之间还连接有光学隔离器。

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