一種簡(jiǎn)易的高靈敏度光纖溫度傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種簡(jiǎn)易、廉價(jià)的溫度傳感器，該溫度傳感器僅需要將一段帶涂覆層的單模光纖彎折并用膠固定成液滴狀即可，光纖彎曲將引起單模光纖雙折射率的提高，當(dāng)光從這段彎曲的單模光纖經(jīng)過(guò)，由于兩個(gè)偏振態(tài)的光引起了一定的相位差。所以透射譜中可以觀察到干涉峰的存在。彎曲引起的雙折射率對(duì)于外界溫度變化的敏感，導(dǎo)致該傳感器的透射譜中的干涉峰隨外界溫度變化發(fā)生漂移。我們的溫度傳感器中半圓型光纖部分取其曲率半徑為2mm-6mm。
【專利說(shuō)明】一種簡(jiǎn)易的高靈敏度光纖溫度傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光纖傳感的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，涉及一種應(yīng)用帶涂覆層的普通單模光纖的彎曲引起的雙折射率對(duì)溫度的靈敏實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度的檢測(cè)。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕、在易燃易爆和高溫高壓的場(chǎng)合下應(yīng)用具有安全可靠等特點(diǎn)，所以光纖傳感器的開(kāi)發(fā)研制倍受青睞，并獲得廣泛應(yīng)用。隨著光纖傳感技術(shù)的迅猛發(fā)展，光纖溫度傳感器得到了廣泛關(guān)注和研究。由于光纖本身對(duì)嚴(yán)苛環(huán)境的適應(yīng)能力，光纖溫度傳感器可以測(cè)量傳統(tǒng)溫度傳感器所不能測(cè)量的場(chǎng)合，例如儲(chǔ)油罐等易燃易爆的高危環(huán)境，如果利用電學(xué)溫度傳感器很容易因其產(chǎn)生的電火花導(dǎo)致嚴(yán)重的事故，同時(shí)由于光纖本身的體積小，質(zhì)量輕也可以利用在很多狹小環(huán)境的溫度測(cè)量等，目前報(bào)導(dǎo)的光纖溫度傳感器主要分為以下幾類:
[0003]基于微加工單模光纖的溫度傳感器，這種傳感器主要是通過(guò)飛秒激光器對(duì)光纖纖芯及包層進(jìn)行高精度加工，從而在光纖內(nèi)部形成干涉儀。利用溫度對(duì)光纖和空氣腔熱光系數(shù)和熱膨脹系數(shù)差異引起的干涉峰偏移來(lái)檢測(cè)溫度變化或者通過(guò)光纖本身的熱膨脹導(dǎo)致的光程差感應(yīng)溫度變化。這種溫度傳感器一般的靈敏度為10-100pm/°C，可測(cè)量溫度范圍大，工作穩(wěn)定。只是這種傳感器制作過(guò)程較為復(fù)雜，對(duì)精密加工光纖所需要的激光器及相應(yīng)的控制系統(tǒng)有較高的要求。
[0004]基于雜交光纖結(jié)構(gòu)的溫度傳感器，這種傳感器則是利用兩種或者兩種以上不同光纖的芯徑不匹配引起的包層模與纖芯內(nèi)的基模之間的干涉，由于光纖本身的熱膨脹效應(yīng)來(lái)感應(yīng)溫度，整體構(gòu)造較為簡(jiǎn)易，制作難度低。但其靈敏度一般也為IO-1OOpm /°C。
[0005]基于光纖光柵的溫度傳感器，主要分為布拉格光纖光柵溫度傳感器和長(zhǎng)周期光纖光柵溫度傳感器，第一種光纖溫度傳感器有較低的交叉靈敏度且可用于分布式傳感，但是對(duì)于溫度的靈敏度卻只有10pm/°C左右。第二種光纖溫度傳感器有約100pm/°C的溫度靈敏度，但其對(duì)彎曲和折射率也有很高的靈敏度。
[0006]基于灌有液體光子晶體光纖的溫度傳感器，一般的光子晶體光纖對(duì)于溫度很不敏感，但是當(dāng)空氣隙中灌入液體后，液體與石英的熱光系數(shù)差異將給光子晶體光纖帶來(lái)很高的溫度靈敏度。一般可以達(dá)到幾個(gè)納米每攝氏度以上。但是其制作過(guò)程較為繁瑣，尤其是有選擇性的部分空氣隙灌入，而且光子晶體光纖的價(jià)錢也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般的光纖。
[0007]在綜上所述的研究中，現(xiàn)有的光纖溫度傳感器在性能和制作方法上各有特點(diǎn)，但是都存在各自的缺點(diǎn)，特別是用于傳感的光纖結(jié)構(gòu)多為裸光纖，結(jié)構(gòu)較為脆弱，容易被破壞所以應(yīng)用中經(jīng)常需要特別小心操作?；谖⒓庸文９饫w的溫度傳感器尺寸小、穩(wěn)定性好、測(cè)量范圍大，但是靈敏度不高且制作工藝比較復(fù)雜。基于雜交光纖結(jié)構(gòu)的溫度傳感器制作方法較簡(jiǎn)單，但是靈敏度也不高?；诠饫w光柵的溫度傳感器中長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器溫度靈敏度高但交叉靈敏度也高，可用于分布式傳感的布拉格光纖光柵傳感器有小的交叉靈敏度但是對(duì)溫度的靈敏度也很低?；诠嗳胍后w光子晶體光纖的溫度傳感器靈敏度高但是其制作過(guò)程較為復(fù)雜且成本高。目前，對(duì)于光纖溫度傳感器一般需要考究其靈敏度、結(jié)構(gòu)結(jié)實(shí)程度、制作難度及成本等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的就是為了克服現(xiàn)有光纖溫度傳感器制作工藝復(fù)雜、成本高、結(jié)構(gòu)脆弱等問(wèn)題，提出了一種基于帶涂覆層單模光纖的高靈敏度光纖溫度傳感器。
[0009]本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案為:
[0010]將一段普通帶涂覆層的單模光纖(如Corning，SMF-28)彎折成液滴狀，然后在彎折光纖的尾部利用膠水粘合固定，光經(jīng)過(guò)該段由簡(jiǎn)單的彎折而形成的光纖會(huì)在出射端產(chǎn)生干涉，利用溫度對(duì)彎曲光纖的雙折射率的影響，通過(guò)對(duì)透射譜進(jìn)行波長(zhǎng)解調(diào)得到溫度的信息，實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度的測(cè)量；所述膠水可以為普通502膠水，AB膠等；
[0011]所述的彎曲光纖是帶涂覆層的普通單模光纖(除彎曲外，并未經(jīng)過(guò)任何附加處理)，所以可以將其進(jìn)行較為劇烈的彎曲，形成一個(gè)液滴狀，彎曲最嚴(yán)重的部分可近似看成一段半圓型光纖，其曲率半徑在之間,膠合部分長(zhǎng)度取> 50mm,從而確保傳感頭的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。
[0012]本發(fā)明所具有的優(yōu)點(diǎn)為:通過(guò)簡(jiǎn)單的彎折一段不需要任何處理的帶涂覆層的單模光纖，就可以形成干涉儀并用于溫度傳感且有較高溫度靈敏度。制作成本低，制作過(guò)程簡(jiǎn)單，傳感器體積小且涂覆層可以起到保護(hù)傳感器提高其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的作用，固可以廣泛的應(yīng)用于多種環(huán)境下的溫度測(cè)量。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為所述光纖溫度傳感器測(cè)溫過(guò)程的示意圖。
[0014]圖2為將一個(gè)曲率半徑為3.6mm的所述光纖溫度傳感器，放置在溫度場(chǎng)
[0015]中，隨著溫度從20攝氏度升至30攝氏度過(guò)程的透射譜強(qiáng)度。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步描述。
[0017]如圖1所示，為所述溫度傳感器的測(cè)溫示意圖，包括寬帶光源(1)，光譜儀(2)，帶涂覆層的普通單模光纖(5)，溫度場(chǎng)(3)。光纖溫度傳感器由一段未經(jīng)任何處理的帶涂覆層單模光纖(5)彎折成液滴狀，其彎曲最嚴(yán)重區(qū)域可認(rèn)為是一段半圓型彎曲光纖，其曲率半徑取2_-6_，然后用膠在(4)處進(jìn)行粘合固化制成。將該傳感器放置在溫度場(chǎng)(3)中，由寬帶光源(I)提供入射光，可以在光譜儀(2)中觀察到干涉圖譜，當(dāng)溫度場(chǎng)(3)中的溫度變化時(shí)，在光譜儀(2)中可以觀察干涉峰波長(zhǎng)偏移，說(shuō)明其具有測(cè)量溫度的能力。
[0018]如圖2所示，將一個(gè)彎曲光纖曲率半徑為3.6mm的所述光纖溫度傳感器放入恒溫箱中，當(dāng)恒溫箱的溫度從20攝氏度以一度一個(gè)步進(jìn)逐漸升溫至30攝氏度的過(guò)程中，波長(zhǎng)在1550nm附近的一個(gè)干涉峰的波長(zhǎng)從1553.32nm逐漸漂移到1532.28nm。在圖2的插圖中也同時(shí)展示了在20攝氏度時(shí)，該傳感器的透射譜圖。該干涉峰的偏移情況說(shuō)明該溫度傳感器的溫度靈敏度大于2nm / V。
[0019]本發(fā)明實(shí)現(xiàn)測(cè)溫是基于以下原理:光纖傳感中溫度對(duì)光纖的作用除有熱光效應(yīng)、熱膨脹效應(yīng)外，溫度還會(huì)影響光纖的雙折射率。同時(shí)當(dāng)一段單模光纖經(jīng)過(guò)嚴(yán)重彎曲以后，其內(nèi)部的折射率分布被改變，從而雙折射率會(huì)被提高，用寬帶光源向嚴(yán)重彎曲后的單模光纖中輸入光可以在其出射端用光譜儀觀察到明顯的干涉條紋，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，由于彎曲光纖中的雙折射率隨之改變，則會(huì)表現(xiàn)為干涉峰的漂移，通過(guò)檢測(cè)干涉峰的漂移量便可以判斷溫度變化情況。
[0020]本發(fā)明實(shí)現(xiàn)測(cè)溫功能的關(guān)鍵技術(shù)為:
[0021]普通單模光纖通過(guò)彎曲改變可以其內(nèi)部的折射率分布，從而產(chǎn)生一定雙折射率，然而一般的裸露單模光纖當(dāng)彎曲至一定曲率時(shí)極易折斷，所以引起的雙折射率很有限，并不足以引起基膜中兩個(gè)正交模式的干涉。然而帶涂覆層的單模光纖則可以在涂覆層的保護(hù)下彎曲至曲率半徑2_以下，從而產(chǎn)生足夠引起干涉的雙折射率。
[0022]將一段普通帶涂覆層的單模光纖(如Corning，SMF-28)彎折成液滴狀，然后在彎折光纖的尾部將光纖利用膠水(如502膠水)粘合固定，其彎曲最嚴(yán)重區(qū)域可認(rèn)為是一段半圓型彎曲光纖，其曲率半徑取2_-6_。利用溫度對(duì)彎曲光纖產(chǎn)生的雙折射率的影響，通過(guò)對(duì)透射譜進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)制得到溫度的信息，實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度的測(cè)量。
[0023]所述單模光纖不需要任何處理，便可以形成干涉儀并用于溫度傳感且有較高溫度靈敏度。制作過(guò)程簡(jiǎn)單，制作成本低，傳感器體積小且涂覆層可以起到保護(hù)傳感器提高其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的作用，固可以廣泛的應(yīng)用于多種環(huán)境下的溫度測(cè)量。
【權(quán)利要求】
1.一種簡(jiǎn)易的高靈敏度光纖溫度傳感器，將一段帶涂覆層的普通單模光纖(如Corning，SMF-28)彎折成液滴狀，然后在彎曲光纖的尾部將光纖利用膠水粘合固定，光經(jīng)過(guò)該段由簡(jiǎn)單的彎折而形成的光纖會(huì)在出射端產(chǎn)生干涉，利用彎曲光纖的雙折射率對(duì)溫度的敏感，通過(guò)對(duì)透射譜進(jìn)行波長(zhǎng)解調(diào)得到溫度的信息，實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度的測(cè)量；所述膠水可以為普通502膠水，AB膠等； 所述的彎曲光纖是帶涂覆層的完整光纖，將其進(jìn)行較為劇烈的彎曲，形成一個(gè)液滴狀，彎曲最嚴(yán)重的部分可近似看成一段半圓型光纖，其曲率半徑為2mm-6mm，膠合部分長(zhǎng)度≥50mmo
【文檔編號(hào)】G01K11/32GK103698048SQ201310692158
【公開(kāi)日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月9日
【發(fā)明者】李裔, 謝江磊, 徐賁 申請(qǐng)人:中國(guó)計(jì)量學(xué)院