CN104075826A - 光纤-聚合物探头温度传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光纤-聚合物探头，所述光纤-聚合物探头包括通过将两根多模光纤端头拉锥融合得到的融合的多模光纤端头，以及包裹所述融合的多模光纤端头的聚合物，所述聚合物的热光系数大于3*10-4。

Description

光纤-聚合物探头温度传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于光纤温度传感器的制备技术领域，具体是多模拉锥探头结构的光纤与聚合物进行复合来进行温度传感的器件提出及制备。
背景技术
光纤传感器由于抗电磁干扰、体积小、利于远程操作等诸多优点，已在工程中有大量的研究。目前，很多温度传感的光纤结构得到发展，如布拉格光纤光栅(FBG)，长周期光纤光栅(LPFG)，Fabry-Perot干涉仪，单模-多模-单模(SMS)和基于模式干涉的拉锥光纤探头等。拉锥光纤探头结构是基于光纤模式干涉原理的新型光纤结构。该结构是把两根光纤端头拉锥融合而成的，对比于其他结构来说，该结构具有制作简单、成本低、感应头小等优点。
光纤传感器主要基于波长位移和强度变化。光栅类的结构基本都是峰的波长位移来进行传感。对比于波长位移，强度传感的优点是点光源就能实现，而不需要长波段的光源，成本更低。从传感器的温度灵敏度出发，2009年A.M.Hatta发表在Electron.Lett.上的灵敏度为0.05dB/℃。2013年Chao Chen等发表在Optics Letters上一种新的结构：将两根单模光纤端头拉锥融合形成一个光纤传感头，来进行温度和压力传感，由于这种结构对比于其他光纤结构的优点，即传感区域较小且制作简单等优点，我们接下来的研究都是基于这种结构，但使用的是多模光纤，且引入了聚合物。单模光纤纤芯径较小(10μm内)，仅允许一个模式的传输。而多模光纤纤芯径较大(50，62.5或105μm等)，允许上百个模式传输。如果用单模光纤拉锥后的探头与聚合物结合的话，光强极弱，不能进行传感。所以本专利使用的是多模光纤与聚合物的结合。
发明内容
本发明的目的是提供一种将光纤与聚合物复合，从而得到灵敏度较高的温度传感器的方法。首先将两根多模光纤端头拉锥融合。然后将该端头用聚合物包住。形成了一个简单的温度传感器。改变温度时，聚合物包层的折射率发生改变，导致光纤内的模式耦合相应的改变，同时，泄露的光也明显发生改变。通过检测该结构的输出谱强度，来进行温度传感。这样，将拉锥多模光纤与聚合物结构结合，可得到高灵敏度的温度传感器。
本发明的一个方面提供一种光纤-聚合物探头，所述光纤-聚合物探头包括通过将两根多模光纤端头拉锥融合得到的融合的多模光纤端头，以及包裹所述融合的多模光纤端头的聚合物，所述聚合物的热光系数大于3*10-4，优选大于3.1*10-4，再优选大于3.3*10-4，再优选大于3.5*10-4，最优选大于3.7*10-4。
在本发明的一个实施方案中，所述聚合物为丙烯酸类树酯、聚酯、聚氨酯、聚烯烃和聚酰亚胺类聚合物等。
在本发明的一个实施方案中，所述聚合物选自玻璃胶、PMMA-co-PTFEMA或PDMS等。
在本发明的一个实施方案中，所述聚合物的折射率为1.35至1.45，优选1.37至1.45，再优选1.39至1.45，最优选1.40至1.45。
在本发明的一个实施方案中，探头的探头区域为200微米至1毫米。
在本发明的另一个方面，提供一种温度传感器，所述温度传感器由光纤-聚合物探头形成，所述光纤-聚合物探头包括通过将两根多模光纤端头拉锥融合得到的融合端头，以及包裹所述融合端头的聚合物，所述聚合物的热光系数大于3*10-4。
在本发明的一个实施方案中，温度传感器的温度灵敏度为0.12至0.25dB/℃，优选0.120dB/℃，再优选0.124dB/℃，最优选0.25dB/℃。
在本发明的一个实施方案中，所述聚合物选自玻璃胶、PMMA-co-PTFEMA和PDMS等。
在本发明的再一个方面，提供一种制备光纤-聚合物探头的方法，所述方法包括以下步骤：a.将两根多模光纤平行放入熔接机进行拉锥，形成融合的多模光纤端头；b.将聚合物包裹在所述融合的多模光纤端头外部。
在本发明的再一个方面，提供一种制备温度传感器的方法，所述方法包括以下步骤：a.将两根多模光纤平行放入熔接机进行拉锥，形成融合的多模光纤端头；b.将聚合物包裹在所述融合的多模光纤端头外部；c.将聚合物包裹的融合的多模光纤端头结合在光纤温度传感器的光路中，制成温度传感器。
附图说明
图1是本发明所述的多模光纤拉锥探头制作示意图
图2是本发明所述的多模光纤拉锥探头结构示意图
图3是实验室操作下该复合结构器件在室温下(20℃)的透过谱
图4是透过谱的强度与温度的对应关系
图5是聚合物2与光纤复合后透过谱与温度的对应关系
图6是聚合物2与光纤复合后透过谱与温度的对应关系
具体实施方式
在本发明的一个具体实施方式中，本发明的技术方案如下：
将两根多模光纤平行放置入熔接机，选择拉锥模式，进行拉锥，形成一个微型的多模光纤端头。将该端头与聚合物结合，实验室采用的是将聚合物包覆于端头外侧。提出的发明是用聚合物包覆住光纤，将复合的装置置于不同温度环境下测其透过谱，通过透过谱的强度与温度的关系可得到该装置的温度灵敏度。造成透过谱光强变化的原因是：聚合物在不同温度下折射率不一样，其热光系数较大，导致光纤内传输的光强发生改变。SMS光纤和光栅类光纤的传感区域较大，基本都是厘米级。不同于其他光纤，本发明的温度感应区域较小，探头区域可达到毫米级别。
实施例1
1.实验材料和仪器
多模光纤(MM-S105/125-15A)，乙醇和甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，二甲基硅氧烷，玻璃胶，可调谐激光源(AQ4321D)，光谱分析仪(AQ6317C)。
2.实验室操作时的聚合物-光纤复合结构制备
如图1，本发明所述多模光纤可以是市售，型号为市售的均可，如按照纤芯直径和加包层的整体直径分类可以为50μm/125μm，62.5μm/125μm，MM-S105/125-15A，实验中将两根型号为MM-S105/125-15A的多模光纤平行放置入熔接机，选择拉锥模式，进行拉锥，形成一个微型的多模光纤端头(图2)。将之固定于玻璃载玻片上，将聚合物1滴涂到端头上。聚合物1为商品化的玻璃胶。折射率为1.4266。
3.实验室下该复合结构的温度响应性
将该复合结构置于恒温控制箱中，改变温度并在一定温度保持相同的时间，分别测试不同温度下的透过谱，室温下的实验结果如图3。将不同温度下该装置的透过谱的强度对温度作图，得到图4。如图4所示，温度升高时，透过谱损耗降低，降温时，过程可逆。该器件的温度灵敏度为0.124dB/℃。这是由于不同温度时，聚合物折射率变化导致光纤内的模式耦合相应的改变，同时，泄露的光也明显发生改变。相比于基于强度检测的光纤温度传感，该结构的温度灵敏度较高，同时，检测区域较小，毫米级别即可。
4.对照组：聚合物2的复合结构温度响应性
将两根多模光纤平行放置入熔接机，选择拉锥模式，进行拉锥，形成一个微型的多模光纤端头。将之固定于玻璃载玻片上，将聚合物2滴涂到端头上。聚合物2为实验室合成的PMMA-co-PTFEMA。其折射率为1.4497。
将该复合结构置于恒温控制箱中，改变温度并在一定温度保持相同的时间，分别测试不同温度下的透过谱，做不同温度下该装置的透过谱的强度与温度的关系，得到图5。如图5所示，温度升高时，透过谱损耗降低，降温时，过程可逆。该器件的温度响应区间较窄，50-70℃其灵敏度为0.12dB/℃。
5.对照组：聚合物3的复合结构温度响应性
将两根多模光纤平行放置入熔接机，选择拉锥模式，进行拉锥，形成一个微型的多模光纤端头。将之固定于玻璃载玻片上，将聚合物3滴涂到端头上。聚合物3为实验室合成的PDMS。折射率为1.4085。
将该复合结构置于恒温控制箱中，改变温度并在一定温度保持相同的时间，分别测试不同温度下的透过谱，做不同温度下该装置的透过谱的强度与温度的关系，得到图6。如图6所示，温度升高时，透过谱损耗降低，降温时，过程可逆。该器件的温度灵敏度为0.25dB/℃。但有一缺点，损耗太大，可能导致测试误差较大。
利用聚合物的高热光系数，采用新光纤结构：多模光纤拉锥。将二者结合可得到一类简单的光纤温度传感器。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光纤-聚合物探头，所述光纤-聚合物探头包括通过将两根多模光纤端头拉锥融合得到的融合的多模光纤端头，以及包裹所述融合的多模光纤端头的聚合物，所述聚合物的热光系数大于3*10-4。
2.权利要求1所述的光纤-聚合物探头，其中所述聚合物为丙烯酸类树酯、聚酯、聚氨酯、聚烯烃和聚酰亚胺类聚合物。
3.权利要求1所述的光纤-聚合物探头，其中所述聚合物选自玻璃胶、PMMA-co-PTFEMA和PDMS。
4.权利要求1所述的光纤-聚合物探头，其中所述聚合物的折射率为1.35至1.45。
5.权利要求1所述的光纤-聚合物探头，所述探头的探头区域为200微米至1毫米。
6.一种温度传感器，所述温度传感器由光纤-聚合物探头形成，所述光纤-聚合物探头包括通过将两根多模光纤端头拉锥融合得到的融合端头，以及包裹所述融合端头的聚合物，所述聚合物的热光系数大于3*10-4。
7.权利要求6所述的温度传感器，所述温度传感器的温度灵敏度为0.12至0.25dB/℃。
8.权利要求6所述的温度传感器，其中所述聚合物选自玻璃胶、PMMA-co-PTFEMA和PDMS。
9.一种制备光纤-聚合物探头的方法，所述方法包括以下步骤：
a.将两根多模光纤平行放入熔接机进行拉锥，形成融合的多模光纤端头；
b.将聚合物包裹在所述融合的多模光纤端头外部。
10.一种制备温度传感器的方法，所述方法包括以下步骤：
a.将两根多模光纤平行放入熔接机进行拉锥，形成融合的多模光纤端头；
b.将聚合物包裹在所述融合的多模光纤端头外部；
c.将聚合物包裹的融合的多模光纤端头结合在光纤温度传感器的光路中，制成温度传感器。
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