CN104614092A - 液芯光纤模间干涉温度传感器 - Google Patents

Abstract

液芯光纤模间干涉温度传感器，属于光学领域，本发明为解决现有将液体注入空心光纤或光子晶体光纤制成高灵敏温度传感器方案存在的问题。本发明包括ASE宽带光源，温度敏感模块和光谱分析仪，ASE宽带光源输出的光束入射至温度敏感模块，温度敏感模块输出的光束入射至光谱分析仪；温度敏感模块包括入射端单模光纤、液芯光纤和出射端单模光纤，液芯光纤由液体纤芯和石英包层构成；入射端单模光纤传输的基模光传播到液芯光纤的入射端，分成两部分，一部分沿液芯光纤的液体纤芯传播，形成纤芯模B1；另一部分沿的石英包层传播，形成包层模B2，纤芯模B1和包层模B2传播至液芯光纤的出射端重新合束传输至出射端单模光纤中，发生模间干涉。

Description

液芯光纤模间干涉温度传感器

技术领域

本发明涉及一种测量技术领域的温度传感器，具体是一种液芯光纤模间干涉温度传感器。

背景技术

与传统的传感器相比，光纤传感器具有抗电磁干扰、灵敏度高、测量对象广、可兼容、易成网、体积小和重量轻等特点，可以在高电压、大噪声、高温和强腐蚀性等许多特殊环境下正常工作，广泛应用于国民经济的各个领域和国防军事领域。近年来，为了进一步提高光纤传感器的温度灵敏度，人们利用液体热光系数大的特点，提出将液体注入空心光纤或光子晶体光纤制成高灵敏温度传感器的方案。中国专利《浓度可调谐的混合液芯光纤温度传感器》，公开号为CN101261165A，公开日为2008年9月10日，该专利公开了利用混合液芯光纤中液体折射率随温度的线性变化，从而引起芯液材料和包层石英材料间折射率差的变化，最终导致输出激光功率的变化这一原理，制成一种强度调制型液芯光纤传感器。该技术制作简单，然而，温度传感的测量范围受混和液芯光纤中混合液体浓度配比的限制，且结果受激光光源功率稳定性的影响较大。2010年《Optics Express》第18卷第15期发表的《Some features of the photonic crystal fiber temperature sensor with liquid ethanolfilling》和2014年《Optics Communications》第331卷《Fiber-optic Michelson interferometerwith high sensitivity based on a liquid-filled photonic crystal fiber》提出利用充液光子晶体光纤进行温度传感的方法，该方法温度灵敏度较高，但是光子晶体光纤价格昂贵，且和普通光纤熔接难度较大。2012年《Optics Letter》第37卷第5期发表的《Spatial optical filter sensorbased on hollow-core silica tube》提出空心光纤模间干涉传感技术，由于空心光纤石英包层和空气芯的热光系数很低，其折射率对温度变化不灵敏，因此该方法温度灵敏度不高，仅为0.0275nm/℃。

发明内容

本发明目的是为了解决现有将液体注入空心光纤或光子晶体光纤制成高灵敏温度传感器方案存在的问题，提供了一种液芯光纤模间干涉温度传感器。

本发明所述液芯光纤模间干涉温度传感器，它包括ASE宽带光源，温度敏感模块和光谱分析仪，ASE宽带光源输出的光束入射至温度敏感模块，温度敏感模块输出的光束入射至光谱分析仪；

温度敏感模块包括入射端单模光纤、液芯光纤和出射端单模光纤，液芯光纤由液体纤芯和石英包层构成，石英包层内部的圆心空腔设置有液体纤芯；

入射端单模光纤接收ASE宽带光源输出的光束，入射端单模光纤传输的基模光传播到液芯光纤的入射端，分解成两部分，一部分继续沿液芯光纤的液体纤芯传播，形成纤芯模B1；另一部分沿液芯光纤的石英包层传播，形成包层模B2，纤芯模B1和包层模B2传播至液芯光纤的出射端重新合束，合束后入射至出射端单模光纤中，在出射端单模光纤中发生模间干涉现象，干涉输出光束入射至光谱分析仪。

本发明的优点：本发明提出的液芯光纤模间传感器具有制作简单、测量灵敏度高、测量动态范围宽和成本低等优势。

附图说明

图1是本发明所述液芯光纤模间干涉温度传感器的结构示意图；

图2是温度敏感模块的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述液芯光纤模间干涉温度传感器，它包括ASE宽带光源1，温度敏感模块2和光谱分析仪3，ASE宽带光源1输出的光束入射至温度敏感模块2，温度敏感模块2输出的光束入射至光谱分析仪3；

温度敏感模块2包括入射端单模光纤2-1、液芯光纤2-2和出射端单模光纤2-3，液芯光纤2-2由液体纤芯和石英包层构成，石英包层内部的圆心空腔设置有液体纤芯；

入射端单模光纤2-1接收ASE宽带光源1输出的光束，入射端单模光纤2-1传输的基模光传播到液芯光纤2-2的入射端，分解成两部分，一部分继续沿液芯光纤2-2的液体纤芯传播，形成纤芯模B1；另一部分沿液芯光纤2-2的石英包层传播，形成包层模B2，纤芯模B1和包层模B2传播至液芯光纤2-2的出射端重新合束，合束后入射至出射端单模光纤2-3中，在出射端单模光纤2-3中发生模间干涉现象，干涉输出光束入射至光谱分析仪3。

纤芯模B1和包层模B2传播至液芯光纤2-2的出射端将重新合束进入出射端单模光纤2中，并发生模间干涉现象。干涉后的总光强分布为

$I=I_1+I_2+2\sqrt{I_1{I}_2}\cos (2\mathrm{\π\ΔnL}/\mathrm{\λ})---\left(1\right)$

其中，I₁和I₂分别为纤芯模B1和包层模B2的激光强度，L是液芯光纤2-2的长度，Δn为纤芯模B1和包层模B2有效折射率之差，即Δn＝n_eff1-n_eff2，干涉光强最大值对应的波长为

λ_m＝ΔnL/m   (2)

其中，m为整数，代表着干涉级次。由于热光效应和热膨胀效应，Δn和L都会随着温度的变化而变化，从而引起λ_m的变化。由温度变化引起的波长变化可以表示为

$\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{d\λ}}_m}{{\mathrm{\λ}}_m\mathrm{dT}}=\frac{1}{\mathrm{\Δn}}\frac{\mathrm{d\Δn}}{\mathrm{dT}}+\frac{1}{L}\frac{\mathrm{dL}}{\mathrm{dT}}\\ =\frac{1}{\mathrm{\Δn}}(\frac{{\mathrm{dn}}_{\mathrm{eff}1}}{\mathrm{dT}}-\frac{{\mathrm{dn}}_{\mathrm{eff}2}}{\mathrm{dT}})+\frac{1}{L}\frac{\mathrm{dL}}{\mathrm{dT}}\end{array}---\left(3\right)$

温度灵敏度由公式(3)中的dλ_m/dT决定，dL/dT为液芯光纤的热膨胀系数，其数值很小可以忽略；dn_eff1/dT和dn_eff2/dT分别为液体纤芯和包层模的热光系数。对于液芯光纤模间干涉传感器，液体纤芯内液体材料的热光系数(如酒精，3.94×10^-4/℃)通常比包层模的热光系数(如硅，8.6×10^-6/℃)大很多。因此，dλ_m/dT主要由液体纤芯内液体的热光系数dn_eff1/dT、和纤芯模B1和包层模B2有效折射率之差Δn决定。当液体纤芯内的液体为酒精(折射率n_eff1＝1.36048)、包层模为硅材料(折射率n_eff2＝1.44)、激光波长为1550nm时，利用公式(3)计算得dλ_m/dT＝7.7nm/℃。和空心光纤模间干涉传感器(包层为硅材料，纤芯为空气)相比较，空气纤芯的热光系数(N₂，10^-6/℃)和硅包层的热光系数为同一数量级，均远远小于液体的热光系数，然而，空气纤芯模B1和包层模B2有效折射率之差Δn却比液芯光纤2-2的情况大，利用公式(3)计算得dλ_m/dT＝0.026nm/℃，和2012年《OpticsLetter》第37卷第5期发表的《Spatial optical filter sensor based on hollow-core silica tube》的实验结果(0.0275nm/℃)基本符合，说明计算是正确的。因此，利用液芯光纤2-2制作的模间干涉传感器比空心光纤制作模间传感器温度灵敏度提高近300倍。模间干涉形成的光强分布光谱图由光谱分析仪记录，干涉光强峰值和谷值波长值随温度线性变化，从而实现温度传感。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，ASE宽带光源1的中心波长为1550nm或1310nm，光谱带宽为40nm～400nm。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，入射端单模光纤2-1和液芯光纤2-2之间的连接方式为熔接耦合连接；出射端单模光纤2-3和液芯光纤2-2之间的连接方式为熔接耦合连接。

具体实施方式四：本实施方式对实施方式一、二或三作进一步说明，液芯光纤2-2的液体纤芯由空心光纤注入液体后形成，液体的热光系数为(1～10)×10^-4/℃、折射率为1～1.44；液芯光纤的长度为20μm～50mm、芯径为10μm～50μm。

具体实施方式五：本实施方式对实施方式一、二、三或四作进一步说明，光谱分析仪3的波长分辨率为20pm～100pm。

Claims (5)

1.液芯光纤模间干涉温度传感器，其特征在于，它包括ASE宽带光源(1)，温度敏感模块(2)和光谱分析仪(3)，ASE宽带光源(1)输出的光束入射至温度敏感模块(2)，温度敏感模块(2)输出的光束入射至光谱分析仪(3)；

温度敏感模块(2)包括入射端单模光纤(2-1)、液芯光纤(2-2)和出射端单模光纤(2-3)，液芯光纤(2-2)由液体纤芯和石英包层构成，石英包层内部的圆心空腔设置有液体纤芯；

入射端单模光纤(2-1)接收ASE宽带光源(1)输出的光束，入射端单模光纤(2-1)传输的基模光传播到液芯光纤(2-2)的入射端，分解成两部分，一部分继续沿液芯光纤(2-2)的液体纤芯传播，形成纤芯模B1；另一部分沿液芯光纤(2-2)的石英包层传播，形成包层模B2，纤芯模B1和包层模B2传播至液芯光纤(2-2)的出射端重新合束，合束后入射至出射端单模光纤(2-3)中，在出射端单模光纤(2-3)中发生模间干涉现象，干涉输出光束入射至光谱分析仪(3)。

2.根据权利要求1所述液芯光纤模间干涉温度传感器，其特征在于，ASE宽带光源(1)的中心波长为1550nm或1310nm，光谱带宽为40nm～400nm。

3.根据权利要求1所述液芯光纤模间干涉温度传感器，其特征在于，入射端单模光纤(2-1)和液芯光纤(2-2)之间的连接方式为熔接耦合连接；出射端单模光纤(2-3)和液芯光纤(2-2)之间的连接方式为熔接耦合连接。

4.根据权利要求1所述液芯光纤模间干涉温度传感器，其特征在于，液芯光纤(2-2)的液体纤芯由空心光纤注入液体后形成，液体的热光系数为(1～10)×10^-4/℃、折射率为1～1.44；液芯光纤的长度为20μm～50mm、芯径为10μm～50μm。

5.根据权利要求1所述液芯光纤模间干涉温度传感器，其特征在于，光谱分析仪(3)的波长分辨率为20pm～100pm。