CN107796531A - 一种全光纤传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全光纤传感器，其包括：一ASE宽带光源、第一单模光纤、异质包层结构光子晶体光纤、第二单模光纤及光谱仪，所述第一单模光纤一端与所述ASE宽带光源连接，所述第一单模光纤的另一端与所述异质包层结构光子晶体光纤的一端熔接，所述第二单模光纤的一端与所述光谱仪连接，所述第二单模光纤的另一端与所述异质包层结构光子晶体光纤的另一端熔接,所述异质包层结构光子晶体光纤包括一外包层、一纯石英芯及若干掺锗棒，所述纯石英芯包裹着所述掺锗棒，所述外包层包裹着所述纯石英芯。该全光纤传感器成像条纹清晰、灵敏度高，方便实用，而且成本非常低，有利于实际应用。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感器领域，具体涉及一种全光纤传感器。
背景技术
自1992年Russell等人提出光子晶体光纤以来，光子晶体光纤从理论研究到制备工艺再到实际的应用都有着迅猛的发展。近年来，基于光子晶体光纤的光纤传感器得到了广泛的关注。光纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列的独特优点。例如：抗电磁干扰、稳定性好、具有可再现性、灵敏度高、耐恶劣环境、分辨率高、响应快、***损耗低、易与光纤耦合、对偏振不敏感、封装简单成本低等。光纤传感器能广泛应用于工业、建筑、国防和生物医学等。
在高温传感领域，对许多不同类型的光纤传感器提出了挑战。一般光纤布拉格光栅(FBG)传感器在高温下工作时，光栅及结构能够在几个小时甚至几分钟内被完全洗掉，因此在持续高温测量场合没有价值。光纤法布里-珀罗(F-P)高温传感器通常具有耐高温的性能，这种传感器是利用F-P光纤本身的多次反射所形成的光来产生干涉，当被测温度使光纤中光波相应相位发生变化时，输出脉冲峰值的位置也将发生变化，从而可以测量温度。然后在光纤上刻写F-P腔通常需要用到飞秒激光，这大大的增加了光纤传感器的制备成本，而且这种微加工技术难度高，刻写后的光纤也很脆弱，不适合于实际应用。基于马赫-曾德尔(M-Z)的高温光纤传感器其原理是光纤中两个不同模式产生干涉，因此不需要任何的微加工或者光栅刻写，只需要输入一束激光并在输出端监控干涉条纹的变化就可以监控温度的变化。传统的M-Z高温光纤传感器大都灵敏度不高，干涉条纹不清晰，这是因为光纤材料的热光系数不够高和光纤的模式控制以及模式的能量占比不够合理。
发明内容
本发明的目的是针对上述现状，提供一种全光纤传感器，以解决上述问题。
本发明采用的技术方案为：一种全光纤传感器，包括一ASE宽带光源、第一单模光纤、异质包层结构光子晶体光纤、第二单模光纤及光谱仪，所述第一单模光纤一端与所述ASE宽带光源连接，所述第一单模光纤的另一端与所述异质包层结构光子晶体光纤的一端熔接，所述第二单模光纤的一端与所述光谱仪连接，所述第二单模光纤的另一端与所述异质包层结构光子晶体光纤的另一端熔接,所述异质包层结构光子晶体光纤包括一外包层、一纯石英芯及若干掺锗棒，所述纯石英芯包裹着所述掺锗棒，所述外包层包裹着所述纯石英芯。
本发明的效果是：该全光纤传感器成像条纹清晰、灵敏度高，方便实用，而且成本非常低，有利于实际应用。
附图说明
图1所示为本发明提供的全光纤传感器的结构示意图；
图2所示为图1中异质包层结构光子晶体光纤的截面图；
图3所示为模拟使用全光纤传感器的结构示意图；
图4所示为不同长度该异质包层结构光纤的透射光谱；
图5所示为高温炉中监测到的光谱变化情况；
图中：1—ASE宽带光源，2—第一单模光纤，3—高温炉，3—异质包层结构光子晶体光纤，31—外包层，32—纯石英芯，33—掺锗棒，4—第二单模光纤，5—光谱仪。
具体实施方式
下面结合附图介绍本发明的全光纤传感器：
如图1所示，为本发明提供的一种全光纤传感器，其包括一ASE宽带光源1、第一单模光纤2、异质包层结构光子晶体光纤3、第二单模光纤4及光谱仪5。
所述第一单模光纤2一端与所述ASE宽带光源1连接，所述第一单模光纤2的另一端与所述异质包层结构光子晶体光纤3的一端熔接，所述第二单模光纤4的一端与所述光谱仪5连接，所述第二单模光纤4的另一端与所述异质包层结构光子晶体光纤3的另一端熔接。
如图2所示，所述异质包层结构光子晶体光纤3包括一外包层31、一纯石英芯32及若干掺锗棒33，所述纯石英芯32包裹着所述掺锗棒33，所述外包层31包裹着所述纯石英芯32。若干所述掺锗棒33的截面排列形成一三角形阵，若干所述三角形阵组成一正六边形。
于本实施例中，所述外包层31外径为125μm，所述掺锗棒的直径为1.75μm，数值孔径为0.22，所述掺锗棒之间的间隔为3.5μm。
该全光纤传感器在具体工作时，将所述异质包层结构光子晶体光纤3置于待检测的环境中，所述ASE宽带光源1发出光，经过所述异质包层结构光子晶体光纤3，最终在所述光谱仪5上得到光谱，并由光谱得到待检测环境的温度参数。
所述掺锗棒的引入增加了光纤的热光系数，同时这种异质结构包层使得该光纤支持2种独特的模式的传输。当光在此光子晶体光纤中传输时，由于这两种模式的有效折射率不同，在传输一定长度后会产生一个相位差，在输出端就会产生强烈的模式干涉。而高的热光系数使得当此光纤的温度变化时折射率也产生较大的变化，从而模式干涉波长也会发生漂移，用光谱仪监控波长的漂移量就可以得到温度的变化量。
如图3所示，加入一个温度可调的高温炉6来模拟使用场景，将所述异质包层结构光子晶体光纤3放置在所述高温炉6内，所述第一单模光纤2、所述第二单模光纤4与所述异质包层结构光子晶体光纤3的熔接点位于所述高温炉6外。
图4为3种不同长度的异质包层结构光子晶体光纤4的透射光谱，可以看出该透射光谱的干涉条纹清晰，动态范围大，利于用光谱仪进行监测。
图5为把异质包层结构光子晶体光纤4放在高温炉6中监测到的光谱变化情况，在300℃到1000℃的范围内其灵敏度高达90pm/℃。并且使用不同长度的光纤和升降温时其灵敏度也保持一致，说明该传感器稳定性能非常好。
该全光纤传感器成像条纹清晰、灵敏度高，方便实用，而且成本非常低，有利于实际应用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种全光纤传感器，其特征在于，其包括：一ASE宽带光源、第一单模光纤、异质包层结构光子晶体光纤、第二单模光纤及光谱仪，所述第一单模光纤一端与所述ASE宽带光源连接，所述第一单模光纤的另一端与所述异质包层结构光子晶体光纤的一端熔接，所述第二单模光纤的一端与所述光谱仪连接，所述第二单模光纤的另一端与所述异质包层结构光子晶体光纤的另一端熔接,所述异质包层结构光子晶体光纤包括一外包层、一纯石英芯及若干掺锗棒，所述纯石英芯包裹着所述掺锗棒，所述外包层包裹着所述纯石英芯。
2.根据权利要求1所述的全光纤传感器，其特征在于，所述掺锗棒的截面排列形成一三角形阵，若干所述三角形阵组成一正六边形。
3.根据权利要求2所述的全光纤传感器，其特征在于，所述外包层31外径为125μm，所述掺锗棒的直径为1.75μm，数值孔径为0.22，所述掺锗棒之间的间隔为3.5μm。
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