CN109238506A - 一种高灵敏度温度传感器及温度检测*** - Google Patents

Abstract

本发明属于微纳结构光纤传感器领域，为解决现有光纤温度传感器的传感灵敏度不高的问题，提出一种高灵敏度温度传感器及温度检测***，由第一梭形光纤和第二梭形光纤组成，第二梭形光纤和第一梭形光纤具有相同的形状结构，在两个梭形光纤上设置纤芯分离收缩锥区并对接构成中心锥区。经过梭形光纤的光由于纤芯不连续而实现了光从基模到高阶模式的转化。当外界温度改变时，就会引起光纤折射率的改变，高阶模式就会因为光纤折射率的改变而发生光传输相移的变化，导致在第二梭形光纤的高阶模式和低阶模式耦合系数发生变化而使得透射光谱发生变化，因此可以通过透射光谱的变化来测量温度的变化。

Description

一种高灵敏度温度传感器及温度检测***

技术领域

本发明属于微纳结构光纤传感器领域，具体涉及一种高灵敏度温度传感器及温度检测***。

背景技术

由于光纤传感器抗电磁干扰、灵敏度高、尺寸小等优点，近年来被广泛关注。例如，Bo Huang等报道了一种基于Lyot滤波器的应力传感器，灵敏度可以达到-6.39×10^-6rad/με。常见的光纤传感器有光纤光栅，光纤Sagnac干涉仪，光纤马赫-曾德尔干涉仪(MZI)，光纤Fabry–Perot谐振腔。其中MZI具有响应速度快、灵敏度高、性能稳定等优点。Bin Yin等报道了一种温度和应力传感器，灵敏度分别达到0.7096pm/με和44.12pm/℃。微纳光纤具有较高的表面场和倏逝波，因此能够大大提高传感器的灵敏度。基于微纳光纤的微MZI(MMZI)同时具有MZI和微纳光纤的特性，近年来被广泛用于传感器的研究。例如Jeremie Harris等报道了一种基于光子晶体光纤的MMZI温度和应力传感器。Iván Hernández-Romano等报道一种表面涂覆聚二甲基硅氧烷的锥形光纤，但是这种聚合物对人体健康有一定风险(Iván Hernández-Romano,et al.IEEE Photonics technology letters,2015,vol,27,2591)。目前基于MMZI灵敏度较高的是Hui Zhang等报道的具有D型腔的温度传感器(Hui Zhang,etal.Sensors,2018,vol,18,1239)，灵敏度可以达到82.72nm/℃。但是这种传感器的缺点也相当明显，首先制作这种微腔结构需要昂贵的激光器和控制设备，其次这种微腔结构对光损耗比较大，最后外界微小力就还可以破坏这种微腔结构不利于实际应用。

发明内容

本发明的目的是解决以往光纤温度传感中模式单一、灵敏度不高等问题，提出的技术方案如下：

一种高灵敏度温度传感器，由引导光纤和具有双梭形结构的锥形光纤熔接而成；所述的具有双梭形结构的锥形光纤由第一梭形光纤和第二梭形光纤组成，其中第一梭形光纤由纤芯和包层构成；沿着光传播方向第一梭形光纤上依次由收缩锥区、锥区腰部、增大锥区、纤芯分离收缩锥区构成；其中增大锥区、纤芯分离收缩锥区共同形成第一梭形光纤的梭形结构；第二梭形光纤和第一梭形光纤具有相同的形状结构，第一梭形光纤的纤芯分离收缩锥区和第二梭形光纤的纤芯分离收缩锥区对接构成中心锥区；所述的引导光纤与第一梭形光纤外端面熔接；所述的收缩锥区横截面直径沿着光传播方向逐步减小，所述的增大锥区横截面直径沿着光传播方向逐步增大，所述的锥区腰部为收缩锥区和增大锥区之间的过渡区域，所述的纤芯分离收缩锥区中不含纤芯且横截面直径沿着光传播方向逐步减小；

所述的引导光纤为纤芯包层单模光纤，引导光纤用于将光导入具有双梭形结构的锥形光纤中。两个梭形光纤区增大锥区的最大光纤直径以及纤芯分离区的光纤直径可以相同或者不同；对接后第二梭形光纤和第一梭形光纤结构成对称或者不对称分布。

第一梭形光纤和第二梭形光纤形状结构相同，通过将纤芯分离收缩锥区对接构成双梭形结构的锥形光纤。因此光传播路径为：由引导光纤引导光纤耦合进入第一梭形光纤的收缩锥区、锥区腰部、增大锥区、纤芯分离收缩锥区，然后进入第二梭形光纤的纤芯分离收缩锥区、增大锥区、锥区腰部、收缩锥区，最后从第二梭形光纤的收缩锥区外端面射出。由于第一梭形光纤与第二梭形光纤采用了反向对接，因此沿着光传播方向光传播通过第一梭形光纤后入射近第二梭形光纤的纤芯分离收缩锥区处截面直径由小变大、增大锥区截面直径由大变小、锥区腰部为过渡区、收缩锥区截面直径由小变大。一种高灵敏度温度传感器基于微纳马赫-曾德尔干涉仪的原理：光经第一梭形光纤增大区时，经过光纤纤芯的光由于纤芯不连续而发散到整个梭形光纤区，实现了光从基模到高阶模式的转化；然后光经过两个无光纤纤芯的梭形连接区进行传输，其中低阶模式的光沿着光轴方向传输，模式越高的光越远离光轴，越靠近光纤包层附近传输；最后锥区连接的光进入第二个梭形光纤区，由于梭形光纤的聚光作用，再次把光耦合进光纤纤芯，由于耦合进光纤纤芯的光是高阶模式和低阶模式之间的耦合，因此实现模式之间干涉，形成具有梳妆滤波特性的透射光谱图。当外界温度改变时，就会引起光纤折射率的改变，高阶模式就会因为光纤折射率的改变而发生光传输相移的变化，导致在第二个梭形光纤区高阶模式和低阶模式耦合系数发生变化而使得透射光谱发生变化，因此可以通过透射光谱的变化来测量温度的变化。由于在两个梭形光纤连接区域为无纤芯连接，使基模光更容易的激发到高阶模式，而且中心锥区比较长且直径小，增加了高阶模式和外界环境的反应时间并且缩短了反应距离，因此很容易探测外界环境，制备性能优良的传感探测器件。

基于上述高灵敏度温度传感器，还提供一种高灵敏度温度检测***，由宽带光源、所述的高灵敏度温度传感器、光谱分析仪组成；所述宽带光源发出的光由引导光纤耦合入所述的高灵敏度温度传感器，从所述的高灵敏度温度传感器射出的光由光谱分析仪接收；光在经过所述的第一梭形光纤、第二梭形光纤时同时出现高阶模式和基模两种传输模式，当温度变化时，光谱分析仪用于记录光波长变化值，从而可以计算出温度变化。

由于本技术方案的使用，纤芯分离结构能够将更多的基模转变为高阶模，而高阶模更容易受到环境温度变化的影响，因此能够有效的提高灵敏度。此外具有双梭形结构的锥形光纤能够有效的将高阶模重新耦合入纤芯，从而能够根据波长偏移来测量出温度变化。

一种温度传感特性检测装置，包括宽带光源，所述的高灵敏度温度传感器、恒温箱，光谱分析仪；所述宽带光源发出的光由引导光纤耦合入所述的高灵敏度温度传感器，从所述的高灵敏度温度传感器射出的光由光谱分析仪接收；光在经过所述的第一梭形光纤、第二梭形光纤时同时出现高阶模式和基模两种传输模式，宽带光源的自发辐射光谱范围为1523nm～1573nm，恒温箱用于对温度调节和恒温保持，光谱分析仪用于对透射谱选定的波谷的波长进行检测，通过对波长温度关系曲线进行拟合，得到温度与波长关系式。

基于上述高灵敏度温度传感器，还提供一种高灵敏度温度传感器的制备方法，步骤为：

1)利用光纤切割刀分别将两根单模光纤的两端面切平；

2)分别将步骤1)中的两根单模光纤放入熔接机中，连续放电两次，使其端面形成半球状；

3)将步骤2)中的两根单模光纤同时放入熔接机中，使其端面为半球状一端对齐，进行放电熔接制成具有葫芦状结构光纤；

4)使用氢氧火焰拉锥机对葫芦状光纤的腰部进行熔融拉锥制成具有双梭形结构的锥形光纤；

5)将上述双梭形结构锥形光纤与引导光纤熔接。

在进行此步骤4)时可利用氢氧焰拉锥机点烧功能对锥区进行局部拉锥，并通过光谱分析仪实时对具有双梭形结构的锥形光纤的透射谱带宽进行监测。

上述一种高灵敏度温度传感器传感特性的检测方法，用引导光纤将所述宽带光源发出的光耦合入第一梭形光纤，光在经过所述的第一梭形光纤、第二梭形光纤时同时出现高阶模式和基模两种传输模式，将所述的高灵敏度温度传感器置于恒温箱中，用光谱分析仪对透射谱选定的波谷的波长进行检测，通过对波长温度关系曲线进行拟合，得到温度与波长关系式。

与现有技术相比，本发明提供的具有双梭形结构的锥形光纤与制作方法及相关温度检测***具有以下优点：

1、使用价格低廉的单模光纤作为原材料进行制备；

2、使用的设备中仅使用常用的光纤器件制作设备即光纤熔接机与氢氧焰火焰拉锥机；

3、制作过程简单方便，无需复杂的手工精细操作，仅依靠机械设备就可以完成；

4、由于采用了纤芯分离结构，能够将更多的基模转变成高阶模，因此能够获得较高的灵敏度。

5、温度与波谷波长值具有良好的线性关系。

附图说明

图1为利用电弧放电法对光纤端面熔融后形成的半球端面的示意图；

图2为两根半球端面光纤熔接后的葫芦状结构的示意图；

图3为利用氢氧焰火焰拉锥法对葫芦状结构的腰部拉锥后制成的具有双梭形结构的锥形光纤示意图；

图4为具有双梭形结构的锥形光纤中心锥区的示意图；

图5为光经过具有双梭形结构的锥形光纤时的传输过程示意图；

图6为具有双梭形结构的锥形光纤透射谱的示意图；

图7为具有双梭形结构的锥形光纤尺寸例图；

图8为具有双梭形结构的锥形光纤与连续纤芯横截面场强对照曲线图；

图9为温度为70.1℃、67.3℃、65.2℃、63.6℃、62.5℃时选定波谷透射谱变化的示意图；

图10为平温度为70.1℃、67.3℃、65.2℃、63.6℃、62.5℃时选定波谷波长值与温度关系曲线以及拟合曲线的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：一种高灵敏度温度传感器，如图3所示，由引导光纤9和具有双梭形结构的锥形光纤熔接而成；所述的具有双梭形结构的锥形光纤由第一梭形光纤1和第二梭形光纤组成，其中第一梭形光纤由纤芯2和包层3构成；沿着光传播方向第一梭形光纤上依次由收缩锥区4、锥区腰部5、增大锥区6、纤芯分离收缩锥区7构成；其中增大锥区、纤芯分离收缩锥区共同形成第一梭形光纤的梭形结构；第二梭形光纤和第一梭形光纤具有完全相同的结构；第一梭形光纤的纤芯分离收缩锥区和第二梭形光纤的纤芯分离收缩锥区熔融状态下对接构成中心锥区8，所述的引导光纤与第一梭形光纤外端面熔接。

如图5所示，光经过具有双梭形结构的锥形光纤时的传输过程示意图中，光在经过第一梭形光纤锥区腰部时，部分基模转变为高阶模式，经过第一梭形光纤的梭形结构后基模在如图4所示的中心锥区与高阶模式形成多模干涉。经过中心锥区部后部分基模在此被转换成高阶模式，经过第二梭形光纤锥区腰部基模与高阶模式再次形成多模干涉，最终输出透射谱如图6所示。

设输入的总光场为：

E_i＝A_i exp[j(ωt-k_in_coreL)]

其中，A_i为光波振幅；ω为频率；t为时间；k_i为传播常数；n_core为纤芯有效折射率；L为光程。总光强为：

第一次干涉时第j阶模式光强为：

I_j＝ξ_jI_i

其中ξ_j为第j阶模式光强与输入光强的比例系数。第j阶模式的光场为：

其中，n_j为第j阶模式所对应的有效折射率。第一次干涉时光强为：

Δn_eff为第j阶模式所对应的有效折射率和基模有效折射率之差；λ为光波长。经过第二次干涉后光强满足：

其中，ξ'_n表示第二次激发的第j阶模式的光强ξ_n与输入光强的比例系数。

实施例二：一种高灵敏度温度传感器的制备方法，包括以下步骤：

1)利用光纤切割刀对包层直径为125μm、纤芯直径为8.3μm的单模光纤的端面进行切割使其平齐；

2)设置光纤熔接机的放电量为200，放电时间为1500ms。将切平的单模光纤放入熔接机中，连续放电两次，使其端面形成半球状。利用上述方法制作两根端面为半球状的单模光纤；

3)设置光纤熔接机放电强度为100，放电时间为1500ms，将上述两根半球端面光纤同时放入熔接机中，调整两根光纤位置，使其纤芯对齐，进行放电熔接制成具有葫芦状结构光纤；

4)设置氢氧火焰拉锥机的氢气流量为110.1SCCM，氧气流量为8.0SCCM，火焰扫描宽度为3mm，移动台移动速度为0.1mm/s，扫描速度为0.09mm/s。利用氢氧焰对葫芦状光纤中心腰部进行拉锥，当拉锥长度达到4.5mm左右时停止拉锥，因此拉锥后会形成如图7所示的制成具有双梭形结构的锥形光纤；

4)设置氢氧火焰拉锥机的设置拉锥机移动台移动速度为0.01mm/s，火焰中心对准右侧锥区中心，利用点烧方式并实时对MMZI的透射谱进行观测，实现对通道带宽进行调整；

5)将上述双梭形结构锥形光纤与引导光纤熔接。

如图1所示，利用强电流对光纤端面进行熔融，由于靠近两电极处温度高、中心温度低放电后会形成半球状端面结构。由于包层所受到的温度比纤芯处的高，因此包层的半球端面直径大于纤芯半的半球端面直径，两次放电后，纤芯与包层之间会形成一定距离。利用熔接机将两根半球端面光纤的包层进行熔接，可以制作成图2所示的纤芯分离的葫芦状结构。如图3以及图4所示，利用氢氧焰火焰拉锥的的方法对整个葫芦状结构进行熔融拉锥，由于受到放电熔融后的半球处直径比普通单模光纤较宽，因此拉锥后会形成具有梭形结构的锥形微光纤。

实施例三：一种高灵敏度温度检测***，由宽带光源、所述的高灵敏度温度传感器、光谱分析仪组成；所述宽带光源发出的光由引导光纤耦合入双梭形结构的锥形光纤，光在经过所述的双梭形结构的锥形光纤时同时出现高阶模式和基模两种传输模式，当温度变化时，两种模式的光程和有效折射率之差会生变化，从而引起波长变化，通过光谱分析仪记录波长变化值从而可以计算出温度变化。通过提高高阶模式强度可以有效提高传感器灵敏度，纤芯分离的结构能将基模更多的转变为高阶模式。因此在单位温度变化内，波长偏移量越大则传感器越灵敏。选定波峰或波谷的波长与温度满足关系：

其中，δΔn_eff为温度引起的纤芯与包层有效折射率之差；Δn_eff为纤芯和包层的有效折射率之差；λ为选定波峰或波谷所对应波长；δL为温度引起的干涉距离变化。从是可以看出，当δΔn_eff越大时，波长的偏移量越大。当高阶模式越强时，δΔn_eff的数值能够被提高，因此如何提高高阶模式强度是提高传感器灵敏的关键。图8具有双梭形结构的锥形光纤与连续纤芯横截面场强对照曲线图；可以看出，纤芯分离结构的主要能量可以分布于几乎整个光纤包层，而纤芯连续结构的主要能量被限制在纤芯内部几乎不能泄露到包层中，因此纤芯分离结构可以比纤芯连续结构获得更多的高阶模式。

实施例四：一种温度传感特性检测装置，包括宽带光源，双梭形结构的锥形光纤、恒温箱，光谱分析仪；宽带光源的自发辐射光谱范围为1523nm～1573nm，逐渐降低温度，利用恒温箱实现对温度调节和恒温保持，通过光谱分析对透射谱选定的波谷的波长进行检测，通过对波长温度关系曲线进行拟合，得到温度与波长关系式。设定恒温箱温度为70.1℃，选定1531.56nm处的波谷作为检测峰，分别设定恒温箱温度为67.3℃、65.2℃、63.6℃、62.5℃。从图9透射谱的变化中可以看出，随着温度的降低，选定波谷的波长方发生红移。如图10所示，波长变化与温度变化具有非常好的线性关系，R²＝0.99902。通过对关系曲线进行拟合，温度与波长满足下式：

λ＝-1.12978T+1610.7789，

其中T为温度。从式中可以计算出，温度传感对温度的灵敏度为1.12nm/℃。

在本发明中，通过设计具有双梭形的温度传感。由于纤芯分离，因此可以获得更多的高阶模式，从而提高传感器灵敏度。利用宽带光源、恒温箱、光谱分析仪对传感器的温度特性进行检测发现，该传感器具有制作简单，原材料低廉，全机械制作利于生产，线性度高，灵敏度高等特点。

本技术方案未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (5)

1.一种高灵敏度温度传感器，由引导光纤和具有双梭形结构的锥形光纤熔接而成；所述的具有双梭形结构的锥形光纤由第一梭形光纤和第二梭形光纤组成，其中第一梭形光纤由纤芯和包层构成；沿着光传播方向第一梭形光纤上依次由收缩锥区、锥区腰部、增大锥区、纤芯分离收缩锥区构成；其中增大锥区、纤芯分离收缩锥区共同形成第一梭形光纤的梭形结构；第二梭形光纤和第一梭形光纤具有相同的形状结构，第一梭形光纤的纤芯分离收缩锥区和第二梭形光纤的纤芯分离收缩锥区对接构成中心锥区；所述的引导光纤与第一梭形光纤外端面熔接；

所述的收缩锥区横截面直径沿着光传播方向逐步减小，所述的增大锥区横截面直径沿着光传播方向逐步增大，所述的锥区腰部为收缩锥区和增大锥区之间的过渡区域，所述的纤芯分离收缩锥区中不含纤芯且横截面直径沿着光传播方向逐步减小；

所述的引导光纤为纤芯包层单模光纤，引导光纤用于将光导入具有双梭形结构的锥形光纤中。

2.一种高灵敏度温度检测***，由宽带光源、权利要求1所述的高灵敏度温度传感器、光谱分析仪组成；所述宽带光源发出的光由引导光纤耦合入所述的高灵敏度温度传感器，从所述的高灵敏度温度传感器射出的光由光谱分析仪接收；光在经过所述的第一梭形光纤、第二梭形光纤时同时出现高阶模式和基模两种传输模式，当温度变化时，光谱分析仪用于记录光波长变化值。

3.一种温度传感特性检测装置，包括宽带光源，权利要求1所述的高灵敏度温度传感器、恒温箱，光谱分析仪；所述宽带光源发出的光由引导光纤耦合入所述的高灵敏度温度传感器，从所述的高灵敏度温度传感器射出的光由光谱分析仪接收；所述的高灵敏度温度传感器放置于恒温箱中，光在经过所述的第一梭形光纤、第二梭形光纤时同时出现高阶模式和基模两种传输模式，恒温箱用于温度调节和恒温保持，光谱分析仪用于对透射谱选定的波谷的波长进行检测。

4.一种高灵敏度温度传感器的制备方法，步骤为：

1)利用光纤切割刀分别将两根单模光纤的两端面切平；

2)分别将步骤1)中的两根单模光纤放入熔接机中，连续放电两次，使其端面形成半球状；

3)将步骤2)中的两根单模光纤同时放入熔接机中，使其端面为半球状一端对齐，进行放电熔接制成具有葫芦状结构光纤；

4)使用氢氧火焰拉锥机对葫芦状光纤的腰部进行熔融拉锥，制成具有双梭形结构的锥形光纤；

5)将上述双梭形结构锥形光纤与引导光纤熔接。

5.一种高灵敏度温度传感器传感特性的检测方法，用引导光纤将宽带光源发出的光耦合入权利要求1所述的高灵敏度温度传感器，光在经过所述的第一梭形光纤、第二梭形光纤时同时出现高阶模式和基模两种传输模式，将所述的高灵敏度温度传感器置于恒温箱中，用光谱分析仪对透射谱选定的波谷的波长进行检测，通过对波长温度关系曲线进行拟合，得到温度与波长关系式。