CN112945284B - 一种基于悬浮光纤错位熔接的高灵敏度高温传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于悬浮光纤错位熔接的高灵敏度高温传感器，包括宽带光源、光纤环形器、传感头及光谱仪；光纤环形器分别与所述宽带光源、传感头及光谱仪连接；传感头包括依次连接的第一单模光纤、多模光纤、悬浮芯光纤及第二单模光纤。本发明制作简单，不需要昂贵的专用设备；体积小、结构紧凑，便于使用；全光纤结构，可测达1000度的高温；不需要胶粘，传感器稳定性好；双腔并联可产生游标效应，灵敏度高。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，特别涉及一种基于悬浮光纤错位熔接的高灵敏度高温传感器。
背景技术
高温传感一直是各个国家科研人员研究的重要方向,其在航空航天、石油化工、轮机船舶等领域具有广阔的应用前景,是关系国家先进装备制造的前沿技术。但是由于应用环境的复杂、严苛,不仅要求传感器材料可以承受高温,而且要保证在高温环境下工作的稳定性和准确性。光纤传感器由于其本征安全、尺寸小、传感精度高、抗电磁干扰、易组网以及材料本身耐高温等特点,一直是该领域研究的热点。光纤温度传感器主要以光纤光栅和光纤微腔设计为主。光纤光栅的发展较为成熟,已被应用于各行各业，但是，光纤光栅在300℃以上的高温情况下，光栅会衰减或消失，严重影响了其性能。光纤微腔性能依赖于其两反射面的面形情况，面形不变则性能不变，因此，其可测量温度可达1100℃，比较接近于石英熔点。然而，由于光纤微腔腔长较短(通常50-400微米)，其温度灵敏度较低，通常低于10pm/℃。
发明内容
针对以上技术问题，本发明提供一种基于悬浮光纤错位熔接的高灵敏度高温传感器，能够测量1100℃的高温，而且利用双腔游标效应，其灵敏度比单个光纤微腔(法布里-珀罗干涉计)提高了1个数量级。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种基于悬浮光纤错位熔接的高灵敏度高温传感器，包括宽带光源、光纤环形器、传感头及光谱仪；
所述光纤环形器分别与所述宽带光源、所述传感头及所述光谱仪连接；
所述传感头包括依次连接的第一单模光纤、多模光纤、悬浮芯光纤及第二单模光纤；
所述第一单模光纤包括第一纤芯；
所述多模光纤包括第二纤芯；
所述悬浮芯光纤包括第三纤芯和第一气孔；
所述第二单模光纤包括第四纤芯；
所述第一单模光纤与所述多模光纤对芯熔接；
所述第一纤芯与所述第二纤芯对芯连接。
优选地，所述宽带光源的波段为1200nm-1600nm。
优选地，所述光纤环形器包括光纤环形器第一端、光纤环形器第二端、光纤环形器第三端；
所述光纤环形器第一端与所述宽带光源连接；
所述光纤环形器第二端与所述传感头连接；
所述光纤环形器第三端与所述光谱仪连接；
所述宽带光源通过所述光纤环形器第一端将波段信号传输到所述传感头进行处理；
所述传感头通过所述光纤环形器第二端将处理后的所述波段信号传输到所述光谱仪。
优选地，所述多模光纤长度为50-150微米。
优选地，所述多模光纤与所述悬浮芯光纤错位熔接，错位量为10-30微米；
所述第二纤芯与所述第三纤芯和第一气孔连接。
优选地，所述悬浮芯光纤的长度为200-300微米。
优选地，所述悬浮芯光纤与所述第二单模光纤错位熔接；
所述第三纤芯与所述第四纤芯连接。
优选地，所述第三纤芯和所述第四纤芯的长度满足入射光在所述第三纤芯和所述第四纤芯内传输光程总和为入射光在所述第一气孔内传输光程的1.90-1.99倍或2.01-2.10倍
本发明公开了以下技术效果：
本发明采用光纤熔接制备方法，制作简单，不需要昂贵的专用设备；体积小、结构紧凑，便于使用；全光纤结构，可测达1000度的高温；不需要胶粘，传感器稳定性好；双腔并联可产生游标效应，灵敏度高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明传感器结构示意图；
图2为本发明传感头结构示意图；
图3为本发明光纤截面示意图，其中：图3(a)为第一单模光纤和第二单模光纤截面示意图，图3(b)为多模光纤截面示意图，图3(c)为悬浮芯光纤截面示意图；
图4为本发明实施例产生的干涉谱包络示意图，其中：(a)为空气腔干涉谱，(b)为石英腔干涉谱，(c)为并联干涉谱；
图5为本发明实施例产生的游标效应示意图；其中：(a)为石英光谱平移，(b)为干涉谱包络光谱平移。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供一种基于悬浮光纤错位熔接的高灵敏度高温传感器，包括宽带光源、光纤环形器、传感头及光谱仪；
光纤环形器分别与所述宽带光源、传感头及光谱仪连接；
光纤环形器包括光纤环形器第一端、光纤环形器第二端、光纤环形器第三端；光纤环形器第一端与宽带光源连接；光纤环形器第二端与传感头连接；光纤环形器第三端与光谱仪连接；
宽带光源通过光纤环形器第一端将波段信号传输到传感头进行处理；
如图2所示，传感头通过光纤环形器第二端将处理后的波段信号传输到光谱仪。传感头包括依次连接的第一单模光纤、多模光纤、悬浮芯光纤及第二单模光纤。第一单模光纤包括第一纤芯；多模光纤包括第二纤芯；悬浮芯光纤包括第三纤芯和第一气孔；第二单模光纤包括第四纤芯。
几种光纤的横截面如图3所示，第一单模光纤、第二单模光纤、多模光纤及悬浮芯光纤的外径均为125微米，第一单模光纤、第二单模光纤和悬浮芯光纤的纤芯直径为10微米，多模光纤的纤芯直径为30-50微米，悬浮芯光纤的第一气孔位于横截面中心，直径为50微米，悬浮芯光纤的第三纤芯位于第一气孔边缘，部分裸露于空气中。
传感头的制备过程如下：
将第一单模光纤与多模光纤对芯熔接，然后将多模光纤切割，切割后的长度为50-150微米；
将多模光纤的切割端与悬浮芯光纤错位熔接，错位量为10-30微米，保证悬浮芯光纤的纤芯和气孔均与多模光纤的纤芯部分重叠，使入射光一部分进入悬浮芯光纤的纤芯，另一部分进入悬浮芯光纤的气孔，然后将悬浮芯光纤切割，切割后的长度为200-300微米；
将切割后的悬浮芯光纤与第二单模光纤错位熔接，错位熔接后悬浮芯光纤的纤芯与第二单模光纤的纤芯重合，然后切割第二单模光纤，其长度由悬浮芯光纤的长度决定，满足入射光在悬浮芯光纤纤芯和第二单模光纤纤芯中传输的光程约为在悬浮芯光纤气孔中传输光程的1.90-1.99倍或2.01-2.10倍，以保证产生游标效应。
入射光由第一单模光纤进入多模光纤，在多模光纤中扩束(多模光纤的作用：减小悬浮芯光纤错位熔接时错位量精度要求)；部分入射光被多模光纤和悬浮芯光纤气孔构成的界面M2反射，经光纤耦合器后被光谱仪接收，而另一部分光进入悬浮芯光纤；进入悬浮芯光纤的入射光在悬浮芯光纤中又分成两束，其中一束在纤芯中传输，另一束在气孔中传输；在悬浮芯纤芯中传输的光束进入第二单模光纤的纤芯，然后一部分光被界面M4反射回传感头，经光纤环形器后由光谱仪接收；在悬浮芯气孔中传输的光束，部分光被悬浮芯光纤气孔和第二单模光纤构成的界面M3反射回传感头，然后经光纤耦合器被光谱仪接收。因此，界面M2和M3构成空气腔，界面M2和M4构成石英腔。以上两腔干涉谱分别表示为：
其中：λ为入射光波长；Iair(λ)、Isilica(λ)分别表示空气腔和石英腔的干涉谱；A、B、C分别为由界面M2、M3和M4反射回光谱仪中的反射光的复振幅；L2、L2+L3分别为空气腔和石英腔的长度；nair、nsilica分别为空气腔和石英腔的折射率。
空气腔和石英腔构成并联结构，光谱仪接收到的光谱为空气腔和石英腔干涉谱的叠加，表示为：
Iall(λ)＝Iair(λ)+Isilica(λ) (2)
当石英腔的长度光程nsilica(L2+L3)约为空气腔光程nairL2的2倍，但不等于2倍时(即空气腔的自由光谱范围FSRair约为石英腔自由光谱范围FSRsilica的2倍，但不等于2倍)，并联双腔的干涉谱就会产生包络，如图4所示，该包络可表示为：
其中：M为放大因子。由于光纤的热光系数比热膨胀系数高1个数量级(光纤热光系数约为6.7×10-6/℃，光纤热膨胀系数约为0.55×10-6/℃)，空气的热光系数远小于石英(空气的热光系数约为5.6×10-7/℃)，因此，当温度变化时，可忽略光纤的热膨胀和空气的热光效应，而只考虑光纤的热光效应。基于此，当温度变化时，空气腔的干涉谱不发生变化，而石英腔的干涉谱会平移。又由于石英腔的自由光谱范围约为空气腔的2倍，但不等于2倍，此时双腔并联干涉谱会产生游标效应，即当石英腔在温度的作用下干涉谱平移时，干涉谱包络的平移量为单个石英腔平移量的M倍，如图5所示。
单个石英腔的温度灵敏度Ssilica可表示为
其中：α为光纤的热光系数；λm为峰值波长。
并联双腔传感器温度灵敏度Senvelope可表示为
双腔并联后温度灵敏度为单个石英腔的M倍。假设峰值波长为λm＝1550nm，石英折射率nsilica＝1.45，放大倍率M＝50，光纤热光系数α＝6.7×10-6/℃，则单个石英腔的温度灵敏为7pm/℃，并联双腔传感器温度灵敏度为350pm/℃。
以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (3)
1.一种基于悬浮光纤错位熔接的高灵敏度高温传感器，其特征在于，包括宽带光源、光纤环形器、传感头及光谱仪；
所述光纤环形器分别与所述宽带光源、所述传感头及所述光谱仪连接；
所述传感头包括依次连接的第一单模光纤、多模光纤、悬浮芯光纤及第二单模光纤；
所述第一单模光纤包括第一纤芯；
所述多模光纤包括第二纤芯；
所述悬浮芯光纤包括第三纤芯和第一气孔；
所述第二单模光纤包括第四纤芯；
所述第一单模光纤与所述多模光纤对芯熔接；
所述第一纤芯与所述第二纤芯对芯连接；
所述多模光纤与所述悬浮芯光纤错位熔接，错位量为10-30微米；
所述第二纤芯与所述第三纤芯和第一气孔连接；
所述悬浮芯光纤的长度为200-300微米；
所述悬浮芯光纤与所述第二单模光纤错位熔接；
所述第一单模光纤、所述第二单模光纤、所述多模光纤及所述悬浮芯光纤的外径均为125微米，所述第一单模光纤、所述第二单模光纤和所述悬浮芯光纤的纤芯直径均为10微米，所述多模光纤的纤芯直径为30-50微米，所述悬浮芯光纤的所述第一气孔位于横截面中心，所述第一气孔直径为50微米，所述悬浮芯光纤的所述第三纤芯位于所述第一气孔边缘，部分裸露于空气中；
所述第三纤芯与所述第四纤芯连接，所述第三纤芯与所述第四纤芯重合；
所述第三纤芯和所述第四纤芯的长度满足入射光在所述第三纤芯和所述第四纤芯内传输光程总和为入射光在所述第一气孔内传输光程的1.90-1.99倍或2.01-2.10倍；
所述光纤环形器包括光纤环形器第一端、光纤环形器第二端、光纤环形器第三端；
所述光纤环形器第一端与所述宽带光源连接；
所述光纤环形器第二端与所述传感头连接；
所述光纤环形器第三端与所述光谱仪连接；
所述宽带光源通过所述光纤环形器第一端将波段信号传输到所述传感头进行处理；
所述传感头通过所述光纤环形器第二端将处理后的所述波段信号传输到所述光谱仪。
2.根据权利要求1所述的基于悬浮光纤错位熔接的高灵敏度高温传感器，其特征在于，所述宽带光源的波段为1200nm-1600nm。
3.根据权利要求1所述的基于悬浮光纤错位熔接的高灵敏度高温传感器，其特征在于，
所述多模光纤长度为50-150微米。
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2021
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