CN113029381B - 基于石英管封装pdms腔和空气腔的高精度温度传感器 - Google Patents

基于石英管封装pdms腔和空气腔的高精度温度传感器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了基于石英管封装PDMS腔和空气腔的高精度温度传感器，涉及光纤传感器技术领域，包括传感头、宽谱光源、光纤环形器和光谱仪。宽谱光源发出的入射光经过光纤环形器进入传感头，然后依次经过传感头里界面M1、M2和M3反射，反射光经光纤环形器后被光谱仪接收，传感头中采用光纤熔接和胶粘石英管的方式制备光纤微腔。其传感器产生增强型游标效应的方法为，空气腔和PDMS腔均为法布里‑珀罗干涉计，法布里‑珀罗干涉计为对被测参量敏感的传感干涉计，且两干涉计对温度具有相反的温度响应，从而增强游标效应对灵敏度的放大作用。该传感器制作简单，成本低，结构紧凑便于使用，双腔级联增强了游标效应，大幅提高灵敏度。

Description

基于石英管封装PDMS腔和空气腔的高精度温度传感器
技术领域
本发明涉及光纤传感器技术领域，具体涉及基于石英管封装PDMS腔和空气腔的高精度温度传感器。
背景技术
温度作为国际单位制七个基本物理量之一，在国民经济、国防建设和科学研究等领域中温度的准确测量具有举足轻重的作用。随着温度传感应用需求的提高，传统的温度传感器已经无法满足高精度的测量要求。光纤温度传感器具有尺寸小、测量精度高、灵敏度高、抗电磁干扰强、电绝缘性好、温度范围大等诸多优点，在温度测量方面有着自身独特的优势。
但目前市场上的光纤温度传感器如专利CN201810738431.6制造过程复杂、采用镀膜的方式制作光纤微腔，镀膜需要昂贵的专门镀膜设备，如专利CN201810996463.6采用马赫-曾德干涉原理，探测透射光，为非尖端结构，相对于尖端结构安装不便，如专利CN2201810971799.7进行温度检测时，灵敏度放大倍率小，灵敏度低，不能满足实际需求。
发明内容
本发明要解决的问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了基于石英管封装PDMS腔和空气腔的高精度温度传感器，提供了一种制造简单，安装方便，灵敏度高的温度传感器。
本发明为了上述技术问题采取的技术方案是：
基于石英管封装PDMS腔和空气腔的高精度温度传感头，沿光纤传播路径上依次设有：第一单模光纤、第一空芯光纤、第二空芯光纤、第二单模光纤，所述第一空芯光纤内设有PDMS腔，所述第二空芯光纤内设有空气腔。
优选的，所述第一单模光纤、所述第一空芯光纤、所述第二空芯光纤、所述第二单模光纤外包裹有石英管。
优选的，所述传感头中所述第一单模光纤和所述第二单模光纤的外径均为125微米，纤芯直径为10微米，所述第一空芯光纤和所述第二空芯光纤的外径为125微米，内径为50-70微米，所述石英管外径为300微米，内径为150微米。
优选的，所述第二单模光纤(302)替代为多模光纤或无芯光纤或熊猫光纤。
本发明还提供了一种传感头，所述传感头的制备方法包括：
步骤一：将所述第一单模光纤与所述第一空芯光纤熔接，然后切割所述第一空芯光纤；
步骤二：将液态PDMS填满所述第一空芯光纤，加热PDMS；
步骤三：将所述第二单模光纤和第二空芯光纤熔接，切割第二空芯光纤；
步骤四；将所述第一空芯光纤与第二空芯光纤在石英管内对接，向石英管狭缝内注入UV胶，再用紫外光照射。
本发明还提供了一种传感器，基于石英管封装PDMS腔和空气腔的高精度温度传感器，包括所述的传感头、宽谱光源、光纤环形器和光谱仪，所述第一单模光纤与PDMS腔间的界面为M1，所述PDMS腔与空气腔间的界面为M2，所述空气腔与第二单模光纤间的界面为M3，所述宽谱光源发出的入射光经光纤环形器进入所述传感头，然后依次经过所述界面M1、M2和M3反射，反射光经光纤环形器后被光谱仪接收。
优选的，所述宽谱光源波长为1200nm-1600nm。
本发明还提供了一种计算方法，在传感器中,计算放大倍数和灵敏度的方法，所述空气腔和PMDS腔均为法布里-珀罗干涉计，所述法布里-珀罗干涉计为对被测参量敏感的传感干涉计，且两干涉计对温度具有相反的温度响应，从而增强游标效应对灵敏度的放大作用，原理的公式计算推导步骤为：
步骤一：计算PDMS腔和空气腔的干涉谱强度，
Figure BDA0002951124140000031
Iall(λ)＝I1(λ)+I2(λ) (2)
PDMS腔和空气腔的干涉谱强度分别为I1(λ)和I2(λ)，PDMS腔和空气腔构成级联结构，光谱光谱仪接收到的光谱强度为Iall为PDMS腔和PDMS腔干涉谱的叠加，其中，λ为入射光波长，A、B、C分别为由界面M1、M2和M3反射回光谱仪中的反射光的振幅，L1、L2分别为PDMS腔和空气腔的长度，n1和n2为PDMS和空气的折射率。
步骤二：计算常规游标效应的放大倍率，
Figure BDA0002951124140000032
当PDMS腔的光程n1L1(或自由光谱范围FSR1)与空气腔的光程n2L2(或自由光谱范围FSR2)接近，但不相等时，级联双腔的干涉谱就会产生包络，即游标效应，其中Ienvelope表示为干涉谱包络的光强，E为干涉谱包络振幅，M为常规游标效应的放大倍率。
步骤三：计算PDMS腔和空气腔的灵敏度，
Figure BDA0002951124140000033
Figure BDA0002951124140000041
PDMS腔的温度灵敏度为S1，空气腔的温度灵敏度为S2，其中，λm为峰值波长，α为PDMS的热光系数，β为PDMS的热膨胀系数。
步骤四：计算增强型游标效应的灵敏度和放大倍率，
Figure BDA0002951124140000042
Figure BDA0002951124140000043
其灵敏度为SE，增强型游标效应相对于PDMS腔和空气腔的放大倍率分别为M1′和M2′，M1′和M2′明显大于常规游标效应放大倍率M。
本发明具有以下有益效果：
采用光纤熔接和胶粘制备方法，制作简单，不需要昂贵的专业设备，制备的光纤微腔稳定性好。利用法布里-珀罗干涉原理，探测的是反射光，为尖端结构，体积小，结构紧凑，便于使用。使用热膨胀系数极高的PDMS材料和双腔级联实现了增强型游标效应，灵敏度放大倍率明显高于常规游标效应。
附图说明
图1是基于增强型游标效应的高精度温度传感器结构示意图；
图2是传感器中传感头的机构示意图；
图3是PMDS腔和空气腔级联干涉谱；
图4是温度增加1℃时单个PDMS腔和单个空气腔的干涉谱变化
图5是温度增加1℃时干涉谱包络变化
其中1、宽谱光源；2、光纤环形器；3、传感头；4、光谱仪；301、第一单模光纤；302、第二单模光纤；303、第一空芯光纤；304、第二空芯光纤；305、石英管；306、PDMS腔；307、UV胶
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，说描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域的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，都应当属于本申请保护的范围。
为了解决制造过程复杂、费用高，安装不便，灵敏度低问题，下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
实施例
参照图2所示，基于石英管封装PDMS腔和空气腔的高精度温度传感头，沿光纤传播路径上依次设有：第一单模光纤301、第一空芯光纤303、第二空芯光纤304、第二单模光纤302，所述第一空芯光纤303内设有PDMS腔306，所述第二空芯光纤304内设有空气腔。所述第一单模光纤301、所述第一空芯光纤303、所述第二空芯光纤304、所述第二单模光纤302外包裹有石英管305。所述第一单模光纤301和所述第二单模光纤302的外径均为125微米，纤芯直径为10微米，所述第一空芯光纤303和所述第二空芯光纤304的外径为125微米，内径为50-70微米，所述石英管305外径为300微米，内径为150微米。此范围内的光纤的传导效果更好，减少损耗。所述第二单模光纤302替代为多模光纤或无芯光纤或熊猫光纤，所述第二单模光纤302的作用就是提供一个反射界面，可以用其他任何一种可以完成此功能的光纤替代。
参照图2所示，所述传感头3的制备方法包括：
步骤一：将所述第一单模光纤3与所述第一空芯光纤熔接，然后切割所述第一空芯光纤，切割后第一空心光纤的长度为100-200微米；
步骤二：利用毛细现象，将液态PDMS填满第一空芯光纤，然后加热使其固化封闭微腔；
步骤三：将所述第二单模光纤和第二空芯光纤熔接，切割第二空芯光纤，切割后的第二空芯光纤的长度由第一空芯光纤的长度决定，需要保证光在PDMS腔内传输的过程与在空气腔内传输的光程接近，但不相等；
步骤四：将第一空芯光纤与第二空芯光纤在石英管内对接，对准后，向石英管狭缝内注入UV胶，然后紫外光照射使UV胶固化完成粘接。
参照图1所示，基于石英管封装PDMS腔和空气腔的高精度温度传感器，包括传感头3、宽谱光源1、光纤环形器2和光谱仪4，所述第一单模光纤301与PDMS腔306间的界面为M1，所述PDMS腔306与空气腔间的界面为M2，所述空气腔与第二单模光纤302间的界面为M3，所述宽谱光源1波长为1200nm-1600nm发出的入射光经光纤环形器2进入所述传感头3，然后依次经过所述界面M1、M2和M3反射，反射光经光纤环形器2后被光谱仪4接收。
参照图2所示，所述的传感器,计算放大倍数和灵敏度的方法，所述空气腔和PMDS腔306均为法布里-珀罗干涉计，所述法布里-珀罗干涉计为对被测参量敏感的传感干涉计，且两干涉计对温度具有相反的温度响应，从而增强游标效应对灵敏度的放大作用，原理的公式计算推导步骤为：
步骤一：计算PDMS腔和空气腔的干涉谱强度，
Figure BDA0002951124140000061
Iall(λ)＝I1(λ)+I2(λ) (2)
PDMS腔和空气腔的干涉谱强度分别为I1(λ)和I2(λ)，PDMS腔和空气腔构成级联结构，光谱光谱仪接收到的光谱强度为Iall为PDMS腔和PDMS腔干涉谱的叠加，其中，λ为入射光波长，A、B、C分别为由界面M1、M2和M3反射回光谱仪中的反射光的振幅，L1、L2分别为PDMS腔和空气腔的长度，n1和n2为PDMS和空气的折射率，分别约为1.399和1.0。
步骤二：计算常规游标效应的放大倍率，
Figure BDA0002951124140000071
当PDMS腔的光程n1L1(或自由光谱范围FSR1)与空气腔的光程n2L2(或自由光谱范围FSR2)接近，但不相等时，级联双腔的干涉谱就会产生包络，即游标效应，其中Ienvelope表示为干涉谱包络的光强，E为干涉谱包络振幅，M为常规游标效应的放大倍率。
步骤三：计算PDMS腔和空气腔的灵敏度，
Figure BDA0002951124140000072
Figure BDA0002951124140000073
PDMS腔的温度灵敏度为S1，空气腔的温度灵敏度S2，其中，λm为峰值波长，α为PDMS的热光系数，其值约为-5.0×10-4/℃，β为PDMS的热膨胀系数，其值约为9.6×10-4/℃。将相关参数带入公式(5)，可知S1>0和S2<0,即当温度增加时，PDMS腔红移，空气腔蓝移，移动方向相反，如图4所示。
步骤四：计算增强型游标效应的灵敏度和放大倍率，
Figure BDA0002951124140000081
Figure BDA0002951124140000082
其灵敏度为SE，远大于单个PDMS腔和单个空气腔的灵敏度，即温度变化时干涉谱包络的平移量远大于单个PDMS和单个空气腔，如图5所示。相对于单个PDMS腔和单个空气腔，增强型游标效应的放大倍率分别为M1′和M2′，M1′和M2′明显大于常规游标效应放大倍率M。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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 (5)

1.基于石英管封装PDMS腔和空气腔的高精度温度传感器，其特征在于，所述高精度温度传感器包括传感头(3)、宽谱光源(1)、光纤环形器(2)和光谱仪(4)，所述传感头(3)沿光纤传播路径上依次设有：第一单模光纤(301)、第一空芯光纤(303)、第二空芯光纤(304)、第二单模光纤(302)，所述第一空芯光纤(303)内设有PDMS腔(306)，所述第二空芯光纤(304)内设有空气腔；
所述传感头通过如下方式制作：步骤一、将所述第一单模光纤与所述第一空芯光纤熔接，然后切割所述第一空芯光纤；步骤二、将液态PDMS填满所述第一空芯光纤，加热PDMS；步骤三、将所述第二单模光纤和第二空芯光纤熔接，切割第二空芯光纤；步骤四、将所述第一空芯光纤与第二空芯光纤在石英管内对接，向石英管狭缝内注入UV胶(307)，再用紫外光照射；
所述第一单模光纤(301)与PDMS腔(306)间的界面为M1，所述PDMS腔(306)与空气腔间的界面为M2，所述空气腔与第二单模光纤(302)间的界面为M3；
所述宽谱光源(1)发出的入射光经光纤环形器(2)进入所述传感头(3)，然后依次经过所述界面M1、M2和M3反射，反射光经光纤环形器(2)后被光谱仪(4)接收；
当所述PDMS腔的光程n1L1与所述空气腔的光程n2L2接近、但不相等时，所述空气腔和PMDS腔(306)均为法布里-珀罗干涉计、且两干涉计对温度具有相反的温度响应，所述高精度温度传感器的增强型游标效应的灵敏度SE如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；
Figure DEST_PATH_IMAGE004
；
式中，L 1、L 2分别为PDMS腔和空气腔的长度，n 1和n 2分别为PDMS和空气的折射率，S 1表示PDMS腔的温度灵敏度，S 2表示空气腔的温度灵敏度，α为PDMS的热光系数，β为PDMS的热膨胀系数；M表示常规游标效应的放大倍率；
Figure DEST_PATH_IMAGE006
表示增强型游标效应相对于PDMS腔的灵敏度放大倍率；
Figure DEST_PATH_IMAGE008
表示增强型游标效应相对于空气腔的灵敏度放大倍率；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
；
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为峰值波长。
2.根据权利要求1所述的高精度温度传感器，其特征在于，所述第一单模光纤(301)、所述第一空芯光纤(303)、所述第二空芯光纤(304)、所述第二单模光纤(302)外包裹有石英管(305)。
3.根据权利要求1所述的高精度温度传感器，其特征在于，所述第一单模光纤(301)和所述第二单模光纤(302)的外径均为125微米，纤芯直径为10微米，所述第一空芯光纤(303)和所述第二空芯光纤(304)的外径为125微米，内径为50-70微米，所述石英管(305)外径为300微米，内径为150微米。
4.根据权利要求1所述的高精度温度传感器，其特征在于，所述第二单模光纤(302)替代为多模光纤或无芯光纤或熊猫光纤。
5.根据权利要求1所述的高精度温度传感器，其特征在于，所述宽谱光源(1)波长为1200nm-1600nm。
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