CN113758600A - 基于向列相液晶的Sagnac温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于向列相液晶的Sagnac温度传感器，本发明涉及光纤应用技术领域，包括宽带光源，内置向列相液晶的Sagnac传感单元和光谱仪：所述Sagnac传感单元是由2x23dB耦合器、光纤插芯匹配套管和向列相液晶组成。在旋转***光纤插芯匹配套管的两根光纤跳线后，Sagnac传感单元内的向列相液晶分子会沿着光纤端面平行取向，成为各向异性材料，进而在光谱仪上形成Sagnac干涉谱。向列相液晶分子对外界温度变化灵敏，可实现对温度的传感。本发明还可以改变传感单元里连接两根光纤跳线的光纤插芯匹配套管内留有的间隙来控制注入向列相液晶的厚度，注入的液晶仅有几十至几百个微米厚度，可用于实现微小空间的温度传感。

Description

基于向列相液晶的Sagnac温度传感器

技术领域

本发明涉及光纤应用技术领域，尤其涉及基于向列相液晶的Sagnac温度传感器。

背景技术

温度传感器是通过物体随温度变化而改变某种特性来间接测量的，这种特性一般为电阻、电容、电动势、磁性能、频率、光学特性及热噪声等。光纤温度传感器是利用材料的光学特性来实现对温度的测量，能够提供一种尺寸小、线性好、实时监测响应快、灵敏度高的温度传感器。向列相液晶是由长径比很大的棒状分子组成，这种分子长轴彼此相互平行的自发取向会使液晶成为各向异性材料，产生很强的双折射。向列相液晶分子会随着温度的升高，双折射减小。当温度达到清亮点时，液晶分子的取向有序被破坏，双折射消失，成为各向同性材料。向列相液晶因其特有的光学特性和良好的温度响应特性而被广泛研究。

目前,马明建等人研究了基于液晶填充光子晶体光纤(PCF)的Sagnac温度传感器，实现了宽范围和高灵敏度的温度测量。但是这种结构复杂，制作难度较高，不能实现大规模生产。因此研究一种低成本、操作简单、灵活性高的液晶光纤温度传感器具有很高的实用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于向列相液晶的Sagnac温度传感器，用以解决现有光纤温度传感器结构复杂、制作难度高、成本高等问题。

为了实现上述目的，一种基于向列相液晶的Sagnac温度传感器，所述传感器包括宽带光源BBS，内置向列相液晶的Sagnac传感单元和光谱仪OSA；所述传感器由宽带光源BBS发出光到Sagnac传感单元，所述光谱仪OSA接收传感单元输出的信号。

优选地，所述宽带光源BBS，传感单元与所述光谱仪OSA之间均采用单模光纤连接。

所述Sagnac传感单元包括2x2 3dB耦合器和光纤插芯匹配套管，所述光纤插芯匹配套管用来注入向列相液晶；

所述2x2 3dB耦合器，左右两侧均有两个端口，光纤插芯匹配套管内注入向列相液晶被连接在3dB耦合器右侧的P3,P4两个端口之间，形成Sagnac环，3dB耦合器左侧的P1端与宽带光源连接，用来接收宽带光源，P2端与光谱仪连接，测量输出谱。

优选地，在所述光纤插芯匹配套管内设置有光纤跳线，连接光纤跳线的光纤插芯匹配套管内加入向列相液晶，旋转光纤插芯匹配套管内的光纤跳线，向列相液晶分子会沿光纤跳线端面平行取向，变成各向异性，在光谱仪上形成Sagnac干涉谱，向列相液晶分子对外界温度变化灵敏，可实现对温度的传感。

优选地，所述光纤插芯匹配套管内，中间留有一定的间隙，改变光纤插芯匹配套管中两根单模光纤跳线的端面间隙可以调节向列相液晶的厚度，注入的液晶仅有几十之几百微米厚度，进而实现微小空间温度传感。

优选地，所述2x2 3dB耦合器(11)右侧的P3端来传输从3dB耦合器接收的第一束光，沿着Sagnac环顺时针传输到P4端，P4端来传输从3dB耦合器接收的第二束光，第二束光沿着Sagnac环逆时针传输到P3端，两束光经过高双折射向列相液晶后会产生相位差，最终在3dB耦合器处相遇并形成Sagnac干涉谱。

所述相位差满足以下公式：

其中λ为波长，B为双折射，L为光纤插芯匹配套管内留有的间隙；

所述Sagnac干涉谱的周期可以表示为：

其中Λ为干涉谱周期，λ为波长，B是液晶分子的双折射，L是光纤插芯匹配套管内的间隙。

所述Sagnac干涉谱干涉波谷的波长随温度变化的波长灵敏度可以表示为：

其中S为波长灵敏度，λ为干涉谱波谷的波长，T为温度。

与现有技术相比，本发明所述的基于向列相液晶的Sagnac温度传感器，具有如下有益效果：

在所述光纤插芯匹配套管内设置有光纤跳线，连接光纤跳线的光纤插芯匹配套管内加入向列相液晶，旋转光纤插芯匹配套管内的光纤跳线，向列相液晶分子会沿光纤跳线端面平行取向，变成各向异性，在光谱仪上形成Sagnac干涉谱，向列相液晶分子对外界温度变化灵敏，可实现对温度的传感。

所述光纤插芯匹配套管内，中间留有一定的间隙，改变光纤插芯匹配套管中两根单模光纤跳线的端面间隙可以调节向列相液晶的厚度，注入的液晶仅有几十之几百微米，进而实现微小空间的温度传感。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。

而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明Sagnac温度传感器组成结构示意图；

图2是本发明中Sagnac干涉谱的波谷移动与温度的关系图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

如图1所示，本实施例中，一种基于向列相液晶的Sagnac温度传感器，所述传感器包括依次连接的宽带光源BBS，所述传感器由宽带光源BBS发出光到传感单元1，光谱仪OSA接收传感单元1输出的信号。

宽带光源BBS，传感单元1与光谱仪OSA之间均采用单模光纤连接。

所述的传感单元1由一个2x2 3dB耦合器11和一个连接光纤跳线的光纤插芯匹配套管内注入向列相液晶12组成。

2x2 3dB耦合器11的左右两侧均有两个端口，连接光纤的光纤插芯匹配套管内注入向列相液晶12被接入在3dB耦合器11右侧的P3端口和P4端口之间，形成闭合的Sagnac干涉环13；在3dB耦合器11的左侧有P1和P2两个端口，P1端口用于接收宽带光源BBS，P2端口输出干涉谱；宽带光源BBS发出一束光从3dB耦合器11的P1端口经过3dB耦合器被分成两束光，第一束光通过P3端传输，沿着Sagnac环(13)顺时针传输到P4端；第二束光通过P4端传输，沿着Sagnac环(13)逆时针传输到P3端，这两束光在经过注入的向列相液晶(12)时，会产生相位差

最终会在3dB耦合器(11)处相遇，从P2端输出Sagnac干涉谱。

光纤插芯匹配套管(121)的左右两端均连接单模光纤(123)，两个单模光纤用光纤插芯匹配套管连接时，中间留有一定的间隙用来注入向列相液晶(122)，可通过改变光纤插芯匹配套管内的间隙来控制液晶的厚度，注入的液晶仅有几十之几百微米的厚度,当液晶刚注入进光纤插芯匹配套管时，液晶分子没有取向，是各向同性材料。旋转光纤插芯匹配套管的两根光纤跳线(123)，向列相液晶分子沿光纤跳线端面平行取向，成为各向异性材料。Sagnac环里的高双折射液晶对外界温度变化敏感，当向列相液晶的温度在结晶点和清亮点之间时，液晶是有取向的。

当温度在向列相液晶分子的清亮点和结晶点之间时，液晶分子可通过摩擦取向或电场取向成为各向异性材料，产生很强的双折射，被连接在Sagnac环里时会在3dB耦合器的P2端形成Sagnac干涉谱。干涉谱的周期可以表示为：

(Λ为干涉谱周期，λ为波长，B是液晶分子的双折射，L是光纤插芯匹配套管内的间隙)。随着温度的升高，液晶分子的双折射减小，当温度达到清亮点时，液晶分子取向遭到破坏，成为各向同性材料，P2端的Sagnac干涉谱消失。

改变传感单元的外界温度，液晶的双折射会发生改变，根据

干涉谱的波长和周期也会相应的发生改变。

向列相液晶分子的双折射对外界温度变化敏感，用于温度传感时，Sagnac干涉波谷的波长随温度变化的波长灵敏度可以表示为

S为波长灵敏度，λ为干涉谱波谷的波长，T为温度。

下面采用向列相液晶BHR40300对本发明做进一步的详细解释:

向列相液晶BHR40300的清亮点是81℃，在20℃，波长是589.3nm处，双折射是0.251。将它注入光纤插芯匹配套管内，改变传感元件的外界温度，观察光谱仪OAS上的干涉谱的移动。我们发明的Sagnac温度传感器可以测量的温度范围较宽，温度测量范围可从液晶的结晶点到清亮点，图2为Sagnac干涉谱的波谷移动与温度的关系图，横坐标是温度，温度范围设置在2.2℃到58.2℃；纵坐标是波谷移动。从图2我们可以看出随着温度的升高，波谷向短波长移动，波谷移动的间隔随着温度的升高而增大，波长灵敏度逐渐增大，根据

最高温度灵敏度为-10.85nm/℃，综述所述，我们发明的基于向列相液晶的Sagnac温度传感器具有高温度灵敏度，可实现对较宽温度范围的测量；Sagnac环里只有高双折射的向列相液晶，制作简单，灵活性较高，可操作性强。

应该注意的是所述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种基于向列相液晶的Sagnac温度传感器，其特征在于，所述传感器包括依次连接的宽带光源BBS，Sagnac传感单元(1)和光谱仪OSA；所述传感器由宽带光源BBS发出光到Sagnac传感单元(1)，所述光谱仪OSA接收传感单元(1)输出的信号。

2.如权利要求1所述的一种基于向列相液晶的Sagnac温度传感器，其特征在于，所述宽带光源BBS，Sagnac传感单元(1)与所述光谱仪OSA之间均采用单模光纤连接。

3.如权利要求1所述的一种基于向列相液晶的Sagnac温度传感器，其特征在于，

所述Sagnac传感单元(1)包括2x2 3dB耦合器(11)和光纤插芯匹配套管(121)，所述光纤插芯匹配套管(121)用来注入向列相液晶；

所述2x2 3dB耦合器(11)，左右两侧均有两个端口，光纤插芯匹配套管内注入向列相液晶被连接在3dB耦合器右侧的P3,P4两个端口之间，形成Sagnac环，3dB耦合器(11)左侧的P1端与宽带光源连接，用来接收宽带光源，P2端与光谱仪连接，测量输出谱。

4.如权利要求3所述的一种基于向列相液晶的Sagnac温度传感器，其特征在于，在所述光纤插芯匹配套管内设置有光纤跳线，连接光纤跳线的光纤插芯匹配套管内加入向列相液晶。

5.如权利要求3所述的一种基于向列相液晶的Sagnac温度传感器，其特征在于，所述光纤插芯匹配套管(121)内，中间留有一定的间隙(122)用于控制注入向列相液晶的厚度。

6.如权利要求1所述的一种基于向列相液晶的Sagnac温度传感器，其特征在于，

所述2x2 3dB耦合器(11)右侧的P3端来传输从3dB耦合器接收的第一束光，沿着Sagnac环顺时针传输到P4端，P4端来传输从3dB耦合器接收的第二束光，第二束光沿着Sagnac环逆时针传输到P3端，两束光经过高双折射向列相液晶后会产生相位差，最终在3dB耦合器处相遇并形成Sagnac干涉谱。

7.如权利要求6所述的一种基于向列相液晶的Sagnac温度传感器，其特征在于，所述相位差满足以下公式：

其中λ为波长，B为双折射，L为光纤插芯匹配套管内留有的间隙；

所述Sagnac干涉谱的周期可以表示为：

其中Λ为干涉谱周期，λ为波长，B是液晶分子的双折射，L是光纤插芯匹配套管内的间隙。

8.如权利要求6所述的一种基于向列相液晶的Sagnac温度传感器，其特征在于，

所述Sagnac干涉谱干涉波谷的波长随温度变化的波长灵敏度可以表示为：

其中S为波长灵敏度，λ为干涉谱波谷的波长，T为温度。

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