CN218066800U - 一种基于并联游标效应的温度传感*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于并联游标效应的温度传感***，包括：电脑、光纤光栅解调仪、跳线、隔离器、耦合器、参考干涉仪、传感干涉仪、温箱，所述电脑连接所述光纤光栅解调仪以太网接口，所述光纤光栅解调仪输出端通过跳线连接所述隔离器输入端，所述隔离器输出端通过跳线连接所述耦合器输入端，所述耦合器输出端通过跳线分别连接所述参考干涉仪输入端与温箱输入端，所述参考干涉仪输出端与温箱输出端均通过跳线连接所述耦合器输入端，所述耦合器输出端通过跳线连接所述光纤光栅解调仪输入端，本实用新型能够通过分别控制传感干涉仪和参考干涉仪的自由光谱范围(FSR)可以获得较高的温度测量灵敏度。

Description

一种基于并联游标效应的温度传感***

技术领域

本实用新型涉及光纤传感技术领域，具体为一种基于并联游标效应的温度传感***。

背景技术

光纤传感器因其结构简单、体积小、重量轻、抗电磁干扰和灵敏度高等优点，广泛的应用于温度、折射率、压力、应变等外界物理量的测量。目前，光纤传感器已广泛应用于国防军事、生物医学、环境监测等领域。一个传统的马赫-曾德干涉仪往往是通过一个光学***来实现的，它通常包含两个耦合器，一个将光分成两路，另一个将分成两路的光耦合在一起。两路光经过不同的光程，因而在耦合后会产生干涉。而全光纤的马曾干涉仪通常是使用两个特殊的熔接结构，替代了传统马曾干涉仪中耦合器的作用，通过模场不匹配从而使得一部分光进入包层以及将包层光耦合会纤芯。而包层和纤芯的传播长度虽然一致，但它们的有效折射率不同，因此同样会产生光程差，从而引起干涉。

传统的基于游标效应的传感器，其缺点在于：结构复杂、操作困难。如中国专利申请号为201920247849.7公开一种基于游标效应的单一纤内MZI传感器，具体为：“本实用新型公开了一种基于游标效应的单一纤内MZI传感器，其特征包括：宽带光源，单模传输光纤一，单模传输光纤二，双球形结构的MZI传感头，光谱仪，滤波器，电脑；所述的双球形结构的MZI传感头是由三部分构成的，分别是一端带有球形结构的单模光纤一，第二单模光纤，一端带有球形结构单模光纤二；由于单一纤内MZI的包层模间的有效折射率差异小，直接满足了游标效应中对FSR相近的要求，利用快速傅里叶变换(FFT)获得两个干涉模的差频信息，然后利用滤波器滤出包络所在频率对应的光波信号，再经快速傅里叶逆变换(IFFT)即得到游标效应所需的包络信息；该结构传感器体积小，机械强度高，制备方法简单。”

实用新型内容

本部分的目的在于概述本实用新型的实施方式的一些方面以及简要介绍一些较佳实施方式。在本部分以及本申请的说明书摘要和实用新型名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和实用新型名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本实用新型的范围。

鉴于上述背景技术中存在的问题，提出了本实用新型。

因此，本实用新型的目的是提供一种基于并联游标效应的温度传感***，能够通过分别控制传感干涉仪和参考干涉仪的自由光谱范围(FSR)可以获得较高的温度测量灵敏度。

为解决上述技术问题，根据本实用新型的一个方面，本实用新型提供了如下技术方案：

一种基于并联游标效应的温度传感***，其包括：电脑、光纤光栅解调仪、跳线、隔离器、耦合器、参考干涉仪、传感干涉仪、温箱；

所述电脑连接所述光纤光栅解调仪以太网接口，所述光纤光栅解调仪输出端通过跳线连接所述隔离器输入端，所述隔离器输出端通过跳线连接所述耦合器输入端，所述耦合器输出端通过跳线分别连接所述参考干涉仪输入端与温箱输入端，所述参考干涉仪输出端与温箱输出端均通过跳线连接所述耦合器输入端，所述耦合器输出端通过跳线连接所述光纤光栅解调仪输入端；

所述温箱内设有传感干涉仪，所述跳线通过温箱输入端连接所述传感干涉仪输入端，所述传感干涉仪输出端连接所述温箱输出端。

进一步的，其特征在于，所述参考干涉仪与所述传感干涉仪均包括第一单模光纤、第一无芯光纤、空心光纤、第二无芯光纤、第二单模光纤；

所述第一单模光纤的输出端与所述第一无芯光纤的输入端熔接，所述第一无芯光纤的输出端与所述空心光纤的输入端对芯熔接，所述空心光纤的输出端与所述第二无芯光纤的输入端熔接，所述第二无芯光纤的输出端与所述第二单模光纤的输入端熔接。

进一步的，所述光纤光栅解调仪为SM125。

进一步的，所述耦合器为3dB耦合器。

进一步的，所述第一单模光纤、第一无芯光、空心光纤、第二无芯光纤、第二单模光纤包层直径均为125微米；

所述第一单模光纤与所述第二单模光纤纤芯均为9微米；

所述空心光纤空心腔直径为60微米。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

1.能够通过分别控制传感干涉仪和参考干涉仪的自由光谱范围(FSR)可以获得较高的温度测量灵敏度。

2.制作工艺简单、性能稳定、测量范围大。

3.测量灵敏度提高约为9倍，并且灵敏度放大系数可以灵活调整。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施方式的技术方案，下面将将结合附图和详细实施方式对本实用新型进行详细说明，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施方式，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它的附图。其中：

图1为本实用新型结构原理框图；

图2为本实用新型参考干涉仪和传感干涉仪结构示意图；

图3为本实用新型传感干涉仪和参考干涉仪的透射谱图；

图4为本实用新型传感干涉器基于并联效应的透射谱图；

图5为本实用新型传感干涉仪在不同温度下的透射谱图；

图6为本实用新型传感干涉器基于并联效应在不同温度下的透射谱图；

图中：1-第一单模光纤、2-第一无芯光纤、3-空心光纤、4-第二无芯光纤、5-第二单模光纤、6-光纤光栅解调仪、7-跳线、8-隔离器、9-耦合器、10-参考干涉仪、11-传感干涉仪、12-温箱、13-电脑。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施方式的限制。

其次，本实用新型结合示意图进行详细描述，在详述本实用新型实施方式时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的实施方式作进一步地详细描述。

参考图1、2，本实用新型提供一种基于并联游标效应的温度传感***，其特征在于，包括：电脑13、光纤光栅解调仪6、跳线7、隔离器8、耦合器9、参考干涉仪10、传感干涉仪11、温箱12；

电脑13连接光纤光栅解调仪6以太网接口，光纤光栅解调仪6输出端通过跳线7连接隔离器8输入端，隔离器8输出端通过跳线7连接耦合器9输入端，耦合器9输出端通过跳线7分别连接参考干涉仪10输入端与温箱12输入端，参考干涉仪10输出端与温箱12输出端均通过跳线7连接耦合器9输入端，耦合器9输出端通过跳线7连接光纤光栅解调仪6输入端；

温箱12内设有传感干涉仪11，跳线7通过温箱12输入端连接传感干涉仪11输入端，传感干涉仪11输出端连接温箱12输出端。

参考干涉仪10与传感干涉仪11均包括第一单模光纤1、第一无芯光纤2、空心光纤3、第二无芯光纤4、第二单模光纤5；

第一单模光纤1的输出端与第一无芯光纤2的输入端熔接，第一无芯光纤2的输出端与空心光纤3的输入端对芯熔接，空心光纤3的输出端与第二无芯光纤4的输入端熔接，第二无芯光纤4的输出端与第二单模光纤5的输入端熔接。

光纤光栅解调仪6为SM125。光纤光栅解调仪具有体积小、精度高、大动态范围光纤光栅传感器测量能力和准确性的光谱的分析能力。耦合器9为3dB耦合器。使用3dB耦合器是因为分光比接近，并联叠加谱包络的条纹对比度就会越高，能量越大

第一单模光纤1、第一无芯光纤2、空心光纤3、第二无芯光纤4、第二单模光纤5包层直径均为125微米；第一单模光纤1与第二单模光纤5纤芯均为9微米；空心光纤3空心腔直径为60微米。

将第一单模光纤1、第二单模光纤5除去涂覆层后，用酒精擦拭干净后，再用切割刀切取1000μm的无涂覆层的光纤，且将两端的切割面切割平整，再将第一无芯光纤2、第二无芯光纤4除去涂覆层后，用酒精擦拭干净后，再用切割刀切取15000μm的无涂覆层的光纤，且将两端的切割面切割平整，再将第一单模光纤1与另一段端面平整的第一无芯光纤2同时放入至光纤熔接机中进行熔接，再将空心光纤3除去涂覆层后，用酒精擦拭干净后，用切割刀切取900μm的无涂覆层的光纤，且将两端的切割面切割平整，并将第一无芯光纤2与空心光纤3对芯熔接，重复步骤，将第一单模光纤1、第一无芯光纤2、空心光纤3、第二无芯光纤4、第二单模光纤5顺次熔接，封装成传感干涉仪。重复上述步骤，将空心光纤3的长度改为切取为1000μm，封装成参考干涉仪。

随后进行温度性能测试与分析，将传感干涉仪11置于温度箱中，参考干涉仪放置于室温10中。将两个传感器通过耦合器9连接在一起，并分别与光纤光栅解调仪6和电脑13相连，为防止其他环境因素串扰，实验过程中保持其他环境因素不变，温度变化范围为0℃-50℃，每隔10℃测一次数据，共六组数据。

光纤光栅解调仪6发射光后，当入射光沿着第一单模光纤1的纤芯传播时，遇到第一个熔接点时，激发出第一无芯光纤2中的高阶模，当光从第一无芯光纤2传输到第二个熔接点时，一部分光在空心光纤3的空气芯中传输，另一部分光空心光纤3的包层中传输，由于基模和高阶模的折射率不同，从而在右端导出的第二无芯光纤4中发生干涉。

对于输出光强，近似表示为：

式中，I_cl和I_air分别为空心光纤包层和纤芯的光强；

为空心光纤中包层和空气芯的有效折射率差；λ为自由空间光波长；L为空心光纤的长度。

干涉仪自由光谱范围为：

通过分别控制两个干涉仪中空心光纤的长度来改变FSR。传感干涉仪和参考干涉仪并联产生游标效应的包络的FSR为

其中FSR_s、FSR_r分别表示为传感干涉仪和参考干涉仪的自由光谱范围。通过追踪包络的波谷数据以实现灵敏度的放大。游标效应的灵敏度放大系数M为

参考图3、图4，传感分析仪的FSR为5.02nm，参考干涉仪的FSR为5.645nm。由于二者的FSR相近而不相等，因此并联后的传感器产生游标效应。结合上文中的灵敏度放大系数公式，可算出灵敏度放大系数为-9。并联传感器的FSR为49.89nm，与理论计算值相符。

参考附图5、图6，随着温度的升高，传感干涉仪的透射谱发生了红移，其温度测量灵敏度为60.90pm/℃；基于并联游标效应的马赫-曾德尔温度传感器的透射谱发生了蓝移，其温度测量灵敏度为-545.24pm/℃，其测量灵敏度是传感分析仪的8.95倍，与理论计算值很好的相符。

虽然在上文中已经参考实施方式对本实用新型进行了描述，然而在不脱离本实用新型的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本实用新型所披露的实施方式中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本实用新型并不局限于文中公开的特定实施方式，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (5)

1.一种基于并联游标效应的温度传感***，其特征在于，包括：电脑(13)、光纤光栅解调仪(6)、跳线(7)、隔离器(8)、耦合器(9)、参考干涉仪(10)、传感干涉仪(11)、温箱(12)；

所述电脑(13)连接所述光纤光栅解调仪(6)以太网接口，所述光纤光栅解调仪(6)输出端通过跳线(7)连接所述隔离器(8)输入端，所述隔离器(8)输出端通过跳线(7)连接所述耦合器(9)输入端，所述耦合器(9)输出端通过跳线(7)分别连接所述参考干涉仪(10)输入端与温箱(12)输入端，所述参考干涉仪(10)输出端与温箱(12)输出端均通过跳线(7)连接所述耦合器(9)输入端，所述耦合器(9)输出端通过跳线(7)连接所述光纤光栅解调仪(6)输入端；

所述温箱(12)内设有传感干涉仪(11)，所述跳线(7)通过温箱(12)输入端连接所述传感干涉仪(11)输入端，所述传感干涉仪(11)输出端连接所述温箱(12)输出端。

2.根据权利要求1所述的一种基于并联游标效应的温度传感***，其特征在于，所述参考干涉仪(10)与所述传感干涉仪(11)均包括第一单模光纤(1)、第一无芯光纤(2)、空心光纤(3)、第二无芯光纤(4)、第二单模光纤(5)；

所述第一单模光纤(1)的输出端与所述第一无芯光纤(2)的输入端熔接，所述第一无芯光纤(2)的输出端与所述空心光纤(3)的输入端对芯熔接，所述空心光纤(3)的输出端与所述第二无芯光纤(4)的输入端熔接，所述第二无芯光纤(4)的输出端与所述第二单模光纤(5)的输入端熔接。

3.根据权利要求1所述的一种基于并联游标效应的温度传感***，其特征在于，所述光纤光栅解调仪为SM125。

4.根据权利要求1所述的一种基于并联游标效应的温度传感***，其特征在于，所述耦合器(9)为3dB耦合器。

5.根据权利要求2所述的一种基于并联游标效应的温度传感***，其特征在于，所述第一单模光纤(1)、第一无芯光纤(2)、空心光纤(3)、第二无芯光纤(4)、第二单模光纤(5)包层直径均为125微米；

所述第一单模光纤(1)与所述第二单模光纤(5)纤芯均为9微米；

所述空心光纤(3)空心腔直径为60微米。

Images