專(zhuān)利名稱(chēng)：一種光纖型溫度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種光纖型溫度傳感器。
背景技術(shù)：
光纖溫度傳感器按照工作原理可以分為很多種，如基于干涉型的傳感器、基于光柵型的傳感器、基于拉曼或布里淵散射的分布式傳感器等。一般來(lái)說(shuō)，短距離、小范圍的溫度測(cè)量常采用點(diǎn)陣式或準(zhǔn)分布式的傳感器。然而，光纖對(duì)外界環(huán)境的多個(gè)參量(如溫度、應(yīng)力、振動(dòng)、環(huán)境折射率等)都很敏感，導(dǎo)致了當(dāng)下光纖傳感器中普遍存在的交叉靈敏度問(wèn)題，從而引起光纖傳感器的測(cè)量精度降低、傳感可靠性下降。目前，應(yīng)力不敏感的溫度傳感器的研究顯得十分的少，美國(guó)專(zhuān)利US6865194B1、中國(guó)專(zhuān)利CN200920111364以及中國(guó)專(zhuān)利CN201120381879分別公開(kāi)了應(yīng)力不敏感的溫度傳感器的三種方案，這三種方案都是利用布拉格光纖光柵來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的，而且都采用了外管保護(hù)套的結(jié)構(gòu)。并不是光纖傳感元件(布拉格光纖光柵)對(duì)應(yīng)力不敏感，而是這三種方案都將布拉格光纖光柵內(nèi)置在外管中，管內(nèi)做特殊設(shè)計(jì)，留出一定長(zhǎng)度的冗余用作緩沖并通過(guò)適當(dāng)?shù)恼澈?，以隔絕外界應(yīng)力對(duì)布拉格光纖光柵的影響，以此達(dá)到光纖傳感器隔絕應(yīng)力的效果。這三種方案都經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)，需要非常小心的將布拉格光纖光柵粘合在外管中，以隔絕應(yīng)力對(duì)布拉格光纖光柵的作用，因此光纖傳感器原本具有的結(jié)構(gòu)小巧、易彎曲的優(yōu)點(diǎn)被破壞，而且基于布拉格光纖光柵的傳感器其溫度靈敏度都不高，一般為10pm/°C。有文獻(xiàn)提到利用無(wú)截止的單模光子晶體光纖中刻寫(xiě)長(zhǎng)周期光柵的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)力不敏感的溫度傳感，這種方法的缺點(diǎn)是光柵刻寫(xiě)復(fù)雜、高溫不穩(wěn)定，而且對(duì)彎曲敏感，得到的應(yīng)力-溫度交叉靈敏度較高，一般為1.76X10_2° C/μ ε。還有一種利用非線(xiàn)性光子晶體光纖兩端分別與單模和多模光纖熔接而構(gòu)建的模式干涉儀，得到的溫度靈敏度為73pm/°C，應(yīng)力-溫度交叉靈敏度為1.274X10_2° C/μ ε，其性能仍有待提高。顯然這種干涉儀的溫度靈敏度低、應(yīng)力-溫度交叉靈敏度較高。目前已公開(kāi)的基于布拉格光纖光柵溫度傳感器的專(zhuān)利，其測(cè)量原理是利用了光柵能反射由下式給出的特定波長(zhǎng):λΒ = 2η#Λ ，其中nrff是模式的有效折射率，Λ是光柵周期。當(dāng)應(yīng)力、應(yīng)變、溫度變化等作用時(shí)，會(huì)引起光柵周期或光纖的有效折射率的變化，導(dǎo)致布拉格光柵的諧振波長(zhǎng)發(fā)生漂移，通過(guò)測(cè)量其漂移量，可以獲得待測(cè)物理量的變化信息。在實(shí)際的使用過(guò)程中光纖光柵對(duì)溫度、應(yīng)力和應(yīng)變都具有比較好的響應(yīng)，所以不借助其他保護(hù)措施是無(wú)法隔絕應(yīng)力作用的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種應(yīng)力-溫度交叉靈敏度較低，且溫度靈敏度較高的光纖型溫度傳感器。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種光纖型溫度傳感器，包括:寬帶光源、第一單模光纖、第二單模光纖及多芯光纖。所述寬帶光源依次通過(guò)所述第一單模光纖、多芯光纖與所述第二單模光纖連接。所述第一單模光纖、第二單模光纖與所述多芯光纖的連接處均為電弧放電而形成的坍塌結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步地，還包括光學(xué)分析設(shè)備。所述光學(xué)分析設(shè)備與所述第二光纖連接。進(jìn)一步地，所述光學(xué)分析設(shè)備為光譜儀。進(jìn)一步地，所述多芯光纖的纖芯與所述第一單模光纖的纖芯及所述第二單模光纖的纖芯偏心對(duì)齊。進(jìn)一步地，所述第一單模光纖及所述第二單模光纖的纖芯同時(shí)與所述多芯光纖上由中間纖芯和外圍的任意兩個(gè)相鄰纖芯組成的三角形的中心對(duì)準(zhǔn)。所述第一單模光纖與所述第二單模光纖的中心設(shè)置在同一水平面內(nèi)。進(jìn)一步地,所述多芯光纖的外徑為125 μ m。進(jìn)一步地，所述多芯光纖最中間的一根芯的折射率小于外圍六根芯的折射率。所述多芯光纖外圍六根芯的折射率相同。進(jìn)一步地，還包括保護(hù)套。所述多芯光纖放置在所述保護(hù)套內(nèi)。本發(fā)明提供的光纖型溫度傳感器采用了多芯光纖，第一單模光纖、第二單模光纖與多芯光纖的連接處均為電弧放電而形成的坍塌結(jié)構(gòu)，因此在這個(gè)連接處(坍塌結(jié)構(gòu)處)形成光場(chǎng)的模場(chǎng)失配，從而在多芯光纖中激發(fā)出不同的導(dǎo)模，形成多徑干涉，而多徑干涉的產(chǎn)生能提高傳感器的靈敏度。本發(fā)明提供的光纖型溫度傳感器中，多芯光纖的纖芯與所述第一單模光纖的纖芯及所述第二單模光纖的纖芯偏心對(duì)齊，可以形成模場(chǎng)失配，進(jìn)而激發(fā)多芯光纖中的多徑干涉，多徑干涉的產(chǎn)生能提高傳感器的靈敏度。多芯光纖最中間的一根芯的折射率小于外圍六根芯的折射率，多芯光纖外圍六根芯的折射率相同，這種折射率的分布可以讓光場(chǎng)在多徑干涉的各個(gè)芯中的能量分布更趨于均勻。此外，多芯光纖還可以根據(jù)需要放置在保護(hù)套內(nèi)，增加了多芯光纖的使用壽命。同時(shí)，本發(fā)明提供的光纖型溫度傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，便于在工業(yè)上廣泛應(yīng)用。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的光纖型溫度傳感器的光纖連接示意圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的多芯光纖剖視圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的光纖型溫度傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。
具體實(shí)施例方式參見(jiàn)圖1-圖3，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種光纖型溫度傳感器，包括寬帶光源7、第一單模光纖1、第二單模光纖5、多芯光纖3及光學(xué)分析設(shè)備(本實(shí)施例中采用光譜儀8)。寬帶光源7依次通過(guò)第一單模光纖1、多芯光纖3、第二單模光纖5與光學(xué)分析設(shè)備(本實(shí)施例中采用光譜儀8)連接。第一單模光纖1、第二單模光纖5與多芯光纖3的連接處均為電弧放電而形成的光纖折射率剖面近似均勻分布的坍塌結(jié)構(gòu)，這里的坍塌結(jié)構(gòu)是指破壞了階躍光纖中纖芯和包層折射率分布界限分明的結(jié)構(gòu)，使得這一區(qū)域的折射率近似為均勻分布，所以這里的坍塌并不是指一般意義上的結(jié)構(gòu)的凸起或凹陷，當(dāng)然，在試驗(yàn)中坍塌后的光纖連接處一般會(huì)變腫(即凸起)。第一單模光纖1、第二單模光纖5與多芯光纖3的連接處形成的光纖折射率剖面近似均勻分布的坍塌結(jié)構(gòu)是通過(guò)熔接時(shí)放電形成的，一般放電10-20次。下面對(duì)第一單模光纖1、第二單模光纖5及多芯光纖3的連接關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明:在實(shí)際應(yīng)用中，多芯光纖3的纖芯與第一單模光纖I的纖芯及第二單模光纖5的纖芯偏心對(duì)齊，參見(jiàn)圖2，本發(fā)明實(shí)施例中第一單模光纖I及第二單模光纖5的纖芯同時(shí)與多芯光纖3上的中間纖芯和外圍任意兩個(gè)相鄰纖芯組成的三角形的中心對(duì)準(zhǔn)，要特別說(shuō)明的是，多芯光纖3上的中間纖芯和其他任意兩個(gè)纖芯組成的三角形位于多芯光纖3的豎直剖面上(剖面為圓形)。第一單模光纖I與第二單模光纖5的中心設(shè)置在同一水平面內(nèi)。多芯光纖3的外徑為125μηι。多芯光纖3最中間的一根芯的折射率小于外圍六根光纖的折射率,多芯光纖3外圍六根芯的折射率相同。此外，本發(fā)明實(shí)施例提供的光纖型溫度傳感器還可以包括保護(hù)套，多芯光纖放置在所述保護(hù)套內(nèi)。下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施例提供的光纖型溫度傳感器的工作原理進(jìn)行說(shuō)明:寬帶光源7發(fā)出的寬帶光束耦合進(jìn)第一單模光纖I，在第一單模光纖I與多芯光纖3的連接處為坍塌結(jié)構(gòu)，這個(gè)坍塌的區(qū)域起到耦合器的作用，它將集中于第一單模光纖I纖芯中的能量耦合到多芯光纖3的包層和多個(gè)纖芯中。光場(chǎng)沿著多芯光纖3中的不同路徑傳播，由于不同模場(chǎng)的有效折射率是不一樣的，所以不同路徑的光束經(jīng)歷的光程是不一樣的，在多芯光纖3與第二單模光纖5連接處發(fā)生干涉作用，能量又被耦合進(jìn)第二單模光纖5，由于存在不同的光程差，形成的是多徑干涉。第二單模光纖5與光譜儀8連接，從光譜儀8上可以看到多個(gè)包絡(luò)同時(shí)存在的干涉圖樣，這是由于發(fā)生多徑干涉同時(shí)存在多個(gè)周期的結(jié)果。本發(fā)明實(shí)施例提供的光纖型溫度傳感器，雖然多芯光纖3上的縱向應(yīng)力作用會(huì)引起多芯光纖3有效折射率的變化，但是多芯光纖3上不 同路徑產(chǎn)生的光程變化相差不大，那么由干涉的原理可知這時(shí)得到的干涉波峰、波谷的位置不會(huì)漂移太大，因此本發(fā)明實(shí)施例提供的光纖型溫度傳感器的應(yīng)力-溫度交叉靈敏度較低。此外，由于本發(fā)明提供的光纖型溫度傳感器是基于多徑干涉的原理，與傳統(tǒng)的基于雙徑干涉的結(jié)果相比，多徑干涉譜中波峰或波谷更陡峭(即斜率更大)，所以它對(duì)相位的變化具有更大的響應(yīng)率，因此，本發(fā)明得到了比雙徑干涉儀更高的溫度靈敏度。對(duì)多芯光纖施加定量的加熱、制冷及應(yīng)力作用，記錄下光譜儀上的圖形數(shù)據(jù)，再用Matlab或Origin等軟件分析處理，可分別得到溫度靈敏度，應(yīng)力靈敏度，應(yīng)力_溫度交叉靈敏度，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表I所示。
權(quán)利要求
1.一種光纖型溫度傳感器，其特征在于，包括:寬帶光源、第一單模光纖、第二單模光纖及多芯光纖； 所述寬帶光源依次通過(guò)所述第一單模光纖、多芯光纖與所述第二單模光纖連接； 所述第一單模光纖、第二單模光纖與所述多芯光纖的連接處均為電弧放電而形成的坍塌結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖型溫度傳感器，其特征在于，還包括光學(xué)分析設(shè)備； 所述光學(xué)分析設(shè)備與所述第二光纖連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖型溫度傳感器，其特征在于，所述光學(xué)分析設(shè)備為光譜儀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖型溫度傳感器，其特征在于，所述多芯光纖的纖芯與所述第一單模光纖的纖芯及所述第二單模光纖的纖芯偏心對(duì)齊。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光纖型溫度傳感器，其特征在于，所述第一單模光纖及所述第二單模光纖的纖芯同時(shí)與所述多芯光纖上由中間纖芯和外圍的任意兩個(gè)相鄰纖芯組成的三角形的中心對(duì)準(zhǔn)； 所述第一單模光纖與所述第二單模光纖的中心設(shè)置在同一水平面內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖型溫度傳感器，其特征在于，所述多芯光纖的外徑為125 μ m。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖型溫度傳感器，其特征在于，所述多芯光纖最中間的一根芯的折射率小于外圍六根芯的折射率； 所述多芯光纖外圍六根芯的折射率相同。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖型溫度傳感器，其特征在于，還包括保護(hù)套； 所述多芯光纖放置在所述保護(hù)套內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及光纖傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種光纖型溫度傳感器，包括寬帶光源、第一單模光纖、第二單模光纖及多芯光纖。所述寬帶光源依次通過(guò)所述第一單模光纖、多芯光纖與第二單模光纖連接。所述第一單模光纖、第二單模光纖與所述多芯光纖的連接處均為電弧放電而形成的坍塌結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提供的光纖型溫度傳感器具有很高的溫度靈敏度，并且應(yīng)力-溫度交叉靈敏度較低，能夠廣泛地應(yīng)用在高精度的具有應(yīng)力干擾的溫度測(cè)量場(chǎng)合。
文檔編號(hào)G01K11/32GK103175628SQ201310059468
公開(kāi)日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2013年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月26日
發(fā)明者唐明, 趙志勇, 楊芳, 韋會(huì)峰, 童維軍, 付松年, 沈平 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)