專利名稱：基于雙芯光子晶體光纖干涉型溫度傳感的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖傳感領(lǐng)域，具體涉及基于雙芯光子晶體光纖干涉型溫度傳感的方法和裝置。
背景技術(shù)：
光纖溫度傳感器的種類很多，主要可分為傳光型和傳感型。傳光型溫度傳感器，光纖僅僅起導(dǎo)光的作用，不作為敏感元件。傳感型溫度傳感器，光纖同時作為導(dǎo)光介質(zhì)和敏感元件。在傳感型溫度傳感器中，基于相位變化的原理及法布里-玻羅干涉原理的光纖溫度傳感具有較強(qiáng)的實(shí)用性。但馬赫-曾德干涉光纖溫度傳感器的兩條光纖傳輸臂的控制難度較大，而且靈活性差，不易微型化；法布里-玻羅干涉光纖溫度傳感器需要在光纖內(nèi)部多次反射來產(chǎn)生多重干涉，對端面要求極高，增加了制作的復(fù)雜性。近年來，光纖光柵使傳感型光纖溫度傳感器得到了長足的發(fā)展，通過分析光纖光柵的反射或者透射光譜的中心波長漂移量來獲得溫度。然而，光纖光柵傳感器難以實(shí)現(xiàn)高溫傳感，因?yàn)楣饫w光柵在高溫時會退化。光子晶體光纖的問世給光纖傳感領(lǐng)域帶來了巨大的變革，突破了傳感型光纖溫度傳感器的發(fā)展瓶頸。光子晶體光纖又稱為微結(jié)構(gòu)光纖，在橫截面方向上周期性緊密排列著波長量級的空氣孔。相比較傳統(tǒng)光纖，雙芯光子晶體光纖具有諸多優(yōu)越的特性，如永久單模傳輸、色散可調(diào)諧、極高的雙折射、極大的模場面積等。雙芯光子晶體光纖具有兩個導(dǎo)光纖芯，其在模式耦合、偏振分束、傳感等方面有獨(dú)特的優(yōu)越性。采用雙芯光子晶體光纖輸出端的兩束光的干涉效應(yīng)產(chǎn)生干涉條紋，當(dāng)受到溫度的作用時，由于空氣和石英的熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)不同導(dǎo)致兩個纖芯的彎曲差異引起不同的傳輸光程差，在輸出端有不同的相位，從而導(dǎo)致干涉條紋的平移。通過分析干涉條紋的平移量實(shí)現(xiàn)溫度傳感?？梢越档屠秒p芯光子晶體光纖的單芯操作和控制的難度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，具體涉及基于雙芯光子晶體光纖干涉型溫度傳感的方法和裝置。基于雙芯光子晶體光纖干涉型溫度傳感的方法為將雙芯光子晶體光纖的中間段部分彎曲或者盤繞成光纖環(huán)，兩端分別與精密光纖耦合器和CCD連接。其目的是為了消除包層模的影響，使激光在雙芯光子晶體光纖的兩個纖芯中傳播，以致激光在雙芯光子晶體光纖出射端面形成穩(wěn)定的干涉條紋。兩纖芯彎曲半徑不同的情況下，兩纖芯之間的相位差不為零，因此彎曲程度的微小變化都會引起干涉條紋的移動。雙芯光子晶體光纖兩纖芯之間存在一個空氣孔，由于空氣的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于石英硅，因此當(dāng)溫度變化時，空氣孔發(fā)生劇烈的熱脹冷縮效應(yīng)，致使彎曲的雙芯光子晶體光纖兩纖芯之間距離發(fā)生變化，從而導(dǎo)致兩纖芯之間的相位差發(fā)生變化。在溫度上升的情況下，空氣孔膨脹，兩纖芯之間的相位差變大，干涉條紋會向某一個方向移動。反之，在溫度下降的情況下，空氣孔收縮，兩纖芯之間的相位差變小，干涉條紋會向相反的方向移動。干涉條紋由CCD采集，并經(jīng)圖像采集卡導(dǎo)入至計(jì)算機(jī)，通過數(shù)字圖像處理方法，采集得到的干涉條紋可提取出單像素點(diǎn)的骨架線。例如T1溫度時，骨架線的像素點(diǎn)位置為A1 ;T2溫度時，骨架線的像素點(diǎn)位置為A2。通過計(jì)算A1與A2骨架線之差，即可得到溫度和骨架線位置的對應(yīng)關(guān)系。基于雙芯光子晶體光纖干涉型溫度傳感的裝置包括激光器、精密光纖耦合器、雙芯光子晶體光纖、CCD、圖像采集卡、計(jì)算機(jī)。激光器發(fā)出的光由精密光纖耦合器耦合進(jìn)入雙芯光子晶體光纖的入射端，經(jīng)雙芯光子晶體光纖后形成穩(wěn)定干涉條紋，通過(XD、圖像采集卡和計(jì)算機(jī)采集并進(jìn)行數(shù)字圖像處理。激光器要求輸出單模激光，目的為排除多模激光對干涉條紋的影響，降低干涉條紋鑒別的難度。在筆直的短雙芯光子晶體光纖情況下，大量的包層模式存在于光纖內(nèi)部，難以形成干涉條紋，因此需將光纖溫度傳感探頭前的光纖彎曲或者盤繞成環(huán)形，并使光纖長度略長，減小光纖內(nèi)部的耦合作用，使激光聚集于雙芯光子晶體光纖的纖芯內(nèi)部。而雙芯光子晶體光纖所盤繞的圈數(shù)及彎曲半徑均可按需要進(jìn)行調(diào)整。本發(fā)明采用干涉條紋骨架線提取法，顯著提高了測量的準(zhǔn)確性和精度。本發(fā)明抗干擾性強(qiáng)，并且具有較大的靈活性，可用于機(jī)械、石油、化工、生物、醫(yī)藥等領(lǐng)域的溫度測量。


圖1為基于雙芯光子晶體光纖干涉型溫度傳感方法和裝置的示意 圖2為雙芯光子晶體光纖的橫截面示意 圖3為的雙芯光子晶體光纖的彎曲示意 圖4為實(shí)施案例中干涉條紋骨架像素隨溫度升高的變化曲線；
圖5為實(shí)施案例中干涉條紋骨架像素隨溫度降低的變化曲線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的基于雙芯光子晶體光纖干涉型溫度傳感的方法和裝置的具體實(shí)施方式
加以說明。如圖1所示，基于雙芯光子晶體光纖干涉型溫度傳感的裝置由激光器1、精密光纖耦合器2、雙芯光子晶體光纖3、(XD4、圖像采集卡5和計(jì)算機(jī)6組成。激光器I發(fā)出的激光由精密光纖耦合器2耦合進(jìn)入雙芯光子晶體光纖3的前端，經(jīng)彎曲的雙芯光子晶體光纖3傳導(dǎo)后，在輸出端面后一定空間里形成干涉條紋，干涉條紋由CCD4采集，并經(jīng)圖像采集卡5導(dǎo)入計(jì)算機(jī)6，采用數(shù)字圖像處理方法提取干涉條紋的骨架線。通過計(jì)算出骨架線的位置變化，進(jìn)而求得溫度場中溫度的變化量。如圖2所示，雙芯光子晶體光纖3是具有兩個纖芯的二維周期性結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖，基質(zhì)材料為二氧化娃，其橫截面由四層空氣孔構(gòu)成，呈正六邊形。光纖中心為一直徑為2.7um的空氣孔，兩纖芯對稱地位于中心空氣孔的兩側(cè)，纖芯距為7.35um。雙芯光子晶體光纖受到環(huán)境溫度的作用后，導(dǎo)致形成干涉條紋的兩束激光之間的相位差發(fā)生變化，從而引起干涉條紋的移動。如圖3所示，雙芯光子晶體光纖具有兩種不同的彎曲方式。其中，在情況(a)下，兩纖芯彎曲半徑不同，兩纖芯之間的相位差不為零，彎曲程度的微小變化都會引起干涉條紋的移動。而在情況(b)下，兩纖芯彎曲半徑相同，兩纖芯之間的相位差為零，彎曲程度的微小變化不會引起干涉條紋的移動。雙芯光子晶體光纖3的兩纖芯之間存在一個空氣孔，由于空氣的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于石英硅，因此當(dāng)溫度變化時，空氣孔發(fā)生劇烈的熱脹冷縮效應(yīng)，致使彎曲的雙芯光子晶體光纖3的兩纖芯之間距離發(fā)生變化，從而導(dǎo)致兩纖芯之間的相位差發(fā)生變化。在溫度上升的情況下，空氣孔膨脹，兩纖芯之間的相位差變大，干涉條紋會向某一個方向移動。反之，在溫度下降的情況下，空氣孔收縮，兩纖芯之間的相位差變小，干涉條紋會向相反的方向移動。將雙芯光子晶體光纖3的測溫探頭放置于待測環(huán)境溫度中。啟動激光器及圖像采集處理軟件，當(dāng)溫度場中的溫度升高時，采集到的干涉條紋朝某一個方向移動。如圖4所示，以1°C為間距，記錄并計(jì)算溫度場從30°C到60°C時干涉條紋的平移量。從圖4中可以看出，溫度與干涉條紋骨架線的平移量呈線性相關(guān)，擬合得出線性度為98.8%，靈敏度約為-9.8像素/°C。改變測試條件和環(huán)境，當(dāng)溫度降低時，采集到的干涉條紋朝相反的方向移動。如圖5所示，以1°C為間距，記錄并計(jì)算溫度場從60°C到30°C時干涉條紋的平移量。從圖中看出，溫度與干涉條紋骨架線的平移量呈線性相關(guān)，擬合得出線性度為99.9%，靈敏度約為11.0
像素/°C。以上結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作了說明，但這些說明不能被理解為限制了本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的保護(hù)范圍由權(quán)利要求書限定，任何在本發(fā)明權(quán)利要求基礎(chǔ)上的改動都是本發(fā)明的保 護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.基于雙芯光子晶體光纖干涉型溫度傳感的方法，其特征在于:雙芯光子晶體光纖的兩纖芯能夠發(fā)生耦合，在光子晶體光纖的出射端形成穩(wěn)定的干涉條紋；當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化而作用于雙芯光子晶體光纖時，由于空氣孔和石英的熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)的不同，會導(dǎo)致雙芯光子晶體光纖結(jié)構(gòu)和傳輸特性的變化，改變雙芯光子晶體光纖的纖芯間距，使得兩纖芯之間存在傳輸光程差，在光纖出射端的相位發(fā)生改變，從而引起干涉條紋的平移； 其中雙芯光子晶體光纖受溫度作用時，兩纖芯的曲率半徑應(yīng)不同；溫度升高，兩纖芯光束的光程差變大，干涉條紋會向某一既定方向移動；反之，溫度降低，干涉條紋會向相反的方向平移，根據(jù)干涉條紋平移的方向即可判斷溫度升高或者降低。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙芯光子晶體光纖干涉型溫度傳感的方法，其特征在于:獲得干涉條紋圖像后，須經(jīng)過數(shù)字圖像處理，提取出不同溫度時干涉條紋骨架線的像素點(diǎn)位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于雙芯光子晶體光纖干涉型溫度傳感的方法，其特征在于:通過線性擬合方法獲得溫度與干涉條紋骨架線像素點(diǎn)位置的線性表達(dá)式。
4.基于雙芯光子晶體光纖干涉型溫度傳感的裝置，包括激光器、精密光纖耦合器、雙芯光子晶體光纖、CCD、圖像采集卡和計(jì)算機(jī)，其特征在于:激光器發(fā)出的激光由精密光纖耦合器稱合進(jìn)入雙芯光子晶體光纖的輸入端，經(jīng)雙芯光子晶體光纖傳輸后，由雙芯光子晶體光纖輸出端輸入至(XD，CXD連接至圖像采集卡的輸入端，圖像采集卡的輸出端連接至計(jì)算機(jī)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于雙芯光子晶體光纖干涉型溫度傳感的裝置，其特征在于:激光器的波長為近紅外和可見光波段范圍內(nèi)的任意波長。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于雙芯光子晶體光纖干涉型溫度傳感的裝置，其特征在于:雙芯光子晶體光纖采用彎曲的雙芯光子晶體光纖，其彎曲半徑可按需求進(jìn)行調(diào)整。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于雙芯光子晶體光纖干涉型溫度傳感的裝置，其特征在于:雙芯光子晶體光纖采用雙芯光子晶體光纖環(huán)，其盤繞的圈數(shù)可按需求進(jìn)行調(diào)整。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于雙芯光子晶體光纖干涉型溫度傳感的裝置，其特征在于:在雙芯光子晶體光纖輸出端，形成穩(wěn)定的干涉條紋，雙芯光子晶體光纖的長度可以為任意長度。
全文摘要
本發(fā)明屬于光纖傳感領(lǐng)域，涉及基于雙芯光子晶體光纖干涉型溫度傳感的方法和裝置。其方法為利用雙芯光子晶體光纖形成穩(wěn)定的干涉條紋，同時利用雙芯光子晶體光纖的溫度敏感特性，當(dāng)溫度變化時會導(dǎo)致干涉條紋的平移，通過標(biāo)定干涉條紋平移量與溫度之間的線性關(guān)系，從而獲得待測溫度。其裝置包括激光器、精密光纖耦合器、雙芯光子晶體光纖、CCD、圖像采集卡、計(jì)算機(jī)。激光器發(fā)出的光由精密光纖耦合器耦合進(jìn)入雙芯光子晶體光纖的入射端，經(jīng)雙芯光子晶體光纖后形成穩(wěn)定干涉條紋，通過CCD、圖像采集卡和計(jì)算機(jī)采集并進(jìn)行數(shù)字圖像處理。本發(fā)明方法和裝置抗干擾性強(qiáng)，靈敏度高，可用于機(jī)械、石油、化工、生物、醫(yī)藥等領(lǐng)域的溫度測量。
文檔編號G01K11/32GK103148957SQ201310067450
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月4日
發(fā)明者黃雪峰, 鄭光華, 李盛姬, 徐娙梅, 徐江榮 申請人:杭州電子科技大學(xué)