一种反射式光纤温度传感器制造技术

本实用新型专利技术涉及光纤传感技术领域，尤其是一种反射式光纤温度传感器，它由一段光纤布拉格光栅和一段普通单模光纤同轴熔焊而成，在普通单模光纤的轴心处设有圆形的空气腔，空气腔的直径大于普通单模光纤纤芯的直径并小于其包层的直径；本实用新型专利技术通过利用FBG和含有空气腔的普通单模光纤用光纤熔接机相连接，从而制得光纤干涉仪，不仅体积小、结构简单、设计巧妙、制作成本低，而且在进行温度传感时具有较高的温度灵敏度，消除了测量中的物理量交叉敏感，适用于不同环境下的温度测量。

【技术实现步骤摘要】
一种反射式光纤温度传感器
本技术涉及光纤传感
，尤其是一种利用干涉条纹对温度的灵敏性而实现对环境温度进行检测的反射式光纤温度传感器。
技术介绍
当前，光纤温度传感器具有一些较好的特性：(1)抗电磁干扰：一般电磁辐射的频率比光波低许多,因而在光纤中传输的光信号不受电磁干扰的影响；(2)电绝缘性能好,安全可靠：光纤本身是由电介质构成的,而且无需电源驱动,因此适宜于在易燃易爆的油、气、化工生产中使用；(3)耐腐蚀,化学性能稳定：由于制作光纤的材料石英具有极高的化学稳定性,因此光纤传感器适宜于在较恶劣环境中使用；(4)体积小、重量轻,几何形状可塑；(5)传输损耗小，可实现远距离遥控监测；(6)传输容量大，可实现多点分布式测量；(7)测量范围广，可测量温度、压强、应变、应力、流量、流速、电流、电压、液位、液体浓度、成分等。近年来，光纤温度传感器应用范围非常广，能够用在不同的场合进行温度测量。目前主要的光纤温度传感器有以下几类：(1)干涉型光纤温度传感器干涉型光纤温度传感器属于相位调制式功能型温度传感器，它是利用两束光产生相位差并导致干涉现象来进行测温的，包括法布里-珀罗干涉仪、马赫-曾德干涉仪、基于空腔干涉仪等。法布里-珀罗干涉仪和马赫-曾德干涉仪具有制作方便、价格低廉、结构简单的优点，干涉型温度传感器的灵敏度通常较低。基于空腔干涉仪具有很广的温度测量范围，但这种干涉仪对折射率的交叉灵敏度却非常高；(2)光纤光栅温度传感器光纤光栅温度传感器是利用光纤中的光敏性(也称为光致折射率变化效应)制成的。光纤光栅的写入方法有很多种，主要有纵向驻波写入法、逐点写入法、横向干涉法、相位掩模法。光纤光栅传感器，尤其是光纤Bragg光栅传感器是近几年国内外在光纤传感器领域的研究热点。光纤光栅实质上是一种波长选择反射器，它的反射信号的波长会受施于其上的温度和应变的影响而发生变化，这种反射波长的变化称之为波长位移。利用光纤光栅的温度和应变效应，即光纤光栅的温度敏感性与应变敏感性，可以检测许多物理量，但光纤光栅温度传感器对弯曲和折射率的交叉灵敏度较高且不能在高温条件下工作；(3)分布式光纤温度传感器分布式光纤温度传感器属于接触式功能型温度传感器。当激光脉冲在光纤中传输时，会产生瑞利散射，布里渊散射以及拉曼散射现象，因此分布式温度传感器主要有基于瑞利散射、布里渊散射、拉曼散射三种现象的分布式温度传感器。目前分布式光纤温度传感器主要是基于拉曼散射效应及光时域反射计技术来实现温度测量。分布式光纤温度传感器灵敏度很高且测温范围广，但其制作成本非常高。综上所述，现有的光纤温度传感器在制作方法和性能上各有其特点，但也正如上文所述，它们各自也有不足之处。
技术实现思路
本技术的目的就是要解决现有的光纤温度传感器存在制作成本高、灵敏度低、容易产生交叉敏感等问题，为此提供一种反射式光纤温度传感器。本技术的具体方案是：一种反射式光纤温度传感器，其特征是：由一段光纤布拉格光栅和一段普通单模光纤同轴熔焊而成，在普通单模光纤的轴心处设有圆形的空气腔，空气腔的直径大于普通单模光纤纤芯的直径并小于其包层的直径。本技术中所述光纤布拉格光栅中的布拉格光栅距离普通单模光纤中的空气腔的距离为2-4mm。本技术中所述光纤布拉格光栅由单模光纤经飞秒激光刻写而成。本技术中所述普通单模光纤由同轴布置的两段单模光纤熔接而成，并且普通单模光纤中的空气腔由飞秒激光在其中一段单模光纤的端面的中心照射1-2s后与另一段单模光纤的端面经过光纤熔接机熔接而成。本技术的工作原理如下：当光源进入光纤布拉格光栅（FiberBraggGratings,简称FBG）时，满足布拉格条件的光被反射，其余的光继续在纤芯中传播；当继续传播的光遇到普通单模光纤中的空气腔前端面后再分为两束，一束在空气腔中传播，另一束在包层中传播；当包层和纤芯中的光经空气腔的另一端面反射后会在空气腔形成干涉，构成一个法布里-珀罗干涉仪，形成一个多条纹的稳定反射谱。由于纤芯和包层的热光系数不同，当环境温度变化时，纤芯和包层的折射率变化不一致，从而两者的折射率之差改变，根据公式可知，干涉峰值波长的位置也会随之改变，式中L为空气腔的长度,Φ为包层模与纤芯模之间的相位差。同时当温度改变时，光纤材料会发生热膨胀现象，从而导致光纤探头长度的改变，这也是影响灵敏度的重要因素之一。包层模和纤芯模的相位差如果为π的奇数倍，即Φ=(2m+1)π时，则对应干涉仪反射光谱中的波谷,如果相位差为π的偶数倍，即Φ=2mπ时，则对应干涉仪反射光谱中的波峰。当干涉仪反射光谱的波峰或波谷对应的波长随着外界温度的变化而发生线性变化时，我们据此可以应用该干涉仪来测量温度。另外，由于FBG对外界环境的温度变化反应敏感，对其他参量变化反应不敏感，所以我们可以用FBG形成的波峰和空气腔干涉形成的波峰做双参数测量，这样就可以消除测量中物理量交叉敏感问题，并获取较高的温度灵敏度。本技术通过利用FBG和含有空气腔的普通单模光纤用光纤熔接机相连接，从而制得光纤干涉仪，不仅体积小、结构简单、设计巧妙、制作成本低，而且在进行温度传感时具有较高的温度灵敏度，消除了测量中的物理量交叉敏感，适用于不同环境下的温度测量。附图说明图1是本技术的结构示意图；图2是本技术在对环境温度进行测量时的安装结构示意图。图中：1—光纤布拉格光栅，2—普通单模光纤，2a—单模光纤,2b—单模光纤,3—空气腔，4—宽带光源，5—光纤光谱仪，6—环形器，7—可控温度场。具体实施方式参见图1，本技术由一段光纤布拉格光栅1和一段普通单模光纤2同轴熔焊而成，在普通单模光纤2的轴心处设有圆形的空气腔3，空气腔3的直径大于普通单模光纤2纤芯的直径并小于其包层的直径，其中空气腔3也可为椭圆形，空气腔3的短轴与普通单模光纤2同轴心布置。本实施例中所述光纤布拉格光栅1中的布拉格光栅距离普通单模光纤2中的空气腔3的距离为2-4mm。本实施例中所述光纤布拉格光栅1由单模光纤经飞秒激光刻写而成。本实施例中所述普通单模光纤2由同轴布置的两段单模光纤2a和2b熔接而成，并且普通单模光纤2中的空气腔3由飞秒激光在单模光纤2a的端面的中心照射1-2s后与单模光纤2b的端面经过光纤熔接机熔接而成。光纤温度传感器的制备流程如下：第一步，取一段普通单模光纤用飞秒激光器刻写成光纤布拉格光纤光栅1；第二步，取一段用光纤切割刀切割平整的单模光纤2a，在其端面用飞秒激光器在纤芯位置照射1-2秒，然后将此端面与另一段切割平整的单模光纤2b的端面用光纤熔接机熔接起来，在光纤中心形成一个空气腔3；第三步，将内部带有空气腔3的普通单模光纤2与光纤布拉格光栅1用光纤熔接机熔接起来，两者相距2-4mm，获得如图1所示的光纤温度传感器。如附图2所示，将光纤温度传感器的光纤布拉格光栅1作为输入端，将其和宽带光源4和光纤光谱仪5分别与环形器6相连。将光纤传感器置于可控温度场7中，改变温度，即可获得一系列已知温度下光纤传感器的反射光谱中谐振峰波长值。应用数学分析，得到特征峰波长值与温度的对应函数关系，即完成了传感器的定标。将定标过的光纤传感器置于待测温度场中，根据测量得到的透射光谱中谐振峰波长值和定标函数关系，即可获知待本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种反射式光纤温度传感器，其特征是：由一段光纤布拉格光栅和一段普通单模光纤同轴熔焊而成，在普通单模光纤的轴心处设有圆形的空气腔，空气腔的直径大于普通单模光纤纤芯的直径并小于其包层的直径。

【技术特征摘要】
1.一种反射式光纤温度传感器，其特征是：由一段光纤布拉格光栅和一段普通单模光纤同轴熔焊而成，在普通单模光纤的轴心处设有圆形的空气腔，空气腔的直径大于普通单模光纤纤芯的直径并小于其包层的直径。2.根据权利要求1所述的一种反射式光纤温度传感器，其特征是：所述光纤布拉格光栅中的布拉格光栅距离普通单...

【专利技术属性】
技术研发人员：江超，胡义慧，刘继兵，杨义发，
申请(专利权)人：湖北师范大学，
类型：新型
国别省市：湖北,42