一种基于萨格纳克原理的拉力不敏感温度传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于萨格纳克原理的拉力不敏感温度传感器，包括宽带光源、传感单元、3dB耦合器、偏振控制器以及光谱仪，所述3dB耦合器的1号端与宽带光源连接，3dB耦合器的2号端与光谱仪连接，3dB耦合器的3号端与传感单元的一端连接，传感单元的另一端与偏振控制器一端连接，偏振控制器的另一端与3dB耦合器的4号端连接。本发明专利技术具有结构紧凑、制备简单等优点，对拉力不敏感，测量结果准确，灵敏度高，在各种温度测量方面有很大的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于萨格纳克原理的拉力不敏感温度传感器
本专利技术涉及光纤
，尤其涉及一种光纤传感器。
技术介绍
近年来，光纤干涉型传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、不受电磁干扰、耐腐蚀等优点而成为光纤传感器最实用的一种。此外，在科研中，温度是检测和控制的一个重要参数，然而在易燃、易爆、强电磁场、超高压、超低压、有腐蚀性气体、液体，以及要求非接触和快速响应等特殊工作情况和环境下，传统温度传感器不能有非常良好的表现。温度是表示物体冷热程度的物理量，同时也是工农业生产中的一个重要参数，能够很准确的反映外界环境信息的变化。而光纤温度测量是近几年发展起来的一种用于实时测量空间温度的高新技术，得到了突飞猛进的发展。在气象、材料、工业、航空、医药等领域中，温度的准确检测具有举足轻重的作用。目前比较常见的光纤温度传感器主要有级联型、分布式光纤光栅型、萨格纳克干涉型等。如伍铁生等提出了一种高双折射光子晶体光纤环镜温度传感器，实验中通过向高双折射光子晶体光纤空气孔填充乙醇来提高热光系数实现温度测量，温度灵敏度高达8.837nm/℃；韩婷婷等设计了一种光子晶体光纤环镜温度传感器，使用特殊液体对光子晶体光纤空气孔选择性填充，其温度灵敏度高达-11.6nm/℃。姜德生等利用氢敏化处理的多模光纤制作了多模光纤光栅，其温度灵敏度达到了9.8pm/℃；Y.Cardona-Maya等提出了一种折射率不敏感的温度传感器，在感应探头上镀金，其温度灵敏度可达5830nm/℃。以上文献对传感器的温度响应特性进行了深入且有意义的研究，但在测量温度时常常会受到外界环境带来的应力的影响，导致测量结果不准确。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种结构紧凑、制备简单、灵敏度高、测量准确的基于萨格纳克原理的拉力不敏感温度传感器。为实现上述目的，采用了以下技术方案：本专利技术主要包括宽带光源、传感单元、3dB耦合器、偏振控制器以及光谱仪，所述3dB耦合器的1号端与宽带光源连接，3dB耦合器的2号端与光谱仪连接，3dB耦合器的3号端与传感单元的一端连接，传感单元的的另一端与偏振控制器一端连接，偏振控制器的另一端与3dB耦合器的4号端连接。进一步的，所述传感单元包括PbS光纤和两段单模光纤，在PbS光纤的两端熔点处分别与两段单模光纤无错位熔接。进一步的，所述宽带光源选用波长范围为1520～1610nm的宽带光源。进一步的，所述单模光纤的纤芯直径为9μm、包层直径125μm；PbS光纤的长度为8mm、纤芯直径为9μm、包层直径125μm。进一步的，所述3dB耦合器测试波长为1550nm，工作带宽为1530nm～1570nm。进一步的，所述光谱仪通信波段为1200～2400nm，分辨率为0.02nm。工作过程大致如下：PbS光纤是在单模光纤的纤芯中掺杂PbS制得，单模光纤的主要成分为掺锗的SiO2，具有稳定的正四面体结构，因此其热膨胀系数较低。当在单模光纤纤芯中掺杂PbS后其稳定四面体结构被打破，同时PbS作为一种半导体材料它的能带间隙较小，在室温状态下极易受到温度等外界因素的影响，具有较高的热膨胀系数。因此，PbS光纤对温度较为敏感，其热致双折射的相位延迟量比单模光纤高。温度变化时，PbS光纤产生热致双折射效应，PbS光纤的相位双折射B随之变化。随着温度升高，波长的变化可以表示为：将公式(1)的左右两端同时对温度(T)求偏导：式中L为PbS光纤的接入长度，B为相位双折射，δ为相位延迟。波长λ为温度(T)的函数，因此，通过检测温度引起的波长的变化，就可以实现温度的检测。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：1、结构紧凑、制备简单，只需将PbS光纤与两段单模光纤无错位熔接即可。对拉力不敏感，避免了拉力对温度测量的影响，测量结果准确，灵敏度高。2、基于萨格纳克干涉原理实现外界环境信息的检测，灵敏度高，有着很广阔的应用前景，在光纤传感方面有巨大的应用潜力。附图说明图1为本专利技术的示意简图。图2为本专利技术传感单元的结构示意简图。图3为本专利技术传感单元的传输光谱图。图4为本专利技术传感器测量拉力实验装置示意图。图5为本专利技术在不同温度下的传输光谱图。图6为本专利技术在36.0℃～70.0℃温度范围内，传输谱线与温度变化之间的关系图。图7为本专利技术在不同拉力下的的传输光谱图。图8为本专利技术在0με～1400με拉力范围内，传输谱线与拉力变化之间的关系图。附图标号：1-3dB耦合器1号端、2-3dB耦合器2号端、3-3dB耦合器3号端、4-3dB耦合器4号端、5-3dB耦合器、6-宽带光源、7-光谱仪、8-偏振控制器、9-温控箱、10-传感单元、11-单模光纤、12-PbS光纤与单模光纤熔点、13-PbS光纤、14-单模光纤包层、15-单模光纤纤芯、16-PbS光纤纤芯、17-PbS光纤包层、18-移动平台。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步说明：如图1所示，3dB耦合器5的1号端1与宽带光源6连接，2号端2与光谱仪7连接，3号端3与传感单元10的一端连接，传感单元的的另一端与偏振控制器8一端连接，偏振控制器的另一端与3dB耦合器的4号端4连接。将传感单元10置于在温控箱9内，从光谱仪7记录对应温度下的传输光谱，传输光谱如图5所示。如图2所示，传感单元10包括单模光纤11、PbS光纤13，在PbS光纤的两端熔点12处分别与单模光纤11无错位熔接，所述单模光纤11的纤芯直径为9μm，包层直径125μm；PbS光纤13的长度为8mm、纤芯直径为9μm、包层直径125μm。在传感器制备的过程中，需要使用的实验设备有古河FITELS178型光纤熔接机，波长范围为1520-1610nm的ASE3700型宽带光源以及AQ6375型光学光谱仪。在切割光纤时，尽量保证光纤端面的平整度和洁净度，并采用手动熔接的方式进行PbS光纤与SMF之间的熔接，将熔接电流设置为80mA。由于熔接机采用的是推进熔接的方式，故在光纤对准时，要将两段光纤留有一定空隙以保证光纤熔接端面的切合度和平整度，达到无错位熔接的最好效果。图3所示为PbS光纤的长度为8mm传感器的传输光谱。从图3中可以看出，该传感单元产生了萨格纳克干涉现象，形成了比较好的干涉条纹。如图4所示，3dB耦合器1号端与光源连接，2号端与光谱仪连接，3号端与传感单元的一端连接，传感单元的的另一端与偏振控制器一端连接，偏振控制器的另一端与3dB耦合器的4号端连接。将传感单元置于移动平台18上并将其固定，通过调节移动平台之间的距离改变光纤所受拉力的大小，从光谱仪7记录对应不同拉力下的传输光谱，传输光谱如图7所示。从图6、图8中可以得出传感器的温度灵敏度和拉力灵敏度分别为53.89pm/℃和-0.00016nm/με。因此，该传感器对温度十分敏感而对拉力不敏感。该传感器有效的避免了在检测温度参数时拉力对传感单元的影响。在检测具体物体的温度时，从光谱仪测得不同波峰(谷)波长的漂移量，即可得出温度的变化量。以上所述的实施例仅仅是对本专利技术的优选实施方式进行描述，并非对本专利技术的范围进行限定，在不脱离本专利技术设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本专利技术的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本专利技术权利要求书确定的保护范围内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于萨格纳克原理的拉力不敏感温度传感器，主要包括宽带光源、传感单元、3dB耦合器、偏振控制器以及光谱仪，其特征在于：所述3dB耦合器的1号端与宽带光源连接，3dB耦合器的2号端与光谱仪连接，3dB耦合器的3号端与传感单元的一端连接，传感单元的的另一端与偏振控制器一端连接，偏振控制器的另一端与3dB耦合器的4号端连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于萨格纳克原理的拉力不敏感温度传感器，主要包括宽带光源、传感单元、3dB耦合器、偏振控制器以及光谱仪，其特征在于：所述3dB耦合器的1号端与宽带光源连接，3dB耦合器的2号端与光谱仪连接，3dB耦合器的3号端与传感单元的一端连接，传感单元的的另一端与偏振控制器一端连接，偏振控制器的另一端与3dB耦合器的4号端连接。2.根据权利要求1所述的一种基于萨格纳克原理的拉力不敏感温度传感器，其特征在于：所述传感单元包括PbS光纤和两段单模光纤，在PbS光纤的两端熔点处分别与两段单模光纤无错位熔接。3.根据权利要求1所述的一种基于萨格纳克原理的拉力不敏感温度传感器，...

【专利技术属性】
技术研发人员：付兴虎，付广伟，张江鹏，王思文，毕卫红，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北,13