光纤温度传感器、传感头结构及制备方法技术

本发明专利技术提供了一种光纤温度传感器、传感头结构及制备方法。光纤温度传感器包括宽谱光源、第一光纤耦合器、光谱仪、第一传感干涉计以及第二传感干涉计；其中，所述第一传感干涉计与所述第二传感干涉计具有相反的温度响应；所述第一传感干涉计对应的第一自由光谱范围与所述第二传感干涉计对应的第二自由光谱范围接近但不相等。在本发明专利技术的上述技术中，采用对温度均敏感的两个传感干涉计，且这两个传感干涉计对温度的响应是相反的，从而实现了增强型游标效应，相比现有技术提高了温度测量灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
光纤温度传感器、传感头结构及制备方法
本专利技术的实施方式涉及光纤传感领域，更具体地，本专利技术的实施方式涉及一种光纤温度传感器、传感头结构及制备方法。
技术介绍
温度作为国际单位制七个基本物理量之一，在国民经济、国防建设和科学研究等领域中温度的准确测量具有举足轻重的作用。随着温度传感应用需求的提高，传统的温度传感器已经无法满足高精度的测量要求。光纤温度传感器具有尺寸小、测量精度高、灵敏度高、抗电磁干扰强、电绝缘性好、温度范围大等诸多优点，在温度测量方面有着自身独特的优势。
技术实现思路
在本上下文中，本专利技术的实施方式期望提供一种光纤温度传感器、传感头结构及制备方法，以进一步提高光纤温度传感器的温度测量灵敏度。在本专利技术实施方式的第一方面中，提供了一种光纤温度传感器，所述光纤温度传感器包括宽谱光源、第一光纤耦合器、光谱仪、第一传感干涉计以及第二传感干涉计；其中，所述第一传感干涉计与所述第二传感干涉计具有相反的温度响应；所述第一传感干涉计对应的第一自由光谱范围与所述第二传感干涉计对应的第二自由光谱范围接近但不相等。进一步地，根据权利要求1所述的光纤温度传感器，所述第一传感干涉计包括由第二光纤耦合器和偏振光纤构成的萨格纳克(Sagnac)干涉计；所述第二传感干涉计包括由单模光纤和聚二甲基硅氧烷(PDMS)腔连接而成的F-P干涉计。进一步地，还包括光纤隔离器和衰减器；所述宽谱光源输出的入射光依次经所述光纤隔离器和所述第一光纤耦合器后分为两路，其中一路进入所述Sagnac干涉计，另一路经所述衰减器进入所述F-P干涉计，通过所述光谱仪获得由所述Sagnac干涉计返回的干涉谱与由所述F-P干涉计返回的干涉谱的叠加结果；所述第二光纤耦合器的第一端连接至所述第一光纤耦合器，所述偏振光纤连接于所述第二光纤耦合器的第二端和第三端之间，进入所述Sagnac干涉计的入射光在所述偏振光纤内分为偏振方向相互垂直的两束光束，经所述偏振光纤后两光束之间发生干涉，得到的干涉光从第二光纤耦合器的第一端输出后再经第一光纤耦合器而被光谱仪接收；进入所述F-P干涉计的入射光的一部分光被所述单模光纤与所述PDMS腔的界面处反射回所述单模光纤，另一部分光透射进入所述PDMS腔后被所述PDMS腔与空气的界面处部分反射回所述单模光纤后，与被所述单模光纤与所述PDMS腔的界面处反射回所述单模光纤的所述一部分光干涉；其中，所述偏振光纤的长度与所述PDMS腔的轴向长度被设置成：使得所述Sagnac干涉计的第一自由光谱范围与所述F-P干涉计的第二自由光谱范围接近但不相等。进一步地，所述光纤温度传感器的温度灵敏度S12如下：其中，M为常规游标效应的放大因子；S1表示Sagnac干涉计的温度灵敏度，其中，B表示双折射系数，ΔB表示温度升高1℃时偏振光纤折射率的变化量，ΔB<0；S2表示F-P干涉计的温度灵敏度，其中，α表示PDMS的热光系数，λm表示干涉谱峰值波长，n表示PDMS的折射率，β为PDMS的热膨胀系数。进一步地，所述PDMS腔为填充有PDMS的石英管或填充有PDMS的空芯光纤。进一步地，所述单模光纤的一端连接所述衰减器，所述单模光纤的另一端与石英管或空芯光纤的一端熔接。进一步地，第一自由光谱范围与第二自由光谱范围接近但不相等包括：第一自由光谱范围与第二自由光谱范围之间的差异部分占第一自由光谱范围与第二自由光谱范围的并集之比大于第一预设值、且小于第二预设值。进一步地，所述第一预设值为1％；所述第二预设值为10％。根据本专利技术的第二方面，还提供了一种用于光纤温度传感器的传感头结构，所述传感头结构包括第一传感干涉计以及第二传感干涉计，其中，所述第一传感干涉计与所述第二传感干涉计具有相反的温度响应；所述第一传感干涉计对应的第一自由光谱范围与所述第二传感干涉计对应的第二自由光谱范围接近但不相等。进一步地，所述第一传感干涉计包括由第二光纤耦合器和偏振光纤构成的Sagnac干涉计；所述第二传感干涉计包括由单模光纤和PDMS腔连接而成的F-P干涉计。进一步地，所述Sagnac干涉计的干涉谱与所述F-P干涉计的干涉谱的叠加结果由所述光纤温度传感器的光谱仪获得，所述第二光纤耦合器的第一端用于连接至所述光纤温度传感器的第一光纤耦合器，所述偏振光纤连接于所述第二光纤耦合器的第二端和第三端之间；其中，所述偏振光纤的长度与所述PDMS腔的轴向长度被设置成：使得所述Sagnac干涉计的第一自由光谱范围与所述F-P干涉计的第二自由光谱范围接近但不相等。进一步地，所述PDMS腔为填充有PDMS的石英管或填充有PDMS的空芯光纤。进一步地，所述单模光纤的一端连接所述衰减器，所述单模光纤的另一端与石英管或空芯光纤的一端熔接。进一步地，第一自由光谱范围与第二自由光谱范围接近但不相等包括：第一自由光谱范围与第二自由光谱范围之间的差异部分占第一自由光谱范围与第二自由光谱范围的并集之比大于第一预设值、且小于第二预设值。进一步地，所述第一预设值为1％；所述第二预设值为10％。根据本专利技术的第三方面，还提供了一种用于基于光纤Sagnac干涉计和PDMS腔F-P干涉计级联的温度传感器的传感头结构的制备方法，所述制备方法包括：取一段长度为第一预定长度的偏振光纤；将第二光纤耦合器的第二端连接该段偏振光纤的一端，将第二光纤耦合器的第三端连接该段偏振光纤的另一端，使得相连接的第二光纤耦合器与偏振光纤构成Sagnac干涉计；将单模光纤的一端与空芯光纤或石英管的一端熔接；切割该空芯光纤或石英管的另一端，使得切割后的空芯光纤或石英管的长度为第二预定长度；将PDMS注满空芯光纤或石英管的腔内，并使注入的PDMS内部无气泡，然后加热使注入的PDMS固化，形成PDMS腔；其中，第一预定长度和第二预定长度满足：使得所述Sagnac干涉计的第一自由光谱范围与所述F-P干涉计的第二自由光谱范围接近但不相等。进一步地，第一自由光谱范围与第二自由光谱范围接近但不相等包括：第一自由光谱范围与第二自由光谱范围之间的差异部分占第一自由光谱范围与第二自由光谱范围的并集之比大于第一预设值、且小于第二预设值。进一步地，所述第一预设值为1％；所述第二预设值为10％。根据本专利技术实施方式的一种光纤温度传感器、传感头结构及制备方法，通过第一传感干涉计与第二传感干涉计级联，令二者的自由光谱范围接近但不相等，从而使第一传感干涉计与第二传感干涉计的并联双腔的干涉谱产生包络。常规的游标效应中，采用一个对被测参量不敏感的参考干涉计和一个对外界参量敏感的传感干涉计；而在本专利技术的实施例中，采用对温度均敏感的两个传感干涉计，且这两个传感干涉计对温度的响应是相反的，从而实现了增强型游标效应，相比现有技术提高了温度测量灵敏度。在一些实施例中，能够提供将光纤Sagnac环(Sagnac干涉计)与光纤PDMS腔(法布里-珀罗干涉计)级联的高灵敏度温度传感器，由于Sagnac环和PDMS腔具有相反的温度响应，通过设计Sagnac环本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光纤温度传感器，其特征在于，所述光纤温度传感器包括宽谱光源、第一光纤耦合器、光谱仪、第一传感干涉计以及第二传感干涉计；其中，所述第一传感干涉计与所述第二传感干涉计具有相反的温度响应；/n所述第一传感干涉计对应的第一自由光谱范围与所述第二传感干涉计对应的第二自由光谱范围接近但不相等。/n

【技术特征摘要】
1.一种光纤温度传感器，其特征在于，所述光纤温度传感器包括宽谱光源、第一光纤耦合器、光谱仪、第一传感干涉计以及第二传感干涉计；其中，所述第一传感干涉计与所述第二传感干涉计具有相反的温度响应；
所述第一传感干涉计对应的第一自由光谱范围与所述第二传感干涉计对应的第二自由光谱范围接近但不相等。


2.根据权利要求1所述的光纤温度传感器，其特征在于，
所述第一传感干涉计包括由第二光纤耦合器和偏振光纤构成的Sagnac干涉计；
所述第二传感干涉计包括由单模光纤和PDMS腔连接而成的F-P干涉计。


3.根据权利要求2所述的光纤温度传感器，其特征在于还包括光纤隔离器和衰减器；
所述宽谱光源输出的入射光依次经所述光纤隔离器和所述第一光纤耦合器后分为两路，其中一路进入所述Sagnac干涉计，另一路经所述衰减器进入所述F-P干涉计，通过所述光谱仪获得由所述Sagnac干涉计返回的干涉谱与由所述F-P干涉计返回的干涉谱的叠加结果；
所述第二光纤耦合器的第一端连接至所述第一光纤耦合器，所述偏振光纤连接于所述第二光纤耦合器的第二端和第三端之间，进入所述Sagnac干涉计的入射光在所述偏振光纤内分为偏振方向相互垂直的两束光束，经所述偏振光纤后两光束之间发生干涉，得到的干涉光从从所述第二光纤耦合器的第一端输出后再经所述第一光纤耦合器而被光谱仪接收；
进入所述F-P干涉计的入射光的一部分光被所述单模光纤与所述PDMS腔的界面处反射回所述单模光纤，另一部分光透射进入所述PDMS腔后被所述PDMS腔与空气的界面处部分反射回所述单模光纤后，与被所述单模光纤与所述PDMS腔的界面处反射回所述单模光纤的所述一部分光干涉；
其中，所述偏振光纤的长度与所述PDMS腔的轴向长度被设置成：使得所述Sagnac干涉计的第一自由光谱范围与所述F-P干涉计的第二自由光谱范围接近但不相等。


4.根据权利要求3所述的光纤温度传感器，其特征在于，所述光纤温度传感器的温度灵敏度S12如下：



其中，
M为常规游标效应的放大因子；
S1表示Sagnac干涉计的温度灵敏度，其中，B表示双折射系数，ΔB表示温度升高1℃时偏振光纤折射率的变化量，ΔB<0；
S2表示F-P干涉计的温度灵敏度，其中，α表示PDMS的热光系数，λm表示干涉谱峰值波长，n表示PDMS的折射率，β为PDMS的热膨胀系数。


5.一种用于光纤...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨玉强，牟小光，师文庆，刘洺辛，王骥，
申请(专利权)人：广东海洋大学，
类型：发明
国别省市：广东;44