专利名称：高灵敏度光纤渐逝波温度传感器及其熔锥型传感用光纤耦合器制造方法
技术领域：
本发明述及一种光纤温度传感器及其探头制造方法，特别是一种高灵敏度光纤耦合渐逝度温度传感器及其熔锥型传感用光纤耦合器制造方法。
背景技术：
近年来，传感器正朝着灵敏度高、准确度高、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这方面，光纤传感器倍受大家的青睐。光纤具有抗电磁干扰和原子辐射、径细、重量轻、绝缘性好、耐水、耐腐蚀等优异的特性，它不仅用于正常的温度测量，更重要的是它可应用于一些特殊或恶劣环境温度测量，如高压、强电磁、核辐射等。它的传感能力来自温度对在光纤中传播的光波的影响，目前的光纤温度传感器种类很多，主要有喇曼光纤温度传感器、黑体辐射温度传感器、光纤光栅温度传感器。国外很多领先公司及研究机构已经开发出以上类型的光纤温度传感器，包括APOLLO，BANNER，LUSINO，及与Fibercore合作的新兴公司等。国内也有很多高校做此方面的研究，如清华大学、北方交大、南开大学、武汉理工、东南大学等等，较之国外，国内对于光纤温度传感器主要还在研究阶段，商业化较少。现有的光纤温度传感器，结构较复杂，在抗干扰能力、灵敏度上还不够理想。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高灵敏度光纤耦合渐逝波温度传感器及其熔锥型传感用光纤耦合器制造方法，本光纤温度传感器结构较简单，具有高抗干扰能力和高灵敏度，其探头制造方便，成本低。
为达到上述目的，本发明的构思是一个性能良好的光纤温度传感器应具备快速响应和高温度分辨率，这也是温度传感器实现的难点问题。本发明从传感机理入手，发明了一种新型的耦合式高灵敏度光纤渐逝波温度传感器，旨在从源头上解决上述提出的难点问题。它基于光波耦合理论和光纤的渐逝波理论，利用熔锥型光纤耦合器作为光纤渐逝波温度传感元件，从而得到具有耦合效应的渐逝波。当包围耦合器传感头锥区的温度变化时，耦合器锥区的渐逝波因包层介质的温变特性改变光纤耦合器的耦合效应，从而使耦合器的分光比发生变化，这样检测分光比就能得到对应温度的参数。由于利用耦合原理，测试的输出信号是耦合器的分光比，所以它与光路的光强变化无关，有很强的抗干扰能力；由于耦合器的耦合效应对温度变化非常敏感，所以该传感器有很高的测试灵敏度。
根据上述构思，本发明采用下述技术方案一种高灵敏度光纤耦合渐逝波温度传感器，包括光源(1)、探测器(3、4)和信号处理单元(5)，其特征在于采用熔锥型光纤耦合器(2)作为探头，熔锥型光纤耦合器(2)的一根耦合光纤(20)熔锥区段的进口端和出口端分别通过光纤连接光源(1)和一个探测器(3)，而另一根耦合光纤(25)熔锥区段的进口端截止不接通光源而出口端通过光纤连接另一个探测器(4)；所述的两个探测器(3、4)的输出口连接信号处理单元(5)的两个进口端；熔锥型光纤耦合器(2)在包围其熔锥区段的温度变化时，其渐逝场随之发生相应变化，从而改变光纤耦器的耦合效应，使光纤耦合器的分光比发生变化；两个探测器(3、4)将光纤耦合器输出的两道光信号转换成电信号后输入信号处理单元(5)，由分光比换算获取温度信息。
上述的熔锥型光纤耦合器(2)的结构是由两根耦合光纤(20、25)熔融拉锥成两根光纤熔融的双锥形耦合区段，其两锥形以平滑弧形过渡，两根耦合光纤(20、25)熔融拉锥后，其纤芯(21、26)和包层(22、27)同时被拉锥但仍保持两包层(22、27)包住各自的纤芯(21、26)，使光纤耦合器(2)的两根耦合光纤各有进口端和出口端；在双锥形耦合区段外层敷有温度敏感材料(28)，而使外形呈圆柱形状，温度敏感材料(28)外面有保护层(29)。
上述的熔锥型光纤耦合器(2)的双锥形耦合区段中央锥区最小直径为光纤纤芯直径的5～9倍，双锥形耦合区段的长度越长灵敏度越高，其拉伸长度为5～35mm。
一种上述的熔锥型传感用光纤耦合器(2)制造方法，其步骤为(1)双两根光纤同时预热，为减少应力，预时间要长，为2～5秒；(2)两根预热好的光纤叠合缓慢熔融拉锥，拉锥速度为(30～75um)×2/Sec，锥区最小直径为纤芯直径的5～9倍，其拉伸长度为5～35mm。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点本发明中采用熔锥型光纤耦合器作为温度探头，其锥区传感周围的温度变化，改变其耦合效应，使其耦合器的分光比变化，从而由检测器检测分光比而由信号处理单元处理获取对应的温度参数。由于利用耦合原理，输出信号是耦合器的分光比，它与光路的光强变化无关，所以有很强的抗干扰能力，其耦合效应对温度变化非常敏感，所以温度传感器有很高的灵敏度。本发明的结简单，熔锥型光纤耦合器制造容易，成本低。本发明适合于要求对温度实行精确测定或控制的场合，例如工业制造、产品性能检测、环境监测、生物灵学及科学研究等诸多领域，并可实时、高灵敏度地温度测量。
图1是本发明的原理框图。
图2是熔锥型传感用光纤耦合器的结构示意图。
图3是实验测得的高灵敏度光纤耦合渐逝波温度传感器的温度和分光比对应关系曲线图。
具体实施例方式
本发明的一个优选实施例结合
如下参见图1和图2，本高灵敏度光纤耦合渐逝波温度传感器包含有光纤1、探测器3、4和信号处理单元5，采用熔锥型传感用光纤耦合器2作为探头，探测器3、4和信号处理单元5，其特征在于采用熔锥型光纤耦合器2作为探头，熔锥型传感用光纤耦合器2的一根耦合光纤20熔锥区段的进口端和出口端分别通过光纤连接光源1和一个探测器3，而另一根耦合光纤25熔锥区段的进口端截止不接通光源而出口端通过光纤连接另一个探测器4；所述的两个探测器3、4的输出口连接信号处理单元5的两个进口端；熔锥型光纤耦合器2在包围其熔锥区段的温度变化时，其渐逝场随之发生相应变化，从而改变光纤耦器的耦合效应，使光纤耦合器的分光比发生变化；两个探测器3、4将光纤耦合器输出的两道光信号转换成电信号后输入信号处理单元5，由分光比换算获取温度信息。上述的熔锥型传感用光纤耦合器2的结构是由两根耦合光纤20、25熔融拉锥成两根光纤熔融的双锥形耦合区段，其两锥形以平滑弧形过渡，两根耦合光纤20、25熔融拉锥后，其纤芯21、26和包层22、27同时被拉锥但仍保持两包层22、27包住各自的纤芯21、26，使光纤耦合器2的两根耦合光纤各有进口端和出口端；在双锥形耦合区段外层敷有温度敏感材料28，而使外形呈圆柱形状，温度敏感材料28外面有保护层29。上述熔锥型传感用光纤耦合器2的双锥形耦合区段中央锥区最小直径为光纤纤芯直径的5～9倍，双锥形耦合区段的长度越长灵敏度越高，其拉伸长度为5～35mm。
本高灵敏度光纤耦合渐逝波温度传感器用的熔锥型传感用光纤耦合器2的制造方法，其步骤为(1)双两根光纤同时预热，为减少应力，预时间要长，为2～5秒；(2)两根预热好的光纤叠合缓慢熔融拉锥，拉锥速度为(30～75um)×2/Sec，锥区最小直径为纤芯直径的5～9倍，其拉伸长度为5～35mm。
图3中示出本高灵敏度光纤耦合渐逝波温度传感器实测获得的温度对分光比对应关系曲线。
权利要求
1.一种高灵敏度光纤耦合渐逝波温度传感器，包括光源(1)、探测器(3、4)和信号处理单元(5)，其特征在于采用熔锥型光纤耦合器(2)作为探头，熔锥型光纤耦合器(2)的一根耦合光纤(20)熔锥区段的进口端和出口端分别通过光纤连接光源(1)和一个探测器(3)，而另一根耦合光纤(25)熔锥区段的进口端截止不接通光源而出口端通过光纤连接另一个探测器(4)；所述的两个探测器(3、4)的输出口连接信号处理单元(5)的两个进口端；熔锥型光纤耦合器(2)在包围其熔锥区段的温度变化时，其渐逝场随之发生相应变化，从而改变光纤耦器的耦合效应，使光纤耦合器的分光比发生变化；两个探测器(3、4)将光纤耦合器输出的两束光信号转换成电信号后输入信号处理单元(5)，由分光比换算获取温度信息。
2.根据权利要求1所述的高灵敏度光纤耦合浙逝波温度传感器，其特征在于所述的熔锥型光纤耦合器(2)的结构是由两根耦合光纤(20、25)熔融拉锥成两根光纤熔融的双锥形耦合区段，其两锥形以平滑弧形过渡，两根耦合光纤(20、25)熔融拉锥后，其纤芯(21、26)和包层(22、27)同时被拉锥但仍保持两包层(22、27)包住各自的纤芯(21、26)，使光纤耦合器(2)的两根耦合光纤各有进口端和出口端；在双锥形耦合区段外层敷有温度敏感材料(28)，而使外形呈圆柱形状，温度敏感材料(28)外面有保护层(29)。
3.根据权利要求2所述的高灵敏度光纤耦合渐逝波温度传感器，其特征在于所述的熔锥型光纤耦合器(2)的双锥形耦合区段中央锥区最小直径为光纤纤芯直径的5～9倍，双锥形耦合区段的长度越长灵敏度越高，其拉伸长度为5～35mm。
4.一种用权利要求1所述高灵敏度光纤耦合渐逝波温度传感器的熔锥型光纤耦合器(2)制造方法，其步骤为(1)双两根光纤同时预热，为减少应力，预时间要长，为2～5秒；(2)两根预热好的光纤叠合缓慢熔融拉锥，拉锥速度为(30～75um)×2/Sec，锥区最小直径为纤芯直径的5～9倍，其拉伸长度为5～35mm。
全文摘要
本发明涉及一种高灵敏度光纤耦合渐逝波温度传感器及其熔锥型传感用光纤耦合器制造方法。本温度传感器包括光源、探测器和信号处理单元，采用熔锥型光纤耦合器作为探头，熔锥型光纤耦合器的一根耦合光纤熔锥区段的进口端和出口端分别通过光纤连接光源和一个探测器，而另一根耦合光纤熔锥区段的进口端截止不接通光源而出口端通过光纤连接另一个探测器，所述的两个探测器的输出口连接信号处理单元的两个进口端。本发明温度通过改变熔锥型传感用光纤耦合器的输出分光比变化，从而换算获取温度变化信息。熔锥型光纤耦合器由两根光纤熔融拉锥制成。本发明结构简单，抗干扰能力强，灵敏度高，制造容易，成本低，适用于要求对温度实行精确测定或控制的场合。
文档编号G01K11/32GK1712916SQ200510026239
公开日2005年12月28日 申请日期2005年9月9日 优先权日2005年9月9日
发明者王廷云, 包华育, 王克新 申请人:上海大学