基于二氧化硅光纤的双微球温度传感器的制作方法

本发明涉及一种光纤温度传感器，特别涉及一种基于二氧化硅光纤的双微球温度传感器，属于光纤传感技术领域。

背景技术：

近年来，光纤传感器由于具有重量轻，损耗低，尺寸小，抗电磁干扰等特性，被广泛应用在许多传感领域中；例如光纤温度传感器、光纤折射率传感器、光纤压力传感器等。其中光纤温度传感器作为检测温度参数的关键部件，在食品安全，生物医学和环境检测等方面具有重要作用。光纤温度传感器的基本工作原理是将来自光源的光信号经过光纤送入传感部分，随着传感部分环境温度的变化，导致传输经过传感部分的光的光学性质如光的强度、波长、相位等发生变化；再经过光纤送入光探测器，实现对温度的检测、分析、监控。光纤温度传感器结合了纤维光学、精密机械和微电子学等学科的优势，可以解决传统温度传感器存在的如耐水性差、耐高温性差、会受到电磁和原子辐射干扰、重量较重、体积较大、不适用于精密探测等等技术难题，使得光纤温度传感器进一步朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。综上所述，光纤温度传感器具有很大的应用市场需求，因此对光纤温度传感器的进一步研究开发成为当务之急。

技术实现要素：

本发明的目的就是提供一种体积小、重量轻、结构紧凑、稳定性强的基于二氧化硅光纤的双微球温度传感器。

本发明的基本设计思想是：设计一种基于二氧化硅光纤的双微球温度传感器。它包括光源、二氧化硅光纤模块和光谱探测器；该二氧化硅光纤模块还进一步包括第一耦合光纤、双微球和第二耦合光纤；双微球包括第一微球和第二微球，是一种基于二氧化硅光纤的两个相互串联的微球结构，它们构成一个马赫曾德尔型干涉仪；所述光源发出的光传输经过第一耦合光纤后进入双微球，由于所述双微球构成一个马赫曾德尔型干涉仪，当环境温度变化时，经过双微球的传输光谱会发生实时偏移，利用光谱探测器接收经过双微球的传输光谱的变化，进而得到待测的环境温度。

为实现本发明的上述目的，本发明采用以下技术措施构成的技术方案来实现的。

本发明所述的一种基于二氧化硅光纤的双微球温度传感器，包括光源、二氧化硅光纤模块和光谱探测器；按照本发明，在所述二氧化硅光纤模块中还进一步包括第一耦合光纤、双微球和第二耦合光纤；所述光源通过第一耦合光纤设置于双微球的一端，与第一耦合光纤的进入端对应；所述光源发出的光传输经过第一耦合光纤后进入双微球，光在双微球内传播，然后再进入第二耦合光纤，并由放置于该双微球另一端的光谱探测器接收干涉传输谱的变化，进而得到待测环境温度。

上述技术方案中，所述的双微球是基于二氧化硅光纤的两个相互串联的微球结构。

上述技术方案中，所述的两个相互串联的微球结构包括第一微球和第二微球。

上述技术方案中，所述的第一微球和第二微球的包层部分相连接，而它们的纤芯部分不相连接，当光传输经过第一微球时，光束将被分束，然而当光继续传输经过第二微球时，光束将被会聚，这构成一个马赫曾德尔型干涉仪。

上述技术方案中，所述的光源为宽谱光源。

上述技术方案中，所述的光谱探测器为光谱分析仪，光谱分析仪的最小分辨率为0.02nm。

本发明所述基于二氧化硅光纤的双微球温度传感器，其中所述的双微球是由普通通信光纤制备而成；所述的第一耦合光纤和第二耦合光纤用作光进入和连接的部分，其均为商用通信光纤。

本发明所述的基于二氧化硅光纤的双微球温度传感器，由于包含的双微球是两个相互串联的微球结构，当光传输经过第一微球，光束将被分束，然而光传输在经过第二微球时，光束将被会聚，因此这种双微球结构构成了一个马赫曾德尔型干涉仪，这种干涉仪的传输强度可以表示为

其中I是干涉光谱信号的强度，Ico和Icl,m分别是纤芯模式强度和m阶包层模式强度。φ^m是纤芯模式与m阶包层模式之间的相位差。是纤芯模式与m阶包层模式之间的有效折射率差。L是干涉仪的长度，λ是在真空中的入射光波长。

基于方程(1)，当φ^m成为π的奇数倍时，经过干涉仪的干涉光谱信号的强度达到最小值；在这种情况下，最小传输光谱可以表示为

因此，当温度发生变化时，由于热膨胀效应会引起该基于二氧化硅光纤的双微球结构构成的马赫曾德尔型干涉仪长度的延伸率改变，并且由于热光效应带来的改变，这些将导致传输经过该基于二氧化硅光纤的双微球结构的光纤内模场干涉光谱信号发生偏移。由于温度改变ΔT引起的相对干涉光谱的波长偏移Δλ/λ可以被表示为

其中是二氧化硅光纤的热膨胀系数，是热光系数。利用方程(4)，基于经过该马赫曾德尔型干涉仪的干涉光谱的波长峰的偏移，该马赫曾德尔型干涉仪可以用作一种结构紧凑的光纤温度传感器来传感环境温度的改变。

本发明与现有技术相比具有以下特点和有益技术效果：

1、本发明所公开的基于二氧化硅光纤的双微球温度传感器，由于其双微球结构是一种基于二氧化硅光纤的两个相互串联的微球结构，当光传输经过第一微球，光束将被分束，然而在经过第二微球，将发生光束会聚，因此该双微球结构构成了一个马赫曾德尔型干涉仪，随着温度的改变，它能够产生明显的干涉条纹，这可以有效地用于传感领域中。

2、本发明所公开的基于二氧化硅光纤的双微球温度传感器，由于其双微球是一维结构，且通过普通通信光纤制备而成，同其他光纤结构相比，尺寸更小，功耗更低。

3、本发明所公开的基于二氧化硅光纤的双微球温度传感器，其结构简单、性能稳定、且具有较高的灵敏度；其灵敏度可以达到20.12皮米/单位摄氏度。

附图说明

图1是本发明基于二氧化硅光纤的双微球温度传感器的整体结构示意图；

图2是图1中所述的双微球结构示意图；

图3是本发明实施例一中不同环境温度下基于二氧化硅的双微球温度传感器的干涉传输谱示意图；

图4是本发明实施例一中基于二氧化硅的双微球温度传感器的干涉峰随环境温度的变化曲线。

图中，1-光源，2-第一耦合光纤，3-双微球，4-第二耦合光纤，5-光谱探测器，6-二氧化硅光纤模块，7-第一微球，8-第二微球。

具体实施方式

以下将结合附图并用实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不意味着是对本发明所保护内容的任何限定。

本发明所述的基于二氧化硅光纤的双微球温度传感器，其结构如图1所示，包括光源1、二氧化硅光纤模块6和光谱探测器5；在所述二氧化硅光纤模块6中还进一步包括第一耦合光纤2、双微球3和第二耦合光纤4；所述光源1通过第一耦合光纤2设置于双微球3的一端，与第一耦合光纤2的进入端对应；所述光源1发出的光经过第一耦合光纤2后进入双微球3，光在双微球3内传播；所述双微球3是由第一微球7和第二微球8相互串联构成的微球结构，如图2所示。所述双微球包含的第一微球7和第二微球8的包层部分相连接，而它们的纤芯部分不相连接，当光传输经过第一微球7时，光束将被分束，然而光继续传输在经过第二微球8时，光束将被会聚，这构成了一个马赫曾德尔型干涉仪。然后光继续传输再进入第二耦合光纤4，并由放置于该双微球另一端的光谱探测器5接收输出干涉光谱变化，进而得到待测环境温度。

实施例一

本实施例按照图1所示的基于二氧化硅光纤的双微球温度传感器的结构连接好各部件。

所述光源1通过第一耦合光纤2设置于双微球3的一端，与第一耦合光纤2的进入端对应，光源1的具体位置无限制，只需确保其发射出的光可直接进入第一耦合光纤2即可。光源1为宽谱光源，其所发射的光波长值的范围为1075nm-1095nm之间。

所述的光谱探测器5设置于双微球3的另一端，其具体位置不限，只需确保双微球传导出光后通过第二耦合光纤4直接进入其内分析；本实施例中，光谱探测器5为光谱分析仪。

所述双微球3是利用普通通信光纤通过电弧放电法制备而成，通过设置不同的放电强度和放电持续时间可以制备出直径不同的第一微球7和第二微球8，然后利用电弧熔融法将制备成第一微球7和第二微球8相互串联在一起的双微球3，形成一种基于二氧化硅光纤的双微球结构，

所述双微球3包括的第一微球7的直径为236μm，第二微球8的直径为226μm。双微球3材料折射率n为1.46，该双微球3的长度为462μm。通过制备时设置不同的放电强度和放电持续时间，该双微球3的参数是可以重置的。

所述第一微球7和第二微球8的包层部分相连接而纤芯部分不相连接。使用时，将双微球3置于管式炉中，温度范围可从室温升高到170℃，待炉中温度稳定后，开启光源1，光源1发出的光传输经过第一耦合光纤2进入双微球3中，光在双微球3内传播，经过相互串联的第一微球7和第二微球8，导出的光通过第二耦合光纤4进入光谱探测器5即光谱分析仪；光在双微球3中传播时，光谱分析仪可以检测出该基于二氧化硅光纤的双微球结构构成的马赫曾德尔型干涉仪的干涉传输谱变化。选取其干涉传输谱作为指示峰，其对应的该基于二氧化硅光纤的双微球温度传感器的灵敏度为

R＝λ(a+ξ) (5)

通过实施例一得到的不同环境温度的干涉传输谱示意图如图3所示，本实施例光源1所发出的光束的波长范围为1075nm-1095nm，选取波长为1079nm的干涉峰波长作为指示波长，对应的波长范围为1075nm-1085nm，图3中曲线的峰值所对应的波长即光谱分析仪检测的波长，该峰值随着环境温度的变化而变化，不同的环境温度对应不同的波长。

通过实施例一得到的该基于二氧化硅光纤的双微球结构构成的马赫曾德尔型干涉仪的干涉波长随待测环境温度的变化曲线如图4所示，选取温度为30℃被用作初始温度，相应的干涉峰波长1079nm为初始波长，随着环境温度的升高，干涉波长发生线性偏移，对应的灵敏度R为20.21皮米/单位摄氏度。这种良好的线性灵敏度使得该基于二氧化硅光纤的双微球温度传感器在很多应用领域极具潜力。