一种基于毛细玻璃管封装的干涉型光纤温度传感器的制作方法

本实用新型涉及一种长周期光纤光栅干涉型温度传感器，尤其是一种基于毛细玻璃管封装的干涉型光纤温度传感器。

背景技术：

近年来，光纤温度传感器因其抗电磁干扰能力强，体积小，响应速度快，以及能在恶劣环境下工作和方便远程监控遥感测量的优点，而受到广泛研究。

各种结构和制造技术已被应用于构建不同类型的光纤温度传感器，现有的光纤温度传感器主要包括两种：光强调制型和波长调制型。前者，对光源的光强稳定性要求较高，通常需采用参考光路的方式来补偿光源不稳定因素的影响，而这必然增加了系统的复杂性；后者通过检测特定输出光波长的变化解调待测物体的温度，降低了对光源光强稳定性的要求，具有测量系统稳定、重复性好的优势。

目前已经有几种比较成熟的光纤温度传感器，例如：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。另外一种就是光纤荧光温度传感器，它是将一束光照射在荧光物质上，使之受激产生发光现象，通过检测荧光强度或荧光寿命来确定环境的温度。光纤荧光温度传感器具有灵敏度高，寿命长，适应性强等优点，但是其制作工艺复杂且制作成本较高。最近，一种基于选择性渗透的光子晶体光纤温度传感器，向光子晶体光纤的某个或某几个微孔中注入高热光系数的液体，这类传感器具有超高的温度灵敏性，在一定范围内甚至达到54.3nm/℃。然而这种传感器的量程较窄，且制造工艺复杂，如需要应用到飞秒激光微加工等，其使用受到限制。

技术实现要素：

本实用新型的目的就是要解决当前光纤温度传感器存在制作工艺复杂、成本高、灵敏度低或量程小等问题，为此提供一种基于毛细玻璃管封装的干涉型光纤温度传感器。

本实用新型的具体方案是：一种基于毛细玻璃管封装的干涉型光纤温度传感器，其特征是：包括两个同轴布置的单模光纤、一个长周期光纤光栅和一个毛细玻璃管；两个单模光纤分别作为光源输入端和输出端，长周期光纤光栅错位熔接在两个单模光纤之间，以构成光纤干涉仪；毛细玻璃管套装在光纤干涉仪上，并且毛细玻璃管的两端分别通过密封胶与两个单模光纤密封为一体，在毛细玻璃管内封装有温度敏感性液体。

本实用新型中所述长周期光纤光栅的纤芯与两个单模光纤的纤芯错位的长度为2-4μm。

本实用新型中所述长周期光纤光栅由单模光纤在剥去涂覆层后，利用高频CO₂激光器直接刻写制备而成，并且其光栅周期为596μm,光栅条纹数为42个，光栅长度为25mm。

本实用新型中所述温度敏感性液体为异丙醇或酒精，密封胶为AB胶。

本实用新型的具体工作原理是:通过用高频CO₂激光器在单模光纤上刻写长周期光纤光栅，然后将此长周期光纤光栅的两侧与单模光纤错位熔接，以此制得光纤干涉仪。单模光纤在与长周期光纤光栅熔接时，调节了光纤端面正对的面积，导致熔接点处两根光纤没有完全对齐,从而在第一个连接处输入单模光纤中原本以纤芯模式存在的光一部分泄露到第二段光纤光栅的包层中，以包层模的形式传播；另一部分光耦合进第二段光纤光栅的纤芯，以纤芯模形式传播。包层模和纤芯模在第二个熔接点处相遇产生干涉，由于中间连接有长周期光纤光栅使干涉更容易发生，然后耦合的模形式从输出端单模光纤中输出。由于包层模与外界玻璃管中液体相接触,其有效折射率随着周围液体的折射率变化而发生变化；纤芯模与外界液体不接触，其有效折射率保持不变，因此，包括两个拼接点及其之间的长周期光纤光栅可以看成是光纤内共轴的马赫-曾德干涉仪，纤芯和包层分别充当参考臂和传感臂。如果相位差为π的偶数倍，则对应光纤干涉仪透射光谱中的波峰，如果包层模和纤芯模相位差为π的奇数倍，则对应光纤干涉仪透射光谱中的波谷。光纤干涉仪透射光谱的波峰或波谷对应的波长随着外界液体折射率的变化而发生变化。将此光纤干涉仪浸入温度敏感性的液体（异丙醇或酒精）中，由于液体折射率随温度变化发生显著变化，因此该光纤干涉仪的透射光谱会随环境温度的变化发生相应的漂移，通过测量波长的漂移量就可以测量环境温度。另外，单模光纤与长周期光纤光栅错位连接时有一个最佳错位连接点，在该处最容易发生干涉，能够提高该传感器对温度的灵敏度。最后，长周期光纤光栅与单模光纤进行错位熔接，能够产生更多的强度比较大的干涉条纹，利用不同干涉条纹能够进行多参量的同时测量，提高了该传感器的应用范围。

本实用新型通过将长周期光纤光栅与两个单模光纤错位熔接在一起而制成光纤干涉仪，并在光纤干涉仪外套装封装有温度敏感性液体的毛细玻璃管，以此制得光纤温度传感器，从而本实用新型不仅制作简单、成本低廉，而且温度测量的量程大、灵敏度高。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图中：1—毛细玻璃管，2—光纤干涉仪,2a—单模光纤，2b—单模光纤，2c—长周期光纤光栅，3—密封胶，4—温度敏感性液体，5—宽带光源，6—光纤光谱仪。

具体实施方式

参见图1，一种基于毛细玻璃管封装的干涉型光纤温度传感器，包括两个同轴布置的单模光纤2a和2b、一个长周期光纤光栅2c和一个毛细玻璃管1；单模光纤2a作为光源的输入端，单模光纤2b作为光源的输出端，长周期光纤光栅2c错位熔接在两个单模光纤之间，以构成光纤干涉仪2；毛细玻璃管1套装在光纤干涉仪2上，并且毛细玻璃管1的两端分别通过密封胶3与两个单模光纤2a和2b密封为一体，在毛细玻璃管1内封装有气化温度在70℃～80℃的温度敏感性液体4。

本实施例中所述长周期光纤光栅2c的纤芯与两个单模光纤2a和2b的纤芯错位的长度为2-4μm,具体为2μm。

本实施例中所述长周期光纤光栅2c由单模光纤在剥去涂覆层后，利用高频CO₂激光器直接刻写制备而成，并且其光栅周期为596μm,光栅条纹数为42个，光栅长度为25mm。

本实施例中所述温度敏感性液体4为异丙醇或酒精，密封胶3为AB胶。

本实用新型的制作过程如下：

第一步：用高频CO₂激光器刻写一个长周期光纤光栅。取一段普通单模光纤剥去涂覆层水平放置到高频CO₂激光器下，设置栅距为Λ =596μm，周期个数为N =42。在这个参数下可以刻写得到长周期光纤光栅；

第二步：将长周期光纤光栅两侧用光纤切割刀切割平整和两侧的单模光纤熔接，使得熔接点处两光纤纤芯发生一定程度错位，以制得光纤干涉仪，其中长周期光纤光栅的纤芯与两个单模光纤的纤芯错位长度为2μm;

第三步：将已制备的光纤干涉仪穿插进内径大于125微米的毛细玻璃管中，保证长周期光纤光栅和两侧连接部位全部处于毛细玻璃管中；

第四步：将插有光纤干涉仪的毛细玻璃管竖直放置，在毛细管上端口径处滴一滴温度敏感性的液体，如异丙醇、酒精，该液体在自重作用下会迅速充满毛细玻璃与光纤干涉仪所围成的夹层空间；

第五步：将毛细玻璃管的两端与两个单模光纤的侧壁用AB胶进行密封，至此基于毛细玻璃管封装的干涉型光纤温度传感器即制备完成。

在应用时，将光纤温度传感器输入端和输出端的两个单模光纤2a和2b通过常用的普通单模光纤对应与宽带光源5和光纤光谱仪6相连。将此光纤传感器置于可控温度场中，改变传感器周围环境温度，即可得到一组已知温度下光纤传感器透射光谱的某一个特定的谐振峰波长值。应用数学分析，得到谐振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的谐振峰波长值和定标函数关系，即可获知待测温度场的温度。