专利名称：高灵敏度光纤耦合渐逝波温度传感器及其信号处理系统的制作方法
技术领域：
本发明述及一种光纤温度传感器及其信号处理系统，特别是一种高灵敏度光纤耦合渐逝度温度传感器及其具有耦合分光可见度的高灵敏度信号处理系统。
背景技术：
近年来，传感器正朝着灵敏度高、精确度高、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能，例如抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，所以其应用领域不断的拓宽，目前已应用于测量温度、压力、应力、水位、速度、加速度、电磁场、位移、辐射场、酸碱度、湿度、化学物质鉴定等诸多领域。其中光纤温度传感器是最常用的传感器之一。目前的光纤温度传感器种类较多，如布里渊散射温度传感器，半导体温度特性非功能光纤温度传感器，喇曼光纤温度传感器、法布里-罗伯干涉光纤温度传感器、双折射效应光纤温度传感器，及布拉格光纤光栅温度传感器等。尽管这些光纤温度传感器中有一些已得到应用，但在灵敏度、分辨率、实用性、成本等方面，还有待进一步改进和完善。同时，也期待着新型的光纤温度传感器的出现，从而在性能上有新的提高。
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高灵敏度信号处理系统，具有高抗干扰能力和高灵敏度，其结构较简单，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响应速度快、温度分辨率高和灵敏度高，这也是温度传感器实现的难点问题。本发明从传感机理和信号处理入手，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及信号处理系统，旨在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Y形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熔锥Y形光纤耦合器的耦合效应，从而使耦合器的耦合分光可见度发生变化，这样检测耦合分光可见度就能得到对应的温度参数。由于利用耦合原理，测试的输出信号是耦合分光可见度，所以它与光路的光强变化无关，有很强的抗干扰能力；由于耦合分光可见度有高灵敏度，所以该传感器也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)和高灵敏度信号处理单元(5)，其特征在于采用熔锥Y形光纤耦合器(2)作为探头，熔锥Y形光纤耦合器(2)的一根耦合光纤(20)进口端和出口端通过光纤分别连接光源(1)和探测器(3)，而另一根耦合光纤(25)进口端封在壳内无连接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)的输出口连接高灵敏度信号处理单元(5)的两个进口端；熔锥Y形光纤耦合器(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，从而改变熔锥Y形光纤耦器的耦合效应，使熔锥Y形光纤耦合器的耦合分光可见度发生变化；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，输入高灵敏度信号处理单元(5)，由耦合分光可见度获取温度信息。
上述的熔锥Y形光纤耦合器(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)的两根耦合光纤一根有进口端和出口端，而另一根仅有出口端，它的另一端口密封在耦合器的封装壳内，从而形成了一个“Y”形；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Y形光纤耦合器(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。
一种用于上述的高灵敏度光纤耦合渐逝波温度传感器的高灵敏度信号处理系统包括连接两个探测器(3、4)的两个放大器(51)和(52)，同时两个放大器的输出电信号分别连接减法器(53)和加法器(54)，最后减法器(53)和加法器(54)的信号进入到除法器55，从而实现了(P1-P2)/(P1+P2)的耦合分光可见度高灵敏度信号处理功能，相除结果即为输出信号。这里P1和P2分别为传感用熔锥Y形光纤耦合器(2)的两路输出功率。
另一种用于上述的高灵敏度光纤耦合渐逝波温度传感器的高灵敏度信号处理系统，用数字电路实现其功能在两探测器(3、4)相连的放大器(51)和(52)输出信号后，用数字信号处理装置，包括其软件，直接计算(P1-P2)/(P1+P2)，实现耦合分光可见度的功能。
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Y形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，使其耦合器的耦合分光可见度变化，进而利用信号处理技术实现的耦合分光可见度信号对应其温度参数。由于利用耦合原理，输出信号是耦合器的耦合分光可见度，它与光路的光强变化无关，所以有很强的抗干扰能力，同时，其耦合效应对温度变化非常敏感且具有高灵敏度的信号处理系统，所以温度传感器有很高的灵敏度。本发明的结构简单，熔锥Y形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、生物科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Y形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与分光比和耦合分光可见度的对应关系比较曲线图。
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和高灵敏度信号处理单元5，其特征在于采用熔锥Y形光纤耦合器2作为探头，熔锥Y形光纤耦合器2的一根耦合光纤20进口端和出口端通过光纤分别连接光源1和探测器3，而另一根耦合光纤25进口端封在壳内无连接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的输出口连接高灵敏度信号处理单元5的两个进口端；熔锥Y形光纤耦合器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，从而改变熔锥Y形光纤耦合器的耦合效应，使熔锥Y形光纤耦合器的耦合分光可见度发生变化；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，输入高灵敏度信号处理单元5，由耦合分光可见度获取温度信息。上述的熔锥Y形光纤耦合器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的两根耦合光纤一根有进口端和出口端，而另一根仅有出口端，它的另一端口密封在耦合器的封装壳内，从而形成了一个“Y”形；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Y形光纤耦合器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的高灵敏度信号处理系统包括连接两个探测器3、4的两个放大器51和52，同时两个放大器的输出电信号分别连接减法器53和加法器54，最后减法器53和加法器54的信号进入到除法器55，从而实现了(P1-P2)/(P1+P2)的耦合分光可见度高灵敏度信号处理功能，相除结果即为输出信号。这里P1和P2分别为传感用熔锥Y形光纤耦合器2的两路输出功率。上述高灵敏度信号处理系统，用数字电路也能实现其所述功能。在两探测器3、4相连的放大器51和52输出信号后，用数字信号处理装置，包括其软件，直接计算(P1-P2)/(P1+P2)，实现耦合分光可见度的功能。
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和耦合分光可见度的对应关系比较图曲线。由曲线可明显看出耦合分光可见度有更高的灵敏度。
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)和高灵敏度信号处理单元(5)，其特征在于采用熔锥Y形光纤耦合器(2)作为探头，熔锥Y形光纤耦合器(2)的一根耦合光纤(20)进口端和出口端通过光纤分别连接光源(1)和探测器(3)，而另一根耦合光纤(25)进口端封在壳内无连接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)的输出口连接高灵敏度信号处理单元(5)的两个进口端；熔锥Y形光纤耦合器(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，从而改变熔锥Y形光纤耦器的耦合效应，使熔锥Y形光纤耦合器的耦合分光可见度发生变化；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，输入高灵敏度信号处理单元(5)，由耦合分光可见度获取温度信息。
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Y形光纤耦合器(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)的两根耦合光纤一根有进口端和出口端，而另一根仅有出口端，它的另一端口密封在耦合器的封装壳内，从而形成了一个“Y”形；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Y形光纤耦合器(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。
4.一种用于权利要求1所述高灵敏度光纤耦合渐逝波温度传感器的高灵敏度信号处理系统包括连接两个探测器(3、4)的两个放大器(51)和(52)，同时两个放大器的输出电信号分别连接减法器(53)和加法器(54)，最后减法器(53)和加法器(54)的信号进入到除法器(55)，从而实现实现了(P1-P2)/(P1+P2)的耦合分光可见度高灵敏度信号处理功能，相除结果即为输出信号；这里P1和P2分别为传感用熔锥Y形光纤耦合器(2)的两路输出功率。
5.一种用于权利要求1所述高灵敏度光纤耦合渐进波温度传感器的高灵敏度信号处理系统，用数字电路实现其功能在两探测器(3、4)相连的放大器(51)和(52)输出信号后，用数字信号处理装置，包括其软件，直接计算(P1-P2)/(P1+P2)，实现耦合分光可见度的功能。
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高灵敏度信号处理系统。本温度传感器包括光源、探测器和高灵敏信号处理系统，采用熔锥Y形光纤耦合器作为探头，熔锥Y形光纤耦合器的一根进口端通过光纤连接光源，两根出口端分别与两个探测器相连。所述的两个探测器的输出口连接高灵敏度信号处理单元的两个进口端，高灵敏度信号处理单元是通过两信号的差与和之比(定义为耦合分光可见度)来实现的。本发明通过熔锥Y形传感用光纤耦合器传感温度变化进而导致耦合器输出耦合分光比可见度的变化，从而获取温度变化信息。熔锥Y形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，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G01D5/353GK1719213SQ200510028240
公开日2006年1月11日 申请日期2005年7月28日 优先权日2005年7月28日
发明者王廷云, 包华育 申请人:上海大学