一种简易的高灵敏度光纤温度传感器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种简易、廉价的温度传感器，该温度传感器仅需要将一段带涂覆层的单模光纤弯折并用胶固定成液滴状即可，光纤弯曲将引起单模光纤双折射率的提高，当光从这段弯曲的单模光纤经过，由于两个偏振态的光引起了一定的相位差。所以透射谱中可以观察到干涉峰的存在。弯曲引起的双折射率对于外界温度变化的敏感，导致该传感器的透射谱中的干涉峰随外界温度变化发生漂移。我们的温度传感器中半圆型光纤部分取其曲率半径为2mm-6mm。
【专利说明】一种简易的高灵敏度光纤温度传感器
【技术领域】
[0001]本发明属于光纤传感的设计领域，涉及一种应用带涂覆层的普通单模光纤的弯曲引起的双折射率对温度的灵敏实现对环境温度的检测。
【背景技术】
[0002]光纤传感器结构简单、体积小、质量轻、在易燃易爆和高温高压的场合下应用具有安全可靠等特点，所以光纤传感器的开发研制倍受青睐，并获得广泛应用。随着光纤传感技术的迅猛发展，光纤温度传感器得到了广泛关注和研究。由于光纤本身对严苛环境的适应能力，光纤温度传感器可以测量传统温度传感器所不能测量的场合，例如储油罐等易燃易爆的高危环境，如果利用电学温度传感器很容易因其产生的电火花导致严重的事故，同时由于光纤本身的体积小，质量轻也可以利用在很多狭小环境的温度测量等，目前报导的光纤温度传感器主要分为以下几类:
[0003]基于微加工单模光纤的温度传感器，这种传感器主要是通过飞秒激光器对光纤纤芯及包层进行高精度加工，从而在光纤内部形成干涉仪。利用温度对光纤和空气腔热光系数和热膨胀系数差异引起的干涉峰偏移来检测温度变化或者通过光纤本身的热膨胀导致的光程差感应温度变化。这种温度传感器一般的灵敏度为10-100pm/°C，可测量温度范围大，工作稳定。只是这种传感器制作过程较为复杂，对精密加工光纤所需要的激光器及相应的控制系统有较高的要求。
[0004]基于杂交光纤结构的温度传感器，这种传感器则是利用两种或者两种以上不同光纤的芯径不匹配引起的包层模与纤芯内的基模之间的干涉，由于光纤本身的热膨胀效应来感应温度，整体构造较为简易，制作难度低。但其灵敏度一般也为IO-1OOpm /°C。
[0005]基于光纤光栅的温度传感器，主要分为布拉格光纤光栅温度传感器和长周期光纤光栅温度传感器，第一种光纤温度传感器有较低的交叉灵敏度且可用于分布式传感，但是对于温度的灵敏度却只有10pm/°C左右。第二种光纤温度传感器有约100pm/°C的温度灵敏度，但其对弯曲和折射率也有很高的灵敏度。
[0006]基于灌有液体光子晶体光纤的温度传感器，一般的光子晶体光纤对于温度很不敏感，但是当空气隙中灌入液体后，液体与石英的热光系数差异将给光子晶体光纤带来很高的温度灵敏度。一般可以达到几个纳米每摄氏度以上。但是其制作过程较为繁琐，尤其是有选择性的部分空气隙灌入，而且光子晶体光纤的价钱也远远高于一般的光纤。
[0007]在综上所述的研究中，现有的光纤温度传感器在性能和制作方法上各有特点，但是都存在各自的缺点，特别是用于传感的光纤结构多为裸光纤，结构较为脆弱，容易被破坏所以应用中经常需要特别小心操作。基于微加工单模光纤的温度传感器尺寸小、稳定性好、测量范围大，但是灵敏度不高且制作工艺比较复杂。基于杂交光纤结构的温度传感器制作方法较简单，但是灵敏度也不高。基于光纤光栅的温度传感器中长周期光纤光栅传感器温度灵敏度高但交叉灵敏度也高，可用于分布式传感的布拉格光纤光栅传感器有小的交叉灵敏度但是对温度的灵敏度也很低。基于灌入液体光子晶体光纤的温度传感器灵敏度高但是其制作过程较为复杂且成本高。目前，对于光纤温度传感器一般需要考究其灵敏度、结构结实程度、制作难度及成本等。
【发明内容】
[0008]本发明的目的就是为了克服现有光纤温度传感器制作工艺复杂、成本高、结构脆弱等问题，提出了一种基于带涂覆层单模光纤的高灵敏度光纤温度传感器。
[0009]本发明解决技术问题所采取的技术方案为:
[0010]将一段普通带涂覆层的单模光纤(如Corning，SMF-28)弯折成液滴状，然后在弯折光纤的尾部利用胶水粘合固定，光经过该段由简单的弯折而形成的光纤会在出射端产生干涉，利用温度对弯曲光纤的双折射率的影响，通过对透射谱进行波长解调得到温度的信息，实现环境温度的测量；所述胶水可以为普通502胶水，AB胶等；
[0011]所述的弯曲光纤是带涂覆层的普通单模光纤(除弯曲外，并未经过任何附加处理)，所以可以将其进行较为剧烈的弯曲，形成一个液滴状，弯曲最严重的部分可近似看成一段半圆型光纤，其曲率半径在之间,胶合部分长度取> 50mm,从而确保传感头的结构稳定。
[0012]本发明所具有的优点为:通过简单的弯折一段不需要任何处理的带涂覆层的单模光纤，就可以形成干涉仪并用于温度传感且有较高温度灵敏度。制作成本低，制作过程简单，传感器体积小且涂覆层可以起到保护传感器提高其结构稳定性的作用，固可以广泛的应用于多种环境下的温度测量。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为所述光纤温度传感器测温过程的示意图。
[0014]图2为将一个曲率半径为3.6mm的所述光纤温度传感器，放置在温度场
[0015]中，随着温度从20摄氏度升至30摄氏度过程的透射谱强度。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图对本发明进一步描述。
[0017]如图1所示，为所述温度传感器的测温示意图，包括宽带光源(1)，光谱仪(2)，带涂覆层的普通单模光纤(5)，温度场(3)。光纤温度传感器由一段未经任何处理的带涂覆层单模光纤(5)弯折成液滴状，其弯曲最严重区域可认为是一段半圆型弯曲光纤，其曲率半径取2_-6_，然后用胶在(4)处进行粘合固化制成。将该传感器放置在温度场(3)中，由宽带光源(I)提供入射光，可以在光谱仪(2)中观察到干涉图谱，当温度场(3)中的温度变化时，在光谱仪(2)中可以观察干涉峰波长偏移，说明其具有测量温度的能力。
[0018]如图2所示，将一个弯曲光纤曲率半径为3.6mm的所述光纤温度传感器放入恒温箱中，当恒温箱的温度从20摄氏度以一度一个步进逐渐升温至30摄氏度的过程中，波长在1550nm附近的一个干涉峰的波长从1553.32nm逐渐漂移到1532.28nm。在图2的插图中也同时展示了在20摄氏度时，该传感器的透射谱图。该干涉峰的偏移情况说明该温度传感器的温度灵敏度大于2nm / V。
[0019]本发明实现测温是基于以下原理:光纤传感中温度对光纤的作用除有热光效应、热膨胀效应外，温度还会影响光纤的双折射率。同时当一段单模光纤经过严重弯曲以后，其内部的折射率分布被改变，从而双折射率会被提高，用宽带光源向严重弯曲后的单模光纤中输入光可以在其出射端用光谱仪观察到明显的干涉条纹，当温度发生变化时，由于弯曲光纤中的双折射率随之改变，则会表现为干涉峰的漂移，通过检测干涉峰的漂移量便可以判断温度变化情况。
[0020]本发明实现测温功能的关键技术为:
[0021]普通单模光纤通过弯曲改变可以其内部的折射率分布，从而产生一定双折射率，然而一般的裸露单模光纤当弯曲至一定曲率时极易折断，所以引起的双折射率很有限，并不足以引起基膜中两个正交模式的干涉。然而带涂覆层的单模光纤则可以在涂覆层的保护下弯曲至曲率半径2_以下，从而产生足够引起干涉的双折射率。
[0022]将一段普通带涂覆层的单模光纤(如Corning，SMF-28)弯折成液滴状，然后在弯折光纤的尾部将光纤利用胶水(如502胶水)粘合固定，其弯曲最严重区域可认为是一段半圆型弯曲光纤，其曲率半径取2_-6_。利用温度对弯曲光纤产生的双折射率的影响，通过对透射谱进行波长调制得到温度的信息，实现环境温度的测量。
[0023]所述单模光纤不需要任何处理，便可以形成干涉仪并用于温度传感且有较高温度灵敏度。制作过程简单，制作成本低，传感器体积小且涂覆层可以起到保护传感器提高其结构稳定性的作用，固可以广泛的应用于多种环境下的温度测量。
【权利要求】
1.一种简易的高灵敏度光纤温度传感器，将一段带涂覆层的普通单模光纤(如Corning，SMF-28)弯折成液滴状，然后在弯曲光纤的尾部将光纤利用胶水粘合固定，光经过该段由简单的弯折而形成的光纤会在出射端产生干涉，利用弯曲光纤的双折射率对温度的敏感，通过对透射谱进行波长解调得到温度的信息，实现环境温度的测量；所述胶水可以为普通502胶水，AB胶等； 所述的弯曲光纤是带涂覆层的完整光纤，将其进行较为剧烈的弯曲，形成一个液滴状，弯曲最严重的部分可近似看成一段半圆型光纤，其曲率半径为2mm-6mm，胶合部分长度≥50mmo
【文档编号】G01K11/32GK103698048SQ201310692158
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月9日 优先权日:2013年12月9日
【发明者】李裔, 谢江磊, 徐贲 申请人:中国计量学院