基于光纤末端倾角的大范围温度传感器及制作方法与流程

本发明涉及于光纤传感领域，特别是涉及一种基于光纤末端30°倾角的全光纤大范围温度传感器及制作方法。

背景技术：

全光纤型传感器通常是直接在光纤上设计微结构来实现传感。该传感器具有微型化优点而广泛应用于温度、压力、应变及折射率等物理量的测量。其中，在温度传感器方面，全光纤型传感器克服了一般非全光纤传感器(如mems传感器)由于不同材料之间的热膨胀系数失配而限制测温范围的缺陷，其组成材料单一，不存在热膨胀系数失配问题，具有更高的温度响应动态范围，因而受到国内外众多研究人员的关注。

一般的光纤光栅温度传感器，其温度测量范围受光栅刻写原理的限制，高温一般在200℃左右。基于干涉型的光纤光栅温度传感器，利用光纤材料的热光效应和热膨胀效应来改变干涉信号的相位差，能够实现较大的温度传感范围。根据材料主要有两种，即一种是普通的二氧化硅光纤，其高温响应可以达到接近1000℃；另一种是蓝宝石光纤，其高温响应可以达到1600℃。根据干涉类型主要有三种类型，分别是法珀型、马赫泽德型和迈克尔逊型。对于法珀型光纤光栅温度传感器，通常采用特殊光纤(例如中空光纤、中空光子晶体光纤等)或者飞秒激光器在光纤上直接构造法珀微腔，这种结构受外界因素影响较小，性能稳定，是应用最广泛的全光纤型传感器，但是需要特殊光纤或特殊设备(例如飞秒激光器)，需要较高的制作成本和工艺难度。马赫泽德型通常是在两段光纤之间熔入另一种类型光纤，其透射干涉谱信噪比较高，但是光纤结构强度受到一定的破坏，且容易受到弯曲、应力的因素的影响。通过高温实验分析其高温响应特性。迈克尔逊干涉型采用光纤耦合器将一束光分到两路光纤中，通过调制光束在两路光纤中的光程实现位移测量，同样也适用于测量其他可以转化为位移的物理量。该类型中，为了实现两路光纤的光程匹配，通常需要使用机械移动部件，因此测量精度和重复性往往受机械移动件影响，仅适用于测量精度和稳定性要求较低的场合。

技术实现要素：

为了减小传感器的体积，降低工艺制作难度和制作成本，本发明提出了一种基于光纤末端倾角的大范围温度传感器及制作方法，利用研磨在光纤末端研磨30°倾角引入迈克尔逊干涉，利用光纤纤芯和包层热膨胀与热光效应产生光谱随温度的变化，实现温度的测量。

本发明的一种基于光纤末端倾角的大范围温度传感器，该传感器结构为一个末端具有30°角倾斜面4的光纤1，所述光纤由光纤包层2和光纤纤芯3组成；入射光束5在光纤纤芯3中经过30°角倾斜面4形成入射光束与纤芯倾斜面交点7，全反射以后在光纤纤芯3和光纤包层2所构成的光束在光纤纤芯与包层界面分离和合束位置8处由于反射和折射分别两束光：一束为反射光束61，正入射到纤芯30°倾斜面4后原路反射回，其再经过光纤纤芯3与光纤纤芯与包层界面分离和合束位置8反射后的光的光强记为i1；另一束折射光束62在光束在光纤包层与空气界面的反射点位置9处反射后正入射到包层30°角倾斜面并按照原路反射回，其经过包层与纤芯界面8折射后的光的光强记为i2，所述两束光i1、i2的按照原路返回的光相遇合并后会发生双光束干涉。

所述双光束干涉的干涉信号光强表示为：

式中，为两干涉光束间的相位差，为两干涉光束间的光程差，λ为入射光5的波长；rcl为光纤包层2的半径，rco为光纤纤芯3的半径，ncl为光纤包层2的折射率，nco为光纤纤芯3的折射率；

在δφ＝(2m+1)π时，干涉条纹会出现波谷，其中m为整数，对应波谷的波长为相邻两个波谷间波长差表示为

所述干涉信号的温度灵敏度表示为：

式中，ξ和α分别为光纤包层材料的热光系数和热膨胀系数，光纤半径越大，将获得的温度灵敏度越高。

本发明的一种基于光纤末端倾角的大范围温度传感器的制作方法，通过研磨的方式使得光纤1末端成为30°角倾斜面，具体加工制作步骤如下：

将光纤插芯12固定在卡槽，调整角度为30°；研磨转盘13上先将粒径为9μm的光纤研磨纸14紧贴，设置转盘13转速为120转/分钟，在研磨的过程中不断下移光纤插芯，直到光纤插芯空芯部分被彻底研磨到；然后依次更换粒径为3μm的光纤研磨纸15与粒径为1μm的光纤研磨纸16，各研磨10分钟，研磨转盘13的转速保持120转/分钟不变，到此30°倾角的光纤插芯研磨完成；在光纤研磨纸14、15、16与研磨转盘13紧贴时，在研磨转盘13上均匀喷洒水雾，以便研磨转盘13与光纤研磨纸14，15，16无缝隙贴合；在研磨时及时在光纤研磨纸14、15、16与光纤插芯12间喷水，将研磨下的粉末冲洗掉，同时保障研磨的表面质量；将光纤插芯研磨好后，将光纤1插入已研磨好的光纤插芯12内，并使得光纤1末端伸出光纤插芯12约111μm，将光纤1固定好；将粒径为1μm的光纤研磨纸紧贴到研磨转盘上，研磨转盘13转速设置为100转/分钟，缓慢调节光纤插芯12使得光纤末端与研磨纸恰好接触，在研磨的过程中不断下移光纤插芯，直到伸出光纤插芯部分的光纤被彻底研磨掉；更换粒径为0.3μm的光纤抛光纸17，以100转/分钟的速度抛光5分钟，至此，光纤末端30°倾角研磨完成。

与现有技术相比，本发明具有如下积极效果：

1、本发明通过一次研磨光纤制作而成，加工工艺简单，无需熔接其他特种光纤，结构简单，性能可靠；也无需使用飞秒激光切割等昂贵的加工手段，具有良好的成本优势；

2、本发明的温度传感原理在于利用研磨在光纤末端研磨30°倾角引入迈克尔逊干涉，利用光纤纤芯和包层热膨胀与热光效应产生光谱随温度的变化，相比于传统的法珀或者马赫曾德温度传感，具有理论创新性。

3、由于利用的是光纤的热膨胀效应和热光效应，而普通光纤在-200℃到1000℃具有良好的热膨胀系数和热光系数，因此本发明传感器在-200℃到1000℃能够进行温度测量，具有较大的温度测量范围。

附图说明

图1是基于光纤末端倾角的大范围温度传感器结构示意图；

图2至图4是基于光纤末端倾角的大范围温度传感器制作方法示意图；

图5是基于光纤末端倾角的大范围温度传感器的实验系统示意图；

图6是基于光纤末端倾角的大范围温度传感器输出的干涉信号光谱图；

图7是基于光纤末端倾角的大范围温度传感器在温度范围-40℃到140℃时输出光谱峰值随温度漂移图；

图8是基于光纤末端倾角的大范围温度传感器在温度范围250℃到900℃时输出光谱峰值随温度漂移图；

图中，1、光纤，2、光纤包层，3、光纤纤芯，4、30°角倾斜面，5、入射光束，61、反射光束，62、折射光束，7、入射光束与纤芯倾斜面交点，8、光束在光纤纤芯与包层界面分离和合束位置，9、光束在光纤包层与空气界面的反射点位置，10、光束在纤芯倾斜面正入射位置，11、光束在包层倾斜面正入射位置，12、光纤插芯，13、研磨机转盘，14、9um光纤研磨纸，15、3um光纤研磨纸，16、1um光纤研磨纸，17、0.3um光纤抛光纸，18、ase宽带光源，19、光纤环形器，20、光谱分析仪，21、传感头，22、温度炉，23、干涉条纹，24、干涉条纹峰值随温度的漂移曲线。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步的详细描述。

本发明采用光纤研磨机在光纤末端研磨30°角倾斜面，使入射光束在纤芯和包层界面分为两束光，并经过多次反射后沿原光路返回使两束光合并为一束光，在光纤末端形成了微小迈克尔逊干涉仪，两相干光束光程差为光纤半径和折射率的函数，在温度变化时，由于热膨胀效应和热光效应会改变光纤半径和折射率，从而改变输出的干涉光谱图样。从干涉光谱图可以反推出温度。本发明所提出的全光纤温度传感器的温度灵敏度由光纤半径、折射率、热光系数和热膨胀系数共同决定。

如图1所示，本发明的一种基于光纤末端倾角的大范围温度传感器，该传感器的结构为一个末端具有30°角倾斜面4的光纤1，所述光纤由光纤包层2和光纤纤芯3组成；入射光束5在光纤纤芯3中经过30°角倾斜面4形成入射光束与纤芯倾斜面交点7，全反射以后在光纤纤芯3和光纤包层2所构成的光束在光纤纤芯与包层界面分离和合束位置8处由于反射和折射分别两束光：一束为反射光束61，正入射到纤芯30°倾斜面4后原路反射回，其再经过光纤纤芯3与光纤纤芯与包层界面分离和合束位置8反射后的光的光强记为i1；另一束折射光束62在光束在光纤包层与空气界面的反射点位置9处反射后正入射到包层30°角倾斜面并按照原路反射回，其经过包层与纤芯界面8折射后的光的光强记为i2。这两束光i1、i2的按照原路返回的光相遇合并后会发生双光束干涉，干涉光强表示为：

式中，为两干涉光束间的相位差，为两干涉光束间的光程差，λ为入射光5的波长；rcl为光纤包层2的半径，rco为光纤纤芯3的半径，ncl为光纤包层2的折射率，nco为光纤纤芯3的折射率。

在δφ＝(2m+1)π时，干涉条纹会出现波谷，其中m为整数，对应波谷的波长为相邻两个波谷间波长差表示为对于多模光纤和单模光纤而言，光纤包层和纤芯的折射率非常接近，因此光程差opd主要受光纤包层半径和折射率影响。光纤包层2的热光效应和热膨胀效应是改变干涉信号光程差的两个主要因素，因此干涉信号的温度灵敏度表示为：

式中，ξ和α分别为光纤包层材料的热光系数和热膨胀系数。对于石英光纤来说，折射率、热光系数和热膨胀系数均为近似常数，因此，光纤半径越大，将获得的温度灵敏度越高。

该传感器是通过将光纤1末端研磨加工为30°角倾斜面，在倾斜面区域内构成微型迈克尔逊干涉来实现温度的测量的。

如图2至图4所示，本发明的一种基于光纤末端倾角的大范围温度传感器制作方法，通过研磨的方式使得光纤1末端成为30°角倾斜面，具体加工制作步骤如下：

将光纤插芯12固定在卡槽，调整角度为30°；研磨转盘13上先将粒径为9μm的光纤研磨纸14紧贴，设置转盘13转速为120转/分钟，在研磨的过程中不断下移光纤插芯，直到光纤插芯空芯部分被彻底研磨到；然后依次更换粒径为3μm的光纤研磨纸15与粒径为1μm的光纤研磨纸16，各研磨10分钟，研磨转盘13的转速保持120转/分钟不变，到此30o倾角的光纤插芯研磨完成。在光纤研磨纸14、15、16与研磨转盘13紧贴时，需要在研磨转盘13上均匀喷洒水雾，以便研磨转盘13与光纤研磨纸14，15，16无缝隙贴合；在研磨时需要及时在光纤研磨纸14、15、16与光纤插芯12间喷水，这样能够将研磨下的粉末冲洗掉，同时可以保障研磨的表面质量。将光纤插芯研磨好后按照图3所示将光纤1插入已研磨好的光纤插芯12内，并使得光纤1末端伸出光纤插芯12约111μm，并将光纤1固定好。将粒径为1μm的光纤研磨纸紧贴到研磨转盘上，研磨转盘13转速设置为100转/分钟，缓慢调节光纤插芯12使得光纤末端与研磨纸恰好接触，在研磨的过程中不断下移光纤插芯，直到伸出光纤插芯部分的光纤被彻底研磨掉；更换粒径为0.3μm的光纤抛光纸17，以100转/分钟的速度抛光5分钟，至此，光纤末端30°倾角研磨完成，如图4所示。

如图5所示，基于光纤末端倾角的大范围温度传感器的实验系统，宽带光源(ase)18发出的光经过环形器19入射到光纤末端温度传感器21，反射光信号再次经过环形器19入射到光谱分析仪20。图6为光谱分析仪接收到的干涉条纹23。将传感器21置于温度炉22中，用温度炉22提供温度变化。采用两种不同范围的温度炉特工温度变化。一种从-40℃开始，以温度梯度为10℃逐渐升高到140℃；另一种从250℃开始，以温度梯度50℃逐渐升高到900℃。图7、图8分别为传感器干涉光谱峰值随温度变化的漂移。通过跟踪干涉光谱上特定峰值，通过计算不同温度下该峰值的漂移量，可以得到对应的温度。