一种光纤温度传感器及其测量方法

1.本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种光纤温度传感器及其测量方法。


背景技术：

2.与传统的机械式或者电学式温度传感器相比，光纤温度传感器的结构紧凑、抗电磁干扰、可靠性好、无需供电等优点引起了人们的广泛关注。主流的光纤温度传感器主要分为光纤光栅式、马赫增德尔干涉仪式、法布里珀罗腔式以及表面等离子共振结构。光纤但受限于熔融石英材料本身的物理特性，基于光纤光栅和马赫增德尔干涉仪的温度传感器存在灵敏度较低的问题。为了提高光纤温度传感器的灵敏度，在设计光纤结构式，往往会采用侧面抛光、拉锥等方法式，但这些方法破坏了光纤结构，会极大地降低光纤的机械强度。而基于法布里珀罗腔式和表面等离子共振结构的光纤温度传感器则存在制作复杂，那一批量生产的缺点。


技术实现要素：

3.(一)要解决的技术问题
4.基于上述问题，本发明提供一种光纤温度传感器，解决现有光纤温度传感器灵敏度低、制作复杂的问题。
5.(二)技术方案
6.本发明提供一种光纤位移传感器，包括基座和光纤；所述基座包含金属底板、光纤夹具和固体pdms；所述光纤是单模
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无芯
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光子晶体
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单模光纤结构的马赫增德尔干涉仪；金属底板两侧装有光纤夹具，中间的圆孔内充满pdms；光纤拉直后安装在夹具上，并保证无芯光纤和光子晶体光纤的熔接点在pdms上。与无芯光纤熔接的单模光纤作为输入光纤，其另一端接入宽带光源；与光子晶体光纤熔接的单模光纤作为输出光纤，其另一端接入光谱仪。将基座固定在被测物体上，当被测物体的温度升高，温度会通过金属底板传递到pdms，pdms受热膨胀将snps结构顶弯，通过监测snps结构的光谱变化可以解调出温度的变化。
7.进一步地，光纤安装前应预张紧，保证无芯光纤和光子晶体光纤的熔接点位于金属底板圆孔中心处并与pdms接触上。
8.优选地，无芯光纤和光子晶体光纤的长度均在15mm至40mm之间。
9.优选地，金属底板为铝合金、不锈钢、钛合金等导热性好的材料。
10.优选地，为保证传感器的长时间稳定使用，最高测试温度应低于150℃。
11.本发明公开了一种温度测量方法，所述测量方法包括以下步骤：
12.s1、将所述输入端单模光纤接入宽带光源，将输出端单模光纤接入光谱仪；
13.s2、将所述金属底板固定在被测物体上；
14.s3、通过光谱仪测得光纤传感器的干涉峰的波长；
15.s4、将测得的干涉峰波长代入绘制的温度
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干涉峰波长拟合曲线得到被测物体的温度。
16.(三)有益效果
17.本发明利用马赫增德尔干涉仪对弯曲敏感以及pdms具有较高的热膨胀系数的特点，通过基座将被测物体温度的变化转化为光纤的弯曲程度的变化，达到了较高的温度灵敏度。此外，本发明具有抗电磁干扰，信号传输距离长的优点，可将基座设计成不同长度或不同宽度，以便用于深处或狭缝处的温度测量。
附图说明
18.通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
19.图1为本发明中光纤温度传感器示意图；
20.图2为本发明中光纤结构示意图；
21.图3为本发明中温度传感器实验测试示意图；
22.图4为本发明中温度传感器处于不同温度下的干涉峰光谱漂移图；
23.图5为本发明中温度传感器干涉峰波长随温度变化的拟合曲线图。
24.图中：1、金属底板，2、光纤夹具，3、pdms，4、光纤，5、输入端单模光纤，6、无芯光纤，7、光子晶体光纤，8、输出端单模光纤，9、宽带光源，10、光谱仪，11、光纤温度传感器，12、均热板。
具体实施方式
25.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
26.本发明提供一种光纤温度传感器，如图1所示，包括基座和光纤4；所述光纤4的结构如图2所示，由输入端单模光纤5，无芯光纤6，光子晶体光纤7和输出端单模光纤8组成的马赫增德尔干涉仪。其中，无芯光纤6和光子晶体光纤7的长度均为25mm；所述基座包含金属底板1、光纤夹具2和pdms 3；光纤夹具2安装在金属底板1两侧。往基座中间的圆孔内充满配置好的pdms溶液，放置在140℃的均热板上加热10分钟，使pdms完全固化；光纤4拉直后安装在光纤夹具2上，并保证无芯光纤6和光子晶体光纤7的熔接点在圆孔中心处并与pdms 3接触上。
27.如图3所示，输入端单模光纤5接入宽带光源9，输出端单模光纤8接入光谱仪10。将基座固定在均热板上，并从室温开始逐步升高均热板的温度，并记录实验结果。如图4所示，随着温度的升高，干涉峰光谱向短波长方向漂移。图5是干涉峰漂移随温度变化的拟合曲线图，在相对湿度为25.6℃～85.3℃的范围内，该传感器的温度灵敏度可达到114pm/℃，相关系数达到0.9966。从实验结果可以看出本发明的光纤温度传感器具有很高的温度灵敏度和线性度。
28.温度测量方法为：
29.s1、将所述输入端单模光纤5接入宽带光源9，将输出端单模光纤8接入光谱仪10；
30.s2、将所述金属底板1固定在被测物体上；
31.s3、通过光谱仪10测得光纤传感器的干涉峰的波长；
32.s4、将测得的干涉峰波长代入图5的拟合曲线得到温度值。
33.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；虽然
结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。


技术特征：
1.一种光纤温度传感器，其特征在于，包括基座和光纤；所述基座包含金属底板、光纤夹具和pdms；光纤夹具安装在金属底板两侧。金属底板中间的圆孔内充满固化的pdms。所述光纤包括输入端单模光纤，无芯光纤，光子晶体光纤和输出端单模光纤。光纤拉直后安装在光纤夹具上，并保证无芯光纤和光子晶体光纤的熔接点在金属底板的圆孔中心处并与pdms接触上。2.根据权利要求1所述的金属底板，其特征在于，为铝合金、不锈钢、钛合金等导热性好的材料。3.根据权利要求1所述的无芯光纤和光子晶体光纤，其特征在于，长度均在15cm至45cm之间。4.一种根据权利要求1所述的一种光纤温度传感器的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、将所述输入端单模光纤接入宽带光源，将输出端单模光纤接入光谱仪；s2、将所述金属底板固定在被测物体上；s3、通过光谱仪测得光纤传感器的干涉峰的波长；s4、将测得的干涉峰波长代入绘制的温度
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干涉峰波长拟合曲线得到被测物体的温度。

技术总结
本发明公开了一种光纤温度传感器及其测量方法，包括基座和光纤；所述基座包含金属底板、光纤夹具和PDMS；光纤夹具安装在金属底板两侧。金属底板中间的圆孔内充满固化的PDMS。所述光纤是由输入端单模光纤，无芯光纤，光子晶体光纤和输出端单模光纤组成的SNPS结构马赫增德尔干涉仪。光纤拉直后安装在光纤夹具上，并保证无芯光纤和光子晶体光纤的熔接点在金属底板的圆孔中心处并与PDMS接触上。被测物体的温度升高时会通过金属底板传递到PDMS，PDMS受热膨胀将光纤顶弯，SNPS结构的马赫增德尔干涉仪具有极高的弯曲灵敏度，通过监测SNPS结构的光谱变化可以解调出温度的变化。这种光纤温度传感器具灵敏度高、不受电磁干扰、无需外接供电等优点。外接供电等优点。外接供电等优点。


技术研发人员：孙小燕 曾理 董欣然 张立木 胡友旺 段吉安
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2021.07.15
技术公布日：2021/9/3