CN112595435B - 一种基于光纤强倏逝场干涉仪的高灵敏测温解调传感系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于光纤强倏逝场干涉仪的高灵敏测温解调传感系统，其包括的光纤分路装置的一端与光源、解调仪均连接，光纤分路装置的另一端与干涉仪的一端相连接，干涉仪的另一端与光反射器件相串联，包层的中部外包裹有热光材料，应用时，光源发出的入射光经过干涉仪产生干涉光谱，热光材料同时增敏，干涉光谱经光反射器件后，干涉光谱中的传感峰会被反射回干涉仪，热光材料再次增敏，增敏后的传感峰再经光纤分路装置发至解调仪，然后由解调仪对反射光谱进行寻峰处理，实现自动解调。本设计不仅能兼具高灵敏度、容易解调的双重优点，而且便于封装固定，抗干扰能力较强。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤传感测温系统，属于光纤传感技术领域，也属于材料科学以及光电子技术的交叉领域，尤其涉及一种基于光纤强倏逝场干涉仪的高灵敏测温解调传感系统。
背景技术
自20世纪70年代以来，光纤测温就已成为检测温度的最先进的技术，由于其不易受电磁干扰的优点，普遍应用于检测温度的工作当中。光纤测温技术操作起来非常简便，再加上光纤不仅传输性能强，而且还具有抗电磁干扰的优点，因此被广泛使用在各种环境的作业中。国外很多发达国家都十分青睐此项技术，逐渐地用其取代传统的检测温度的技术，光纤技术得到了广泛应用。
但现有的光纤温度传感器难以兼具高灵敏度、方便解调的优点，给其推广应用造成了障碍。
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本专利申请的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不能兼具高灵敏度、方便解调的缺陷与问题，提供一种能够兼具高灵敏度、方便解调的基于光纤强倏逝场干涉仪的高灵敏测温解调传感系统。
为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种基于光纤强倏逝场干涉仪的高灵敏测温解调传感系统，其包括光纤分路装置、外包裹层、干涉仪、光反射器件与解调仪，所述干涉仪包括包层及其内设置的多根纤芯；
所述光纤分路装置的一端与光源、解调仪均连接，光纤分路装置的另一端与干涉仪的一端相连接，干涉仪的另一端与光反射器件相串联，所述包层的中部外包裹有外包裹层，且该外包裹层为热光材料。
所述光纤分路装置为2×2耦合器并联折射率传感器，或者为2×1光开关。
所述光反射器件为光纤布拉格光栅、宽带布拉格光栅或经表面修饰的纳米银反射膜。
所述光反射器件的波段选择宽度为干涉仪的传感峰自由频谱宽度的1.1—1.6倍。
所述光反射器件的波段中心波长范围为干涉仪的传感峰的波长范围的1.2—2.0倍。
所述热光材料的热光系数绝对值大于3*104，折射率为1.38—1.43，表面张力为20.6—21.2mN/m。
所述热光材料为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、氟化镁或聚氨酯。
所述干涉仪包括左光纤段、左锥形段、平直腰段、右锥形段与右光纤段，所述左光纤段的一端与光纤分路装置相连接，左光纤段的另一端依次经左锥形段、平直腰段、右锥形段、右光纤段后与光反射器件相串联；所述左光纤段、右光纤段的直径一致，所述平直腰段的直径为左光纤段的直径的1/10至1/20；
所述左光纤段上近左锥形段的部位、左锥形段、平直腰段、右锥形段、右光纤段上近右锥形段的部位的外部共同包裹有同一个外包裹层。
所述纤芯的数量为七根，包括一根中间芯与六根外围芯，所有的外围芯都围绕中间芯以正六边形均匀分布。
所述外包裹层的外部包裹有毛细金属管。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明一种基于光纤强倏逝场干涉仪的高灵敏测温解调传感系统中，主要包括光纤分路装置、外包裹层、干涉仪、光反射器件与解调仪，干涉仪包括包层及其内设置的多根纤芯，其中，光纤分路装置的一端与光源、解调仪均连接，光纤分路装置的另一端与干涉仪的一端相连接，干涉仪的另一端与光反射器件相串联，包层的中部外包裹有外包裹层（热光材料），应用时，光源发出的入射光经过干涉仪产生干涉光谱（热光材料同时放大环境温度对干涉光谱波长的影响），该干涉光谱经光反射器件后，干涉光谱中的传感峰会被反射回干涉仪（热光材料再次同时放大环境温度对干涉光谱波长的影响），并在后续经光纤分路装置发至解调仪，再由解调仪对反射光谱进行寻峰处理，进行自动解调，利用数学分析可将波长数据转换成为温度数据，使得测量精度更高，使用更加便捷，更易于光学集成。因此，本发明不仅能提高测温的灵敏度，而且能够在线实时的自动解调，从而兼具高灵敏度、方便解调的双重优点。
2、本发明一种基于光纤强倏逝场干涉仪的高灵敏测温解调传感系统中，干涉仪内包层的中部外包裹有外包裹层，该外包裹层为热光材料，应用时，外部环境的温度变化会引起热光材料的折射率发生相应的线性变化，而热光材料的折射率变化又会导致干涉仪产生的干涉光谱的波长发生漂移，从而在外部环境温度、干涉光谱的波长之间构建一种线性关系，进而克服裸光纤干涉仪温度敏感度较低的缺陷，实现增敏，此外，当入射光第一次经过干涉仪，以及被光反射器件反射回干涉仪中时，都会得到增敏，双重叠加，干涉光谱的传感峰强度被大大增加，从而较大幅度的提高灵敏度。因此，本发明不仅能监测环境的温度，而且灵敏度较高。
3、本发明一种基于光纤强倏逝场干涉仪的高灵敏测温解调传感系统中，在外包裹层的外部包裹有毛细金属管，应用时，毛细金属管不仅能够对外包裹层（即热光材料）进行保护封装，克服热光材料柔性的缺点，而且可减少响应时间以及避免震动或压强对传感产生的干扰，有利于实现在线实时高精度解调。因此，本发明不仅便于封装固定，而且抗干扰能力较强，利于实现高精度监测。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1中干涉仪、外包裹层相结合的结构示意图。
图3是图2的横向剖视图。
图4是图2中干涉仪的结构示意图。
图5是图4的横向剖视图。
图6是本发明中实施例1的温度敏感度的对比示意图。
图7是本发明中实施例1的传感峰波段对比示意图。
图中：外包裹层1、干涉仪2、包层21、纤芯22、中间芯221、外围芯222、左光纤段23、左锥形段24、平直腰段25、右锥形段26、右光纤段27、光反射器件3、毛细金属管4、光源5、封端套头6、热光材料灌注窗口7、解调仪8、光纤分路装置9。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1—图5，一种基于光纤强倏逝场干涉仪的高灵敏测温解调传感系统，其包括光纤分路装置9、外包裹层1、干涉仪2、光反射器件3与解调仪8，所述干涉仪2包括包层21及其内设置的多根纤芯22；
所述光纤分路装置9的一端与光源5、解调仪8均连接，光纤分路装置9的另一端与干涉仪2的一端相连接，干涉仪2的另一端与光反射器件3相串联，所述包层21的中部外包裹有外包裹层1，且该外包裹层1为热光材料。
所述光纤分路装置9为2×2耦合器并联折射率传感器，或者为2×1光开关。
所述光反射器件3为光纤布拉格光栅、宽带布拉格光栅或经表面修饰的纳米银反射膜。
所述光反射器件3的波段选择宽度为干涉仪2的传感峰自由频谱宽度的1.1—1.6倍。
所述光反射器件3的波段中心波长范围为干涉仪2的传感峰的波长范围的1.2—2.0倍。
所述热光材料的热光系数绝对值大于3*104，折射率为1.38—1.43，表面张力为20.6—21.2mN/m。
所述热光材料为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、氟化镁或聚氨酯。
所述干涉仪2包括左光纤段23、左锥形段24、平直腰段25、右锥形段26与右光纤段27，所述左光纤段23的一端与光纤分路装置9相连接，左光纤段23的另一端依次经左锥形段24、平直腰段25、右锥形段26、右光纤段27后与光反射器件3相串联；所述左光纤段23、右光纤段27的直径一致，所述平直腰段25的直径为左光纤段23的直径的1/10至1/20；所述左光纤段23上近左锥形段24的部位、左锥形段24、平直腰段25、右锥形段26、右光纤段27上近右锥形段26的部位的外部共同包裹有同一个外包裹层1。
所述纤芯22的数量为七根，包括一根中间芯221与六根外围芯222，所有的外围芯222都围绕中间芯221以正六边形均匀分布。优选纤芯22的直径为9μm，相邻纤芯22的间距为35μm，所述左光纤段23、右光纤段27的直径均为125μm，所述平直腰段25的直径为6μm—15μm。
所述外包裹层1的外部包裹有毛细金属管4。
本发明的原理说明如下：
本发明中的光反射器件为波段选择性光反射器件。应用时，通过选取合适的波段选择性光反射器件将干涉光谱传感峰波长范围的光谱反射，从而利于解调仪对反射光谱进行寻峰处理，实现自动解调。
本发明中，对光纤进行加热熔融拉锥处理成微纳尺寸，以使光纤表面形成倏逝场（包括左锥形段24、平直腰段25、右锥形段26，尤其在平直腰段25的表面形成强倏逝场），从而得到干涉仪，然后，再使干涉仪与热光材料（即外包裹层）相接触，最后，用毛细金属管进行封装。应用时，光穿过干涉仪时会产生干涉光谱，此时，外界温度或折射率发生改变都会引起干涉仪的有效折射率发生改变，导致干涉谱发生波长漂移，从而感应外界温度或折射率的变化。但由于二氧化硅的热光系数较小，干涉仪的温度敏感度较低，因此，本设计主要关注于外界折射率变化，为此，在干涉仪的外部包裹有热光材料，即关注热光材料折射率的变化与波长漂移之间的联系，而热光材料之外环境温度的变化又会引起热光材料折射率的线性变化，从而，在外界环境温度与波长漂移之间建立一种线性的对应联系。
本发明中优选热光材料折射率为1.3907-1.4125，所处温度为10-60摄氏度。
实施例1：
参见图1—图5，一种基于光纤强倏逝场干涉仪的高灵敏测温解调传感系统，其包括光纤分路装置9、外包裹层1、干涉仪2、光反射器件3与解调仪8，干涉仪2包括包层21及其内设置的七根纤芯22（包括一根中间芯221与六根外围芯222，所有的外围芯222围绕中间芯221以正六边形均匀分布），所述干涉仪2包括左光纤段23、左锥形段24、平直腰段25、右锥形段26与右光纤段27，所述左光纤段23的一端与光纤分路装置9的一端相连接，光纤分路装置9的另一端与光源5、解调仪8均连接，左光纤段23的另一端依次经左锥形段24、平直腰段25、右锥形段26、右光纤段27后与光反射器件3相串联；所述左光纤段23、右光纤段27的直径一致，所述平直腰段25的直径为左光纤段23的直径的1/10至1/20；所述左光纤段23上近左锥形段24的部位、左锥形段24、平直腰段25、右锥形段26、右光纤段27上近右锥形段26的部位的外部共同包裹有同一个外包裹层1，该外包裹层1为热光材料（本实施例中为聚二甲基硅氧烷）。
根据实验数据，上述解调传感系统的灵敏度可达14338pm/℃，与裸光纤MZI相比，增加了500倍，精度最高可达0.001℃。
请参见图6，该图为本实施例1的温度敏感度对比示意图，由图可见，聚二甲基硅氧烷包裹之后，本传感系统对温度的敏感性大幅增加。
请参见图7，该图为在15℃下，分别用光谱仪采集到的干涉仪透射谱（虚线），以及本设计中解调仪采集到的反射谱（实线），两相对比，可以看到反射谱中干涉谱的幅度明显增大，更有利于解调仪解调，从而利于实现实时的在线自动解调。
实施例2：
基本内容同实施例1，不同之处在于：
热光材料选用氟化镁，干涉仪2选用拉锥单模光纤干涉仪。
实施例3：
基本内容同实施例1，不同之处在于：
热光材料选用聚氨酯，干涉仪2选用拉锥七芯光纤干涉仪，光纤分路装置9选用2×1光开关。
实施例4：
基本内容同实施例1，不同之处在于：
光纤分路装置9选用2×2耦合器并联折射率传感器，实现温度折射率双参量高灵敏度测量。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于光纤强倏逝场干涉仪的高灵敏测温解调传感系统，其特征在于：所述测温解调传感系统包括光纤分路装置（9）、外包裹层（1）、干涉仪（2）、光反射器件（3）与解调仪（8），所述干涉仪（2）包括包层（21）及其内设置的多根纤芯（22）；
所述光纤分路装置（9）的一端与光源（5）、解调仪（8）均连接，光纤分路装置（9）的另一端与干涉仪（2）的一端相连接，干涉仪（2）的另一端与光反射器件（3）相串联，所述包层（21）的中部外包裹有外包裹层（1），且该外包裹层（1）为热光材料；
所述干涉仪（2）包括左光纤段（23）、左锥形段（24）、平直腰段（25）、右锥形段（26）与右光纤段（27），所述左光纤段（23）的一端与光纤分路装置（9）相连接，左光纤段（23）的另一端依次经左锥形段（24）、平直腰段（25）、右锥形段（26）、右光纤段（27）后与光反射器件（3）相串联；所述左光纤段（23）、右光纤段（27）的直径一致，所述平直腰段（25）的直径为左光纤段（23）的直径的1/10至1/20；
所述左光纤段（23）上近左锥形段（24）的部位、左锥形段（24）、平直腰段（25）、右锥形段（26）、右光纤段（27）上近右锥形段（26）的部位的外部共同包裹有同一个外包裹层（1）。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤强倏逝场干涉仪的高灵敏测温解调传感系统，其特征在于：所述光纤分路装置（9）为2×2耦合器并联折射率传感器，或者为2×1光开关。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于光纤强倏逝场干涉仪的高灵敏测温解调传感系统，其特征在于：所述光反射器件（3）为光纤布拉格光栅、宽带布拉格光栅或经表面修饰的纳米银反射膜。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于光纤强倏逝场干涉仪的高灵敏测温解调传感系统，其特征在于：所述光反射器件（3）的波段选择宽度为干涉仪（2）的传感峰自由频谱宽度的1.1—1.6倍。
5.根据权利要求4所述的一种基于光纤强倏逝场干涉仪的高灵敏测温解调传感系统，其特征在于：所述光反射器件（3）的波段中心波长范围为干涉仪（2）的传感峰的波长范围的1.2—2.0倍。
6.根据权利要求1或2所述的一种基于光纤强倏逝场干涉仪的高灵敏测温解调传感系统，其特征在于：所述热光材料的热光系数绝对值大于3*104，折射率为1.38—1.43，表面张力为20.6—21.2mN/m。
7.根据权利要求6所述的一种基于光纤强倏逝场干涉仪的高灵敏测温解调传感系统，其特征在于：所述热光材料为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、氟化镁或聚氨酯。
8.根据权利要求1或2所述的一种基于光纤强倏逝场干涉仪的高灵敏测温解调传感系统，其特征在于：所述纤芯（22）的数量为七根，包括一根中间芯（221）与六根外围芯（222），所有的外围芯（222）都围绕中间芯（221）以正六边形均匀分布。
9.根据权利要求1或2所述的一种基于光纤强倏逝场干涉仪的高灵敏测温解调传感系统，其特征在于：所述外包裹层（1）的外部包裹有毛细金属管（4）。
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Non-Patent Citations (3)
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| 锥形三包层石英特种光纤折射率与温度传感器;付兴虎等;《光学学报》;20151210(第12期);第82-89页 * |
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