[发明专利]高灵敏度光纤温度传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤温度传感器，特别是一种具有波长编码特性的高灵敏度光纤温度传感器，属光纤传感领域。

背景技术

光纤传感具有许多电传感器不可比拟的优点，如不受电磁场以及其它外界环境变化的影响、灵敏度高、体积小、绝缘性好、可实现分布测量等，因此越来越受到重视。许多物理量如温度、应变、位移、湿度、压力、声音、振动等都可以使用光纤传感器进行高精度的测量。光纤传感已经广泛应用于建筑、石油、化工、交通、能源、冶金、医药、军工、食品、核工业等领域。

按照其工作原理，光纤传感器可分为强度调制型和波长编码型。顾名思义，以波长编码方式工作的光纤传感器是以光的波长作为被检测量的标识，即被检测量的变化将被转换成光的波长的变化。其最大优点就是被检测量的信息不会随光的强度的改变而发生变化，即被检测量的信息不会因为传输光纤的长短及光纤链路的损耗的大小而改变，这对于远距离测量是非常重要的。此外，具有波长编码功能的光纤传感器可以采用波长复用的方式将多个传感器串接在同一光纤链路中，从而实现多点或分布式测量。波长编码型光纤传感器的缺点是需要有波长解调功能的设备将被检测量从光的波长中提取出来，也就是说，需要测量光的波长。与强度测量相比，波长测量要复杂，一般需要通过光谱分析才能完成。

目前，已有多种方法和技术可以实现波长编码型的光纤温度传感，其中使用较广泛有采用光纤布拉格光栅(简称FBG)技术、长周期光纤光栅(简称LPG)技术、光纤F-P技术和光纤多模干涉(MMI)技术等。由标准通信光纤制作的FBG和MMI温度传感器的波长-温度灵敏度约为11pm/℃。LPG作为温度传感器时，其波长-温度灵敏度的大小和符号均取决于LPG所利用的包层模的阶数。目前已实现的波长-温度灵敏度在-140pm/℃至-340pm/℃。光纤温度传感器的波长-温度灵敏度是一个重要的技术指标，高的波长-温度灵敏度不仅有利于提高测量的精度和分辨率，还可以降低对波长解调系统的要求，从而可降低整个温度传感系统的制造成本。

发明内容

本发明的目的就是提供一种高灵敏度光纤温度传感器，该光纤温度传感器结构简单，灵敏度达到-3.915nm/℃，是现有波长编码型的光纤温度传感的数倍至数十倍，同时具有与FBG相同的波长编码和波分复用等特性。

本发明是通过下述技术方案加以实现的，一种高灵敏度光纤温度传感器，其特征在于，该光纤温度传感器包括铝或铝合金的管壳或盒壳106，在106内封装一段多模光纤102，该多模光纤的纤芯为石英材料，其直径为50-250μm，它的包层是具有热光系数为-1.0×10^-4/℃至-5.0×10^-4/℃的聚酰亚胺材料；多模光纤的一端连接单模输入光纤101，另一端连接单模输出光纤105，单模输入和输出光纤与管壳或盒壳的端口之间是环氧树脂粘接剂104。

本发明实现高灵敏度测温的原理如下：

由石英光纤组成的单模光纤-多模光纤-单模光纤(简称SMS)结构的光纤多模干涉传感器，其波长-温度灵敏度可表示为：

Δλ1λ=(α1+ξ1)ΔT]]>

其中，α₁和ξ₁分别为多模光纤纤芯的热膨胀系数和热光系数。由于石英光纤材料的热膨胀系数和热光系数均为正值，因此当温度升高时SMS光纤多模干涉仪的干涉极大或极小对应的波长将向长波方向移动。另一方面，如在SMS光纤多模干涉仪的两端施加拉力，光纤将产生应变ε，由此引起的波长移动为：