[发明专利]一种基于空心环形波导光纤的温度传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤温度传感器，尤其涉及一种基于空心环形波导光纤的温度传感器。

背景技术

光纤温度传感器由于尺寸小、响应速度快、抗腐蚀、抗电磁干扰等优点被广泛研究，并且已经有多种不同结构的光纤传感器用于温度测量。这些结构主要有基于光纤布拉格光栅、长周期光纤光栅、法布里-珀罗干涉仪、双芯光子晶体光纤和各种基于纤芯模-包层模干涉的结构。基于光纤布拉格光栅的温度传感器的灵敏度较低，约为0.01nm/℃；基于长周期光纤光栅和各种基于纤芯模-包层模干涉的温度传感器的灵敏度比光纤布拉格光栅温度传感器的灵敏度稍高，但一般也只是约0.1nm/℃；基于法布里-珀罗干涉仪的温度传感器对传感光纤两端的反射率要求很高；基于双芯光子晶体光纤的温度传感器要求对光子晶体光纤进行弯曲预处理，增加了结构的不稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构紧凑，高灵敏度的基于空心环形波导光纤的温度传感器。

本发明的目的是这样实现的：

包括宽谱光源、输入单模光纤、光纤传感头、输出单模光纤和光谱分析仪，光纤传感头的一端通过输入单模光纤与光源相连，光纤传感头的另一端通过输出单模光纤与光谱分析仪相连，所述光纤传感头由毛细管、封装在毛细管内的光纤马赫-泽德干涉仪和高热光系数液体组成，所述光纤马赫-泽德干涉仪包括输入多模光纤、空心环形波导光纤和输出多模光纤，输入多模光纤与输入单模光纤对轴熔接，输出多模光纤与输出单模光纤对轴熔接，空心环形波导光纤的两端分别于与输入多模光纤和输出多模光纤错轴熔接且光纤轴错开的距离大于所述空心环形波导光纤的壁厚，空心环形波导光纤的空气孔中充满高热光系数液体。

本发明还可以包括：

1、所述的空心环形波导光纤包括位于轴心的空气孔和与空气孔同轴的环形波导，空气孔直径范围为60μm-100μm，环形波导的外径为125μm。

2、所述的输入多模光纤和输出多模光纤是阶跃折射率多模光纤。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明的温度传感器，通过将空心环形波导光纤与输入多模光纤和输出多模光纤错芯熔接，可以方便地将液体填满空心环形波导光纤的空气孔。

（2）本发明的温度传感器，利用空心环形波导光纤的空气孔和环形波导中传输的两束光相干涉构成光纤马赫-泽德干涉仪，通过在空心环形波导光纤的空气孔填充高热光系数液体，可以极大地提高传感器的温度灵敏度。

（3）本发明的温度传感器，可以不需要毛细管封装，将马赫-泽德干涉仪部分直接放入待测液体中，使待测液体进入空心环形波导光纤的空气孔，实现对待测液体的温度测量。

（4）本发明的温度传感器，可以将不同长度的空心环形波导光纤传感头进行级联，实现温度的准分布测量。

附图说明

图1是本发明的基于空心环形波导光纤的温度传感器的结构示意图。

图2是本发明的光纤传感头结构示意图。

图3是一种空心环形波导光纤的端面结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图举例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

结合图1和图2，本发明的一种基于空心环形波导光纤的温度传感器，包括宽谱光源1、输入单模光纤2、光纤传感头3、输出单模光纤4和光谱分析仪5；光纤传感头3的一端通过输入单模光纤2与光源1相连，另一端通过输出单模光纤4与光谱分析仪5相连；光纤传感头3由毛细管31、封装在毛细管内的光纤马赫-泽德干涉仪32和高热光系数液体33组成；光纤马赫-泽德干涉仪32由输入单模光纤2、输入多模光纤6、空心环形波导光纤7、输出多模光纤8和输出单模光纤4级联熔融焊接组成，其中输入单模光纤2与输入多模光纤6是对轴熔接，输出多模光纤8与输出单模光纤4是对轴熔接，空心环形波导光纤7与输入多模光纤6和输出多模光纤8是错轴熔接，光纤轴错开的距离大于空心环形波导光纤7的壁厚。

结合图3，空心环形波导光纤7包括位于轴心的空气孔71和与空气孔同轴的环形波导72；空气孔71直径范围为80μm，环形波导的外径为125μm。

将高热光系数液体33通过空心环形波导光纤7与输入多模光纤6和输出多模光纤8之间的微孔充满空心环形波导光纤的空气孔71。

本发明实现温度测量的原理如下：

宽谱光源1发出的光经过输入单模光纤2进入输入多模光纤3，输入多模光纤3将入射光耦合入环形波导72和填充高热光系数液体33的空气孔71中。两束光分别沿空环形波导72和气孔71传输，经输出多模光纤8后进入输出单模光纤4中发生干涉；干涉信号被光谱分析仪5检测。由于空气孔中充满高热光系数液体33，环境温度的变化会使高热光系数液体33和环形波导72的折射率都发生相应的变化，从而使发生干涉的两束光的光程差发生变化，引起干涉光谱发生漂移。通过检测光谱的漂移量就以可实现对温度变化的测量。通常酒精等高热光系数液体的热光系数为10^-4量级，环形波导的材料（石英）的热光系数为10^-6量级，因此本发明的温度灵敏度比传统的基于长周期光纤光栅或基于石英光纤内模间干涉的方法提高两个数量级。