一種球形結(jié)構(gòu)光纖的溫度傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及溫度檢測技術(shù)、光纖傳感技術(shù)，利用的是球形結(jié)構(gòu)光纖對外界溫 度變化的靈敏特性以及不同外界溫度會使透射光衰減峰的波長值發(fā)生改變的方法，具有結(jié) 構(gòu)簡單、體積小、響應(yīng)速度快、靈敏度高、安全可靠等諸多優(yōu)點，它屬于光纖溫度傳感領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 以當(dāng)前光纖溫度傳感器與傳統(tǒng)的溫度傳感器相比具有很多優(yōu)點，特別是光纖工作 頻率寬，動態(tài)范圍大，是一種低損耗傳輸線，并且由于體積小、質(zhì)量輕、抗輻射性好等特點， 成為替代傳統(tǒng)溫度傳感器的商品。光纖溫度傳感器自問世以來，開始逐漸適用于電力系統(tǒng)、 建筑、化工、海洋開發(fā)等領(lǐng)域，并已取得了許多實際應(yīng)用成果。
[0003] 例如分布式光纖溫度傳感器、光纖光柵溫度傳感器、光纖熒光溫度傳感器、干涉型 光纖溫度傳感器等，同時這些傳感器在實際應(yīng)用中還需考慮許多因素，比如傳感器的制作 成本，使用的壽命長短，測量的精度，光檢測器波長分辨率的大小等問題。 【實用新型內(nèi)容】
[0004] 本實用新型的目的是為了克服上述產(chǎn)生的問題，滿足實際的工作需求，提出一種 球形結(jié)構(gòu)的溫度光纖傳感器，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計合理，成本低廉、直接實時、結(jié)果有效準(zhǔn) 確。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的技術(shù)方案是：一種球形結(jié)構(gòu)的溫度光纖傳感 器，由寬帶光源、輸入光纖、輸入球形結(jié)構(gòu)光纖、連接光纖、輸出球形結(jié)構(gòu)光纖、輸出光纖、光 譜儀構(gòu)成。從寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)輸入光纖入射到輸入球形結(jié)構(gòu)光纖后，激發(fā)起對外界溫 度敏感的包層模式，并與連接光纖中的芯層模式發(fā)生馬赫-曾特干涉，之后經(jīng)過輸出球形 結(jié)構(gòu)光纖耦合入輸出光纖，入射到光譜儀上；當(dāng)外界環(huán)境溫度改變時，透射光的干涉衰減峰 的波長位置會發(fā)生相應(yīng)改變，通過檢測光譜儀上透射光干涉衰減峰的波長值來實現(xiàn)對外界 溫度的測量。
[0006] 其中透射光干涉衰減峰的波長變化值δ λ與溫度變化值Δ T滿足：
[0008] 其中，上式中nrara、Ilad分別表示纖芯、包層的有效折射率，ζζ是表示包 層、纖芯有效的熱光系數(shù)，X dip是表不透射光干涉衰減峰對應(yīng)的波長值；α表不光纖表面 二氧化硅的熱膨脹系數(shù)，隨著外界溫度的改變，透射光干涉衰減峰波長會發(fā)生改變，因此球 形結(jié)構(gòu)光纖具有較高的溫度靈敏特性。
[0009] 本實用新型所述輸入球形結(jié)構(gòu)光纖和輸出球形結(jié)構(gòu)光纖是利用光纖熔接機對光 纖端面進行電流放電制作出來的，輸入球形結(jié)構(gòu)光纖的球形直徑是188. 87 μπι，輸出球形結(jié) 構(gòu)光纖的球形直徑是179. 98 μ m，能有效的通過透射光衰減峰波長值。
[0010] 本實用新型所述的寬帶光源用作發(fā)出入射光，光譜范圍為650nm-1700nm，能夠包 含球形結(jié)構(gòu)光纖所通過的透射光衰減峰波長值。
[0011] 本實用新型所述的光譜儀用作接收光源，分辨率是〇. 〇lnm，能精確測得不同溫度 下球形結(jié)構(gòu)光纖所通過的透射光衰減峰波長值。
[0012] 本實用新型所述的輸入光纖、連接光纖、輸出光纖都是普通單模光纖，其包層直徑 是125 μ m，纖芯直徑是8 μ m。
[0013] 本實用新型所具有的特點優(yōu)勢為：1.所有儀器材料都很普遍，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單； 2.外界環(huán)境溫度測定直接實時檢測，且操作簡單；3.所有操作都沒涉及危險藥品，安全可 與巨〇
【附圖說明】
[0014] 圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖
[0015] 圖2為本實用新型的不同溫度下的光譜圖
[0016] 圖3為本實用新型的實驗結(jié)果圖
【具體實施方式】
[0017] 本實用新型適用的溫濕度條件為：> 5°C，0-90% RH。
[0018] 如圖1所示，它是一種球形結(jié)構(gòu)的溫度光纖傳感器。
[0019] 首先要用商業(yè)熔接機將一根普通光纖制作成直徑寬度分別為188. 87 μπι的輸入 球形結(jié)構(gòu)光纖（3)、179. 98 μ m的輸出球形結(jié)構(gòu)光纖（5)。將輸入光纖（3)和輸出光纖（5)的 末端超出電極棒180 μ m，設(shè)置放電參數(shù)放電時間為1300ms，放電強度為200bit，使輸入（輸 出）光纖尖端軟化，變成一個球體，最后通過手動方式完成輸入光纖（3)和輸出光纖（5)跟 連接光纖（4)末端的連接，構(gòu)成球形結(jié)構(gòu)光纖傳感器。將輸入光纖（2)、輸出光纖（6)分別 與寬帶光源（1)和光譜儀（7)連接好，構(gòu)成光纖傳感系統(tǒng)。在實驗室進行不同外界溫度的 仿真測量時，在輸入球形結(jié)構(gòu)光纖（3)、連接光纖（4)和輸出球形結(jié)構(gòu)光纖（5)下放置一塊 加熱板，加熱板的溫度可控范圍是18°C -150°C，其精確溫度值是0. 1°C。通過改變加熱板的 溫度，從18°C到78°C對球形結(jié)構(gòu)光纖進行加熱，并觀察光譜儀（7)上透射光的衰減峰波長 值變化情況。寬帶光源（1)的光譜范圍為650nm-1700nm，發(fā)出的光經(jīng)輸入光纖（2)入射到 輸入球形結(jié)構(gòu)光纖（3)當(dāng)中，通過連接光纖（4)、輸出球形結(jié)構(gòu)光纖（5)、輸出光纖（6)、入射 到光譜儀（7)上就可以讀出不同溫度條件下的球形結(jié)構(gòu)光纖對應(yīng)的透射光衰減峰波長值， 擬合計算出透射光衰減峰波長值與外界溫度變化的關(guān)系，從而達到檢測外界溫度的目的。
[0020] 如圖2所示，在實驗室進行不同外界溫度的仿真測量時的實驗結(jié)果圖，表示透射 光衰減峰的波長值與外界不同溫度值的波形圖?？梢缘玫?，最大消光比可以達到18dBm，隨 著外界溫度的不斷升高，發(fā)生明顯的紅移現(xiàn)象。
[0021] 如圖3所示，為實驗結(jié)果圖，表示透射光衰減峰的波長值與外界不同溫度值的擬 合線性關(guān)系圖。透射光衰減峰的波長值與外界不同溫度呈良好的線性關(guān)系，擬合系數(shù)約為 0. 9978,其靈敏度值為0. 13982nm/°C。根據(jù)光譜儀的波長分辨率，通過計算可以得到本實用 新型的探測極限為7. 15X 10 2°C，具有較高的分辨數(shù)值。
[0022] 本領(lǐng)域技術(shù)人員清楚地知道，根據(jù)本實用新型的方法，可以實現(xiàn)在某些特定環(huán)境 下對溫度的檢測，例如化工、發(fā)電廠、建筑、變電站等環(huán)境溫度及火災(zāi)報警系統(tǒng)的檢測等，寬 帶光源、球形結(jié)構(gòu)光纖和光譜儀等可以進行新的統(tǒng)一搭配，裝置結(jié)構(gòu)可以進行優(yōu)化設(shè)計，本 實用新型的保護范圍并不局限于以上實施例。
【主權(quán)項】
1. 一種球形結(jié)構(gòu)光纖的溫度傳感器，其特征是：由寬帶光源（I)、輸入光纖（2)、輸入球 形結(jié)構(gòu)光纖（3)、連接光纖（4)、輸出球形結(jié)構(gòu)光纖（5)、輸出光纖（6)、光譜儀（7)構(gòu)成；從 寬帶光源（1)發(fā)出的光經(jīng)輸入光纖（2)入射到輸入球形結(jié)構(gòu)光纖（3)后，激發(fā)起對外界溫 度敏感的包層模式，并與連接光纖（4)中的芯層模式發(fā)生馬赫-曾特干涉，之后經(jīng)過輸出球 形結(jié)構(gòu)光纖（5)耦合入輸出光纖（6)，入射到光譜儀（7)上；當(dāng)外界環(huán)境溫度改變時，干涉 衰減峰的波長位置會發(fā)生相應(yīng)改變，通過檢測光譜儀（7)上透射光干涉衰減峰的波長值來 實現(xiàn)對外界溫度的測量。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種球形結(jié)構(gòu)光纖的溫度傳感器，其特征是：所述輸入球形 結(jié)構(gòu)光纖（3)和輸出球形結(jié)構(gòu)光纖（5)是利用光纖熔接機對光纖端面進行電流放電制作出 來的，輸入球形結(jié)構(gòu)光纖（3)的球形直徑是188. 87 ym，輸出球形結(jié)構(gòu)光纖（5)的球形直徑 是 179. 98 y m〇3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種球形結(jié)構(gòu)光纖的溫度傳感器，其特征是：所述寬帶光源 (1)的光譜范圍為650nm-1700nm，能夠包含由輸入球形結(jié)構(gòu)光纖（3)、連接光纖⑷和輸出 球形結(jié)構(gòu)光纖（5)構(gòu)成的馬赫-曾特干涉所形成的透射光干涉衰減峰波長值。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種球形結(jié)構(gòu)光纖的溫度傳感器，其特征是：所述光譜儀（7) 能測得不同溫度下透射光干涉衰減峰波長值，波長分辨率是〇. Olnm。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種球形結(jié)構(gòu)光纖的溫度傳感器，其特征是：輸入光纖（2)、 連接光纖（4)、輸出光纖（6)都是普通單模光纖，其包層直徑是125 ym，纖芯直徑是Sy m。
【專利摘要】本實用新型涉及一種球形結(jié)構(gòu)光纖的溫度傳感器，所述系統(tǒng)主要由寬帶光源、輸入光纖、輸入球形結(jié)構(gòu)光纖、連接光纖、輸出球形結(jié)構(gòu)光纖、輸出光纖、光譜儀構(gòu)成；從寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)輸入光纖入射到輸入球形結(jié)構(gòu)光纖后，激發(fā)起對外界溫度敏感的包層模式，并與連接光纖中的芯層模式發(fā)生馬赫一曾特干涉，之后經(jīng)過輸出球形結(jié)構(gòu)光纖耦合入輸出光纖，入射到光譜儀上；當(dāng)外界環(huán)境溫度改變時，干涉衰減峰的波長位置會發(fā)生相應(yīng)改變，通過檢測光譜儀上透射光干涉衰減峰的波長值來實現(xiàn)對外界溫度的測量。該光纖傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、測量方便、靈敏度高等優(yōu)點。
【IPC分類】G01K11/32
【公開號】CN204881905
【申請?zhí)枴緾N201520383549
【發(fā)明人】卞繼城, 郎婷婷, 孔文, 俞文杰, 金嘉俊
【申請人】中國計量學(xué)院
【公開日】2015年12月16日
【申請日】2015年6月4日