一種基于毛細管液體封裝的干涉型光纖溫度傳感器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于毛細管液體封裝的干涉型光纖溫度傳感器，它是將一個“單模-雙錐型單模-單模”三段式結(jié)構(gòu)的光纖干涉儀封裝在充有高熱光系數(shù)液體的毛細管中。利用干涉儀的高折射率靈敏性以及毛細管內(nèi)液體折射率隨外界溫度顯著變化的特性，從而實現(xiàn)溫度的傳感測量。本實用新型制備簡單，成本低，并且具有很高的溫度靈敏度，適用于工業(yè)、食品加工等多種應(yīng)用場合。
【專利說明】一種基于毛細管液體封裝的干涉型光纖溫度傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種光纖溫度傳感器，尤其是一種基于毛細管液體封裝的干涉型光纖溫度傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖溫度傳感器因其抗電磁干擾能力強，體積小，響應(yīng)速度快，以及能在惡劣環(huán)境下工作和方便遠程監(jiān)控遙感測量的優(yōu)點，而受到廣泛研究。
[0003]近年來，各種結(jié)構(gòu)和制造技術(shù)已被應(yīng)用于構(gòu)建不同類型的光纖溫度傳感器，如光纖布拉格光柵(FBG)，長周期光纖光柵(LPG)，各種光纖干涉儀，以及其它有趣的結(jié)構(gòu)。基于光柵的溫度傳感器具有分辨率高和較寬的測量范圍等優(yōu)點，但是制備這些傳感器需要應(yīng)用到精密而昂貴的專業(yè)設(shè)備或儀器?；诠饫w干涉儀的溫度傳感器，例如法布里-珀羅干涉儀、邁克爾遜和馬赫-曾德干涉儀，具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉的優(yōu)勢，但是它們靈敏性通常較低。最近，一種基于選擇性滲透的光子晶體光纖溫度傳感器，向光子晶體光纖的某個或某幾個微孔中注入高熱光系數(shù)的液體，這類傳感器具有超高的溫度靈敏性，在一定范圍內(nèi)甚至達到54.3nm / °C。然而這種傳感器的量程較窄，且制造工藝復(fù)雜，如需要應(yīng)用到飛秒激光微加工等，其使用受到限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服目前光纖溫度傳感器存在的制備復(fù)雜、靈敏度低或者量程小等問題，本實用新型提供了一種基于毛細管液體封裝的干涉型光纖溫度傳感器，具有制備簡單、成本低、靈敏度高和量程大的優(yōu)點。
[0005]本實用新型所采用的技術(shù)方案是:將三段去除了涂覆層的普通通訊單模光纖順次熔接在一起，熔接時設(shè)置較大的重疊長度，使得熔接點處光纖直徑大于正常光纖直徑。熔接點處兩根單模光纖的纖芯不完全對齊，便于激發(fā)光纖的包層模，從而構(gòu)成光纖干涉儀。將該干涉儀封裝于充有高熱光系數(shù)液體的毛細管中，利用干涉儀的高折射率靈敏性和液體的折射率隨溫度發(fā)生顯著變化的特性，從而實現(xiàn)傳感器對溫度的測量。并且，本實用新型將干涉儀的傳感光纖段進行腐蝕，形成雙錐型，進一步提高了傳感器的溫度靈敏度。
[0006]本實用新型的具體工作原理是:單模光纖熔接時，重疊長度設(shè)置較大，導(dǎo)致熔接點處兩根光纖的纖芯沒有完全對齊，從而輸入單模光纖中原本以芯模存在的光有部分泄露到第二段單模光纖的包層中，以包層模的形式傳播；另一部分光耦合進第二段單模光纖的纖芯，以芯模形式傳播。包層模和芯模在第二個熔接點處相遇產(chǎn)生干涉，之后以單模形式在輸出單模光纖中傳輸。由于包層模與外界液體相接觸，其有效折射率隨著周圍液體的折射率變化而發(fā)生變化；芯模與外界液體不接觸，其有效折射率保持恒定，因此，包括兩個拼接點及其之間的單模光纖可以看成是光纖內(nèi)共軸的馬赫-曾德干涉儀，纖芯和包層分別充當(dāng)參考臂和傳感臂。包層模和芯模的相位差如果為η的奇數(shù)倍，則對應(yīng)干涉儀透射光譜中的波谷，如果相位差為η的偶數(shù)倍，則對應(yīng)干涉儀透射光譜中的波峰。干涉儀透射光譜的波峰或波谷對應(yīng)波長隨著外界液體折射率的變化而發(fā)生變化。將此干涉儀浸入高熱光系數(shù)的液體中，由于液體折射率隨溫度變化發(fā)生顯著變化，因此該干涉儀的透射光譜的波峰或波谷對應(yīng)波長隨著環(huán)境溫度的變化而變化，我們據(jù)此可以應(yīng)用該干涉儀來傳感測量溫度。另夕卜，對兩個熔接點之間的光纖進行腐蝕，減小其包層直徑，則可以大大提高包層模與外界液體的相互作用，從而提高該傳感器對溫度的靈敏度。
[0007]本實用新型的有益效果是:該光纖溫度傳感器選用價格低廉的普通通訊單模光纖和毛細管而制備，具有制作簡單，成本低的優(yōu)點，且溫度測量的量程大，靈敏度高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是“單模-雙錐型單模-單?！比问浇Y(jié)構(gòu)的光纖干涉儀結(jié)構(gòu)示意圖。
[0009]圖2是毛細管液體封裝的示意圖。
[0010]圖3是光纖溫度傳感器測試系統(tǒng)示意圖。圖中，I輸入單模光纖，2雙錐型單模光纖，3輸出單模光纖，4光纖干涉儀，5毛細管，6高熱光系數(shù)液體，7密封膠，8光纖溫度傳感器，9寬帶光源，10光纖光譜儀。
【具體實施方式】
[0011]下面結(jié)合附圖對本實用新型作進一步地說明:
[0012]如附圖1所示，所述的“單模-雙錐型單模-單模”三段式結(jié)構(gòu)的光纖干涉儀包括輸入單模光纖、雙錐型單模光纖和輸出單模光纖，其制備流程為:
[0013]第一步，將三段去除涂敷層的單模光纖順次熔接在一起，并且熔接時設(shè)置較大的重疊長度，使得熔接點處光纖直徑大于原來光纖直徑，如附圖1所示。
[0014]第二步，用腐蝕法將中間段單模光纖進行錐化處理。在聚四氟乙烯塑料板上滴一小滴HF液體，在液體表面張力的作用下，HF小液滴形成一個小小的凸起。將中間段單模光纖的兩個熔接點之間的部分浸入其中，且控制浸入部分的長度為5-40毫米。隨著腐蝕的進行，光纖逐漸變細，HF液體順著光纖流向兩邊，且HF液體濃度逐漸降低，從而制備得到雙錐型單模光纖?？刂聘g時間，使得雙錐型單模光纖中間錐腰直徑為15-50微米。移除HF液體，用清水漂洗腐蝕后的光纖，即獲得如圖1所示的光纖干涉儀。
[0015]第三步，如附圖2所示，將已制備的光纖干涉儀穿插進內(nèi)徑大于125微米的毛細管中，且保證其雙錐型光纖全部處于毛細管中。
[0016]第四步，將插有光纖干涉儀的毛細管豎直放置，在毛細管上端口徑處滴一滴高熱光系數(shù)的液體，如異丙醇或Cargille液體,該液體在自重和毛細管作用下會迅速充滿毛細管。
[0017]第五步，將毛細管的兩端用密封膠進行密封，密封膠可選用A B膠。
[0018]至此，基于毛細管液體封裝的干涉型光纖溫度傳感器即制備完成。
[0019]在應(yīng)用時，如附圖3，光纖溫度傳感器的輸入單模光纖和輸出單模光纖經(jīng)導(dǎo)光單模光纖分別與寬帶光源和光纖光譜儀相連。將光纖傳感器置于可控溫度場中，改變溫度，即可獲得一系列已知溫度下光纖傳感器的透射光譜中特征峰波長值。應(yīng)用數(shù)學(xué)分析，得到特征峰波長值與溫度的對應(yīng)函數(shù)關(guān)系，即完成了傳感器的定標(biāo)。將定標(biāo)過的光纖傳感器置于待測溫度場中，根據(jù)測量得到的透射光譜中特征峰波長值和定標(biāo)函數(shù)關(guān)系，即可獲知待測溫度場的溫度。
【權(quán)利要求】
1.一種基于毛細管液體封裝的干涉型光纖溫度傳感器，其特征在于:該傳感器包括由輸入單模光纖(I)、雙錐型光纖(2)和輸出單模光纖(3)形成的光纖干涉儀(4)和充有液體(6)的毛細管(5)，且雙錐型光纖(2)熔接于輸入單模光纖(I)和輸出單模光纖(3)之間，并封裝于毛細管(5)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于毛細管液體封裝的干涉型光纖溫度傳感器，其特征在于:所述輸入單模光纖(I)和輸出單模光纖(3)為同型號的普通通訊單模光纖，其包層直徑約為125微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于毛細管液體封裝的干涉型光纖溫度傳感器，其特征在于:雙錐型光纖(2)的兩端分別與輸入單模光纖(I)和輸出單模光纖(3)熔接,且熔接時選擇重疊長度較大，使得兩個熔接點處的直徑大于原單模光纖的直徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于毛細管液體封裝的干涉型光纖溫度傳感器，其特征在于:雙錐型光纖(2)是與輸入單模光纖(I)和輸出單模光纖(3)同類型的普通通訊單模光纖經(jīng)HF腐蝕而制備，且中間錐腰直徑為15-50微米，錐腰長度為5-40毫米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于毛細管液體封裝的干涉型光纖溫度傳感器，其特征在于:所述的光纖干涉儀(4)穿插進內(nèi)徑大于125微米的毛細管(5)，且其雙錐型光纖(2)全部處于毛細管(5)中。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于毛細管液體封裝的干涉型光纖溫度傳感器，其特征在于:所述的毛細管(5)兩端用密封膠(7)密封。
【文檔編號】G01K11/32GK203595562SQ201320409889
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2013年7月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月9日
【發(fā)明者】張瑩, 歐鈺婷, 徐賁 申請人:中國計量學(xué)院