本發(fā)明涉及光纖傳感領(lǐng)域，尤其涉及一種基于毛細(xì)管結(jié)構(gòu)的光纖高溫傳感器及制備方法。

背景技術(shù)：

溫度測(cè)量涉及的范圍非常廣泛，涉及到機(jī)械工業(yè)、油井、采礦業(yè)、航空航天等多種行業(yè)的環(huán)境監(jiān)測(cè)。目前的溫度傳感器有很多種，包括熱電阻和熱電偶等電學(xué)器件等。然而傳統(tǒng)電學(xué)傳感器由于其結(jié)構(gòu)涉及到電學(xué)材料，其使用壽命和探測(cè)范圍受到限制。此外在特殊場(chǎng)合，比如長(zhǎng)距離的傳感信號(hào)傳輸方面，其穩(wěn)定性和可靠性受到許多因素的制約。光纖溫度傳感器是基于光纖為載體的器件，其結(jié)構(gòu)緊湊小巧，價(jià)格低廉，適合大范圍探測(cè)，長(zhǎng)距離傳輸信號(hào)，在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域具有傳統(tǒng)電學(xué)傳感器所不具備的優(yōu)勢(shì)。目前光纖溫度傳感器的主要形式為光纖布拉格光柵器件，其主要通過(guò)在光纖纖芯內(nèi)部引入周期性折射率實(shí)現(xiàn)構(gòu)建。由于目前大規(guī)模生產(chǎn)此類(lèi)器件采用的折射率調(diào)制方式為紫外激光激發(fā)雙光子吸收，其折射率調(diào)制效果在一定高的溫度范圍(400℃以上)下會(huì)發(fā)生退化，從而制約了這類(lèi)器件在更高溫度環(huán)境下的使用。而采用飛秒激光制備的布拉格光柵器件雖然可以承受700度以上的高溫，然而其制作成本高昂，且光柵本身在1000度以上高溫下長(zhǎng)期工作依然會(huì)發(fā)生退化，無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)可靠的高溫傳感探測(cè)。

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)高溫環(huán)境下溫度的測(cè)量要求越來(lái)越多，尤其是在航空航天領(lǐng)域和能源領(lǐng)域等，需要傳感器能夠?qū)?000度以上的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。相比基于光纖光柵的溫度傳感器，以純石英材料或者更高熔點(diǎn)的材料為傳感介質(zhì)的光纖傳感器可以更加適應(yīng)高溫傳感的實(shí)際需要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中1000度以上高溫使用時(shí)會(huì)發(fā)生退化，且成本高的缺陷，提供一種基于毛細(xì)管結(jié)構(gòu)的光纖高溫傳感器及制備方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明提供一種基于毛細(xì)管結(jié)構(gòu)的光纖高溫傳感器，包括毛細(xì)管，毛細(xì)管兩端設(shè)置有輸入光纖和輸出光纖；光纖高溫傳感器的輸入端通過(guò)輸入光纖與光源相連，輸出端通過(guò)輸出光纖與光譜儀相連，輸入光纖和輸出光纖均為單模光纖；毛細(xì)管的內(nèi)徑為75μm，外徑為125μm，長(zhǎng)度為10～50mm；當(dāng)檢測(cè)區(qū)域的環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，毛細(xì)管中每個(gè)透射峰的波長(zhǎng)發(fā)生相應(yīng)改變，通過(guò)光譜儀檢測(cè)透射峰波長(zhǎng)的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度變化的檢測(cè)。

進(jìn)一步地，本發(fā)明的輸入光纖、輸出光纖和毛細(xì)管外徑相同，且光纖纖芯正對(duì)毛細(xì)管中心，三者之間通過(guò)對(duì)芯熔接的方式進(jìn)行熔接。

進(jìn)一步地，本發(fā)明的毛細(xì)管的材料為石英或藍(lán)寶石。

進(jìn)一步地，本發(fā)明的輸入光纖和輸出光纖的外包層直徑為125μm，纖芯直徑為8μm。

本發(fā)明提供一種基于毛細(xì)管結(jié)構(gòu)的光纖高溫傳感器的制備方法，包括以下步驟：

S1、毛細(xì)管預(yù)處理：選取一根毛細(xì)管，其內(nèi)徑為75μm，外徑為125μm，使用刀片去除掉毛細(xì)管的涂覆保護(hù)層，并用酒精擦拭毛細(xì)管表面以除去涂覆層殘留物；使用光纖切割刀將毛細(xì)管的一端切平整，然后間隔10～50mm的距離，切割出另一個(gè)平整的端面；

S2、熔接單模光纖：使用光纖熔接機(jī)的手動(dòng)操作功能，將輸入端和輸出端的單模光纖的纖芯與毛細(xì)管的中心手動(dòng)對(duì)齊；設(shè)置光纖熔接機(jī)的熔接參數(shù)為：放電強(qiáng)度20單位，放電時(shí)間700ms，將預(yù)處理后的毛細(xì)管與單模光纖進(jìn)行熔接得到光纖高溫傳感器。

本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：本發(fā)明的基于毛細(xì)管結(jié)構(gòu)的光纖高溫傳感器，通過(guò)檢測(cè)毛細(xì)管內(nèi)透射峰的波長(zhǎng)變化進(jìn)而得到溫度的檢測(cè)值，測(cè)量效果好，精度高，能夠廣泛應(yīng)用于各種實(shí)際場(chǎng)景；且該傳感器的耐高溫性能很好，能夠長(zhǎng)期在高于1000度的環(huán)境中使用，耐用性強(qiáng)；該傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，測(cè)量精度高。

附圖說(shuō)明

下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，附圖中：

圖1(a)是本發(fā)明實(shí)施例的毛細(xì)管橫截面的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖1(b)是本發(fā)明實(shí)施例的光纖高溫傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2(a)是本發(fā)明實(shí)施例的測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2(b)是本發(fā)明實(shí)施例的原始光譜；

圖3(a)是本發(fā)明實(shí)施例的光譜在不同溫度下的漂移圖；

圖3(b)是本發(fā)明實(shí)施例的傳感器的波長(zhǎng)與溫度關(guān)系；

圖中，1-輸入光纖，2-毛細(xì)管，3-輸出光纖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1(a)和圖1(b)所示，本發(fā)明實(shí)施例的基于毛細(xì)管結(jié)構(gòu)的光纖高溫傳感器，包括毛細(xì)管2，毛細(xì)管2兩端設(shè)置有輸入光纖1和輸出光纖3；如圖2(a)所示，光纖高溫傳感器的輸入端通過(guò)輸入光纖1與光源相連，輸出端通過(guò)輸出光纖3與光譜儀相連，輸入光纖1和輸出光纖3均為單模光纖；毛細(xì)管2的內(nèi)徑為75μm，外徑為125μm，長(zhǎng)度為10～50mm；當(dāng)檢測(cè)區(qū)域的環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，毛細(xì)管2中每個(gè)透射峰的波長(zhǎng)發(fā)生相應(yīng)改變，通過(guò)光譜儀檢測(cè)透射峰波長(zhǎng)的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度變化的檢測(cè)。

輸入光纖1、輸出光纖3和毛細(xì)管2外徑相同，且光纖纖芯正對(duì)毛細(xì)管中心，三者之間通過(guò)對(duì)芯熔接的方式進(jìn)行熔接。毛細(xì)管2的材料為石英或藍(lán)寶石。輸入光纖1和輸出光纖3的外包層直徑為125μm，纖芯直徑為8μm。

在本發(fā)明的另一個(gè)具體實(shí)施例中，毛細(xì)管橫截面有內(nèi)外兩層，內(nèi)徑75μm，外徑125μm。所用單模光纖為標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，外包層直徑125μm，纖芯直徑8μm。該傳感器結(jié)構(gòu)包括輸入光纖、輸出光纖以及毛細(xì)管結(jié)構(gòu)。從光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)單模光纖傳輸?shù)矫?xì)管中，會(huì)在毛細(xì)管的包層中形成反諧振反射效應(yīng)，從而在透射光譜中產(chǎn)生多個(gè)透射峰。當(dāng)毛細(xì)管所處的環(huán)境的溫度發(fā)生改變時(shí)，每個(gè)透射峰的波長(zhǎng)位置會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，通過(guò)監(jiān)測(cè)光譜儀上的透射峰波長(zhǎng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量。

本發(fā)明實(shí)施例的基于毛細(xì)管結(jié)構(gòu)的光纖高溫傳感器的制備方法，包括以下步驟：

S1、毛細(xì)管預(yù)處理：選取一根毛細(xì)管，其內(nèi)徑為75μm，外徑為125μm，使用刀片去除掉毛細(xì)管的涂覆保護(hù)層，并用酒精擦拭毛細(xì)管表面以除去涂覆層殘留物；使用光纖切割刀將毛細(xì)管的一端切平整，然后間隔10～50mm的距離，切割出另一個(gè)平整的端面；

S2、熔接單模光纖：使用光纖熔接機(jī)的手動(dòng)操作功能，將輸入端和輸出端的單模光纖的纖芯與毛細(xì)管的中心手動(dòng)對(duì)齊；設(shè)置光纖熔接機(jī)的熔接參數(shù)為：放電強(qiáng)度20單位，放電時(shí)間700ms，將預(yù)處理后的毛細(xì)管與單模光纖進(jìn)行熔接得到光纖高溫傳感器。

在本發(fā)明的另一個(gè)具體實(shí)施例中，該光纖高溫傳感器的制作方法包括以下步驟：

一、毛細(xì)管預(yù)處理。選取一端毛細(xì)管，使用刀片去除掉毛細(xì)管的涂覆保護(hù)層，并用酒精擦拭毛細(xì)管表面以除去涂覆層殘留物。使用光纖切割刀將毛細(xì)管的一端切平整，然后在離該端面一段距離處切出另外一個(gè)平整的端面，具體的距離根據(jù)實(shí)際需要而定，這里我們選取13mm。

二、和普通單模光纖的熔接。處理過(guò)的毛細(xì)管最后需要和單模光纖熔接起來(lái)，包括輸入單模光纖和輸出單模光纖。熔接使用光纖熔接機(jī)的手動(dòng)操作功能來(lái)完成。由于單模光纖和毛細(xì)管的直徑不同，手動(dòng)對(duì)準(zhǔn)時(shí)要保證兩者的纖芯正對(duì)著，防止錯(cuò)位造成多模干涉。熔接參數(shù)設(shè)置為放電強(qiáng)度20單位，放電時(shí)間700ms，將處理過(guò)的毛細(xì)管的兩端都按上述要求熔接上單模光纖即完成傳感器的制作。

使用該光纖高溫傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量的應(yīng)用過(guò)程為：

將器件兩端的單模光纖分別接上光源和光譜儀就會(huì)得到圖2(b)中的原始光譜圖。當(dāng)高溫傳感器用于測(cè)量溫度時(shí)，將器件的探頭部分即毛細(xì)管部分，放置在溫度變化的環(huán)境中(高溫管式爐)。當(dāng)管式爐中的溫度發(fā)生變化時(shí)，器件的光譜的會(huì)相應(yīng)的產(chǎn)生變化，光譜的中透射峰的波長(zhǎng)位置會(huì)隨著溫度的增加而發(fā)生紅移。如圖3(a)和圖3(b)所示，通過(guò)監(jiān)測(cè)光譜上波長(zhǎng)的變化，就可以獲得溫度信息。在整個(gè)測(cè)量溫度的過(guò)程中，光譜的溫度響應(yīng)表現(xiàn)得比較線(xiàn)性，其測(cè)量靈敏度為20pm/℃。測(cè)量溫度由以下表達(dá)式給出：

T_測(cè)量＝T_初始+Δλ_漂移/20

T初始是初始溫度值，Δλ_漂移是波長(zhǎng)漂移值。

應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可以根據(jù)上述說(shuō)明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。