折射率不敏感的级联型单模‑少模‑单模光纤温度传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种折射率不敏感的级联型单模‑少模‑单模光纤温度传感器，其包括宽带光源、传感单元、光谱仪，所述传感单元包括入射单模光纤、少模光纤和出射单模光纤，所述入射单模光纤的一端通过导入单模光纤与光源连接，其另一端与少模光纤的一端无错位熔接，该少模光纤的另一端与出射单模光纤的一端无错位熔接，该出射单模光纤的另一端与光谱仪连接。本发明专利技术结构紧凑、制备简单，对折射率不敏感，测量结果准确，灵敏度高，在各种温度测量方面有很大的应用潜力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光纤
，特别涉及一种传感器。
技术介绍
光纤传感器与其他传感器相比具有体积小、重量轻、灵敏度高、不受电磁干扰、耐腐蚀等特点，使得光纤传感器应用范围极广，几乎涉及了国防以及国民经济所有领域和人们的日常生活。温度是表示物体冷热程度的物理量。在气象、材料、工业、航空、医药等领域中，温度的准确检测具有举足轻重的作用。目前比较常见的光纤温度传感器主要有级联型、光纤光栅型、萨格奈克干涉型等。如童峥嵘等提出了一种基于多模-单模-多模(Multimode-singlemode-multimode,MSM)结构与布拉格光栅(Fiberbragggrating,FBG)级联同时测量温度和折射率的传感器，实验中测得的MSM结构与FBG的温度灵敏度分别为55.2pm/℃和15.8pm/℃；Hatta等提出了一种基于单模-多模-单模光纤结构的温度传感器，在特定波长处实现了宽范围的温度测量。光纤光栅型，如姜德生等利用氢敏化处理的多模光纤制作了多模光纤光栅，其温度灵敏度达到了9.8pm/℃；Pake等提出了一种在光纤布拉格光栅涂覆聚二甲基硅氧烷的温度传感器，温度灵敏度可从10pm/℃增加到42pm/℃。萨格奈克干涉型，如綦菲等通过在边孔光纤中注入乙醇溶液，利用乙醇的折射率随温度的变化，改变边孔光纤的双折射系数，从而使萨格奈克干涉仪的输出谱发生波长漂移，实现了温度传感；Lim等提出了一种利用两段保偏光纤构成的萨格奈克干涉仪，所形成的温度传感器灵敏度可达65.3pm/℃。以上文献对传感器的温度响应特性进行了深入且有意义的研究，但是，在测量温度时，常常会受到外界环境折射率的影响，导致测量结果不准确。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种结构紧凑、制备简单、灵敏度高、测量准确的对折射率不敏感的级联型单模-少模-单模光纤温度传感器。本专利技术包括光源、传感单元、光谱仪，所述传感单元包括入射单模光纤、少模光纤和出射单模光纤，所述入射单模光纤的一端通过导入单模光纤与光源连接，其另一端与少模光纤的一端无错位熔接，该少模光纤的另一端与出射单模光纤的一端无错位熔接，该出射单模光纤的另一端与光谱仪连接。所述光源选用波长范围为1520-1610nm的宽带光源；所述入射和出射的单模光纤的纤芯直径为9μm、包层直径125μm；少模光纤的长度为81.5mm、纤芯直径为20μm、包层直径125μm。所述级联型单模-少模-单模光纤传感器，由于少模光纤与单模光纤模场不匹配，致使在入射单模光纤与少模光纤熔接点处单模光纤的纤芯模式耦合到少模光纤的纤芯中，激发出多个纤芯模式，因此，其起到了模式分束器的作用；同理，出射单模光纤与单模光纤的熔接点可以当做为模式合束器，这样就形成了马赫-曾德尔干涉仪。当外界温度变化时，光纤中的热光效应和热膨胀效应会引起光纤的模式有效折射率和几何形状的改变。由于热膨胀效应导致的光纤几何形状的变化十分微小，因此只考虑光纤中的热光效应引起的光纤模式有效折射率的改变。外界温度变化引起的m级干涉条纹波峰(或波谷)的波长漂移量Δλm可以表示为式中Δn为热光效应导致的FMF纤芯中的基模和某一高阶模式的有效折射率的差值变化量。因此，通过检测温度引起的波长漂移量Δλm的变化，就可以实现温度的检测。同理，通过检测外界环境折射率引起的波长漂移量Δλm的变化，也可以实现折射率的检测。本专利技术与需要技术相比具有如下优点：1、结构紧凑、制备简单，只需将一段少模光纤无错位熔接在两段单模光纤之间即可。2、对折射率不敏感，测量结果准确。3、利用纤芯中不同模式之间的干涉，基于马赫-曾德尔干涉原理实现外界环境信息的检测，灵敏度高，有着很广阔的应用前景，在光纤传感方面有巨大的应用潜力。附图说明图1为本专利技术的示意简图；图2为本专利技术传感单元的结构示意简图；图3为本专利技术传感单元的传输光谱图；图4为本专利技术传感器测量折射率实验装置示意图；图5为本专利技术在不同温度下的传输光谱图；图6为本专利技术在27.6℃～93.8℃温度范围内，传输谱线与温度变化之间的关系图；图7为本专利技术在不同折射率下的传输光谱图；图8为本专利技术在1.3471～1.4439折射率范围内，传输谱线与折射率变化之间的关系图。图中：1-宽带光源、2-传感单元、3-光谱仪、4-导出单模光纤、5-温控箱、6-导入单模光纤、7-入射单模光纤、8-入射单模光纤与少模光纤熔点、9-少模光纤、10-出射单模光纤与少模光纤熔点、11-出射单模光纤、12-单模光纤包层、13-单模光纤纤芯、14-少模光纤包层、15-少模光纤纤芯、16-玻璃槽、17-折射率溶液。具体实施方式在图1所示的折射率不敏感的级联型单模-少模-单模光纤温度传感器示意图中，传感单元2的一端通过导入单模光纤6与宽带光源1连接，该传感单元2的另一端通过导出单模光纤4与光谱仪3连接，传感单元2设在温控箱5内，从光谱仪3记录对应温度下的传输光谱，如图5所示；如图2所示，所述传感单元2包括入射单模光纤7、少模光纤9和出射单模光纤11，入射单模光纤7的一端与导入单模光纤6连接，其另一端与少模光纤9的一端通过熔接点8无错位熔接，该少模光纤9的另一端与出射单模光纤11的一端通过熔接点10无错位熔接，该出射单模光纤11的另一端与光谱仪3连接，所述入射和出射的单模光纤的纤芯直径为9μm，包层直径125μm；少模光纤的长度为81.5mm、纤芯直径为20μm、包层直径125μm。在传感器制备的过程中，采用古河FITELS178型光纤熔接机，波长范围为1520-1610nm的ASE3700型宽带光源以及AQ6375型光学光谱仪。在切割光纤时，尽量保证光纤端面的平整度和洁净度，并采用手动熔接的方式进行FMF与SMF之间的熔接，由于熔接机采用的是推进熔接的方式，故在光纤对准时，要将两段光纤留有一定空隙以保证光纤熔接端面的切合度和平整度，达到无错位熔接的最好效果，将熔接电流设置为100mA，以激发稳定的传输模式。在熔接的过程中，用光功率计分别测出熔接FMF前后的传感器输出功率，通过计算可得该传感器结构的熔接损耗，大量熔接实验结果表明，整个干涉结构的损耗范围为1～2dB。如图3所示为少模光纤的长度为81.5mm的传输光谱。从图3中可以得到，在传感单元中产生了明显的马赫-曾德尔干涉现象，形成了比较好的干涉条纹。如图4所示，传感单元2的一端通过导入单模光纤6与宽带光源1连接，该传感单元2的另一端通过导出单模光纤4与光谱仪3连接，传感单元2设在带有折射率溶液17的玻璃槽16中，通过滴加不同浓度的折射率溶液来达到测量折射率的效果，并从光谱仪3记录对应不同折射率下的传输光谱，如图7所示。从图6、图8中可以得到，传感器对应的温度以及折射率灵敏度分别为-85.9pm/℃和3.69734nm/RIU，可以看出本专利技术的传感器对温度十分敏感而对折射率不敏感。在具体检测待测物体的温度时，从光谱分析仪读出不同谷值波长的漂移量，即可得出温度的变化量。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种折射率不敏感的级联型单模‑少模‑单模光纤温度传感器，其包括光源、传感单元、光谱仪，其特征在于：所述传感单元包括入射单模光纤、少模光纤和出射单模光纤，所述入射单模光纤的一端通过导入单模光纤与光源连接，其另一端与少模光纤的一端无错位熔接，该少模光纤的另一端与出射单模光纤的一端无错位熔接，该出射单模光纤的另一端与光谱仪连接。

【技术特征摘要】
1.一种折射率不敏感的级联型单模-少模-单模光纤温度传感器，其包括光源、传感单元、光谱仪，其特征在于：所述传感单元包括入射单模光纤、少模光纤和出射单模光纤，所述入射单模光纤的一端通过导入单模光纤与光源连接，其另一端与少模光纤的一端无错位熔接，该少模光纤的另一端与出射单模光纤的一端无错位熔接，该出射单模光纤的另一端与光谱仪连接。2.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：付兴虎，付广伟，刘强，张顺杨，王思文，毕卫红，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北;13