專利名稱：基于球形端面光纖微麥克遜干涉的高溫傳感方法
技術領域：
本發明屬于光纖傳感技術領域，涉及一種基于球形端面光纖微麥克遜干涉的高溫傳感方法。
背景技術：
物聯網成為當今世界各國高科技發展的戰略重點，是人類信息社會發展過程中的重要里程碑。包括光纖傳感技術在內的傳感技術是物聯網發展的基礎技術之一。光纖的發明給通信技術帶來了革命性的影響，也帶來了傳感技術的長足發展，并使之成為物聯網技術發展不可或缺的一部分。由于光纖不僅可以作為光波的傳輸媒質，而且當光波在光纖中傳輸時，其特征參量振幅、相位、偏振態、波長等會因外界因素如溫度、壓力、應變、磁場、 電場、位移等值接或間接地發生變化，從而可將光纖用作傳感元件探測物理量。光纖傳感技術就是利用光纖對某些物理量敏感的特性，將外界物理量轉換成可以直接測量的信號的技術。光纖傳感技術是光學領域最為重要的傳感技術之一，已經被廣泛應用于生物、醫學、航天、航空、機械、石化、建筑、高鐵、橋梁、國防工業等領域。目前已經有多種光纖溫度傳感器，其中發展較為成熟的是光纖布拉格光柵溫度傳感器，主要利用光纖布拉格光柵反射波長和溫度成線性關系的特征。光纖布拉格光柵在高溫情況下會出現“漂白效應”，維持光纖布拉格光柵特征的折射率調制將因為高溫而消失， 因此在基于光纖布拉格光柵的溫度傳感技術僅能適用于溫度小于400度左右的溫度傳感， 而且存在解調成本較高等缺點。其它類型的光纖溫度傳感器還包括光纖FP腔溫度傳感器， 一般需要采用特殊材料或特殊加工工藝，成本較高。因此，發明一種基價格低廉、測量范圍大的溫度傳感方法及裝置具有重要意義。
發明內容
本發明就是針對現有技術的不足，提出了一種基于球形端面光纖微麥克遜干涉的高溫傳感方法。本發明的方法包括以下步驟
步驟(1)選擇一個輸出波長覆蓋1500nm至1600nm的寬帶光源、一個光耦合器、一個工作波長覆蓋1500nm至ieOOnm的光譜分析儀、一個帶有球形端面的光纖高溫傳感頭；
步驟( 將寬帶光源的輸出端口和光耦合器的第一端口光纖連接；將光譜分析儀的輸入端口和光耦合器的第二端口光纖連接；將光耦合器的第三端口和一個帶有球形端面的光纖高溫傳感頭光纖連接；組成帶有球形端面的光纖高溫傳感頭的部件包括一段單模光纖和一段空心光子晶體光纖，其制作步驟如下將單模光纖的輸出端口和空心光子晶體光纖的輸入端口以光纖熔接方式連接；在和單模光纖和空心光子晶體光纖熔接點距離為L(100 500微米)的地方，利用普通商用的光纖熔接機將空心光子晶體光纖熔斷，從而行程一個長度為L、帶有球形端面的光纖高溫傳感頭。當寬帶光經過單模光纖和空心光子晶體光纖熔接點的時候，將在之后的空心光子晶體光纖分成在外圍的包層模式和中間的芯層模式兩部分的光；之后在球形光纖端面的反射作用之下，兩部分的光回到單模光纖和空心光子晶體光纖熔接點的時候行程了干涉，這就構成了微麥克遜干涉，其干涉峰值對應的波長為
為空心光子晶體光纖包層模式的有效折射率，η腿為空心光子晶體光纖芯
層模式的有效折射率。由于Ζ，η— , 胃均為溫度的函數，因此溫度變化的時候就會引起
干涉峰值對應的波長弋，當我們從光譜分析儀測量獲得波長.^有變化量的時候，就可以得到溫度的變化為
AT = k AAp
其中i為常數，可以根據空心光子晶體光纖參數計算出來。因此，可以通過測量干涉峰值對應的波長的漂移來確定施加在空心光子晶體光纖上的溫度。步驟( 將雙芯光纖置入需要測量溫度的環境中。通過光譜分析儀測量干涉峰值對應的波長的漂移，從而計算溫度。本發明主要適用于測量溫度，利用了有空心光子晶體光纖形成的微麥克遜干涉光譜隨溫度變化的特性，通過測量微麥克遜干涉光譜的波長漂移來確定溫度數值大小，實現了溫度傳感。由于采用光纖作為傳感介質，不需要類似于光纖布拉格光柵保持折射率調制， 因此可以實現高溫傳感。本發明具有不受電磁干擾、可以實現遠距離傳感、價格低廉、結構緊湊、大測量范圍等優點。
圖1為本發明所使用的光學器件連接示意圖； 圖2為帶有球形端面的光纖高溫傳感頭示意圖； 圖3為利用本發明裝置測量所得的結果示意圖。
具體實施例方式如圖1和圖2所示，本發明所使用的裝置包括一個寬帶光源1、一個光耦合器2、一個光譜分析儀3、一個帶有球形端面的光纖高溫傳感頭4。將寬帶光源1的輸出端口和光耦合器2的第一端口光纖連接；將光譜分析儀3的輸入端口和光耦合器2的第二端口光纖連接；將光耦合器2的第三端口和一個帶有球形端面的光纖高溫傳感頭4光纖連接；組成帶有球形端面的光纖高溫傳感頭4的部件包括一段單模光纖5和一段空心光子晶體光纖6，其制作步驟如下將單模光纖5的輸出端口和空心光子晶體光纖6的輸入端口以光纖熔接方式連接；在和單模光纖5和空心光子晶體光纖6 熔接點距離為L (100 500微米)的地方，利用普通商用的光纖熔接機將空心光子晶體光纖6熔斷，從而行程一個長度為L、帶有球形端面的光纖高溫傳感頭4。利用該檢測裝置的溫度傳感方法包括以下步驟
(1)選擇一個輸出波長覆蓋1500nm至1600nm的寬帶光源1、一個光耦合器2、一個工作波長覆蓋1500nm至1600nm的光譜分析儀3、一個帶有球形端面的光纖高溫傳感頭4 ；
(2)將寬帶光源1的輸出端口和光耦合器2的第一端口光纖連接；將光譜分析儀3的輸入端口和光耦合器2的第二端口光纖連接；將光耦合器2的第三端口和一個帶有球形端面的光纖高溫傳感頭4光纖連接；組成帶有球形端面的光纖高溫傳感頭4的部件包括一段單模光纖5和一段空心光子晶體光纖6，其制作步驟如下將單模光纖5的輸出端口和空心光子晶體光纖6的輸入端口以光纖熔接方式連接；在和單模光纖5和空心光子晶體光纖6 熔接點距離為L (100 500微米)的地方，利用普通商用的光纖熔接機將空心光子晶體光纖6熔斷，從而行程一個長度為L、帶有球形端面的光纖高溫傳感頭4。(3)將帶有球形端面的光纖高溫傳感頭4置入需要測量溫度的環境中。開啟寬帶光源1，從光譜分析儀3測量獲得干涉峰值對應波長的偏移，從而根據
AT ^ k· Αλρ
確定檢測溫度。具體測量結果如圖3所示。本發明利用了近年來剛剛被發展起來的特種光纖技術，通過合適的空心光子晶體光纖，利用其兩個模式干涉對溫度敏感的特性，提出了光纖溫度傳感的新技術方案。本發明采用光纖作為傳感介質，具有不受電磁干擾、可以實現遠距離傳感、價格低廉、結構緊湊、大測量范圍等優點。
權利要求
1.基于球形端面光纖微麥克遜干渉的高溫傳感方法，其特征在于該方法包括如下步驟步驟(1)選擇ー個輸出波長覆蓋1500nm至ieOOnm的寬帶光源、一個光耦合器、ー個エ 作波長覆蓋1500nm至ieOOnm的光譜分析儀、一個帶有球形端面的光纖高溫傳感頭； 所述的帶有球形端面的光纖高溫傳感頭，其具體制作過程如下 將單模光纖的輸出端口和空心光子晶體光纖的輸入端ロ以光纖熔接方式連接；在單模 光纖和空心光子晶體光纖熔接點距離100微米 500微米的地方，利用普通商用的光纖熔 接機將空心光子晶體光纖熔斷，從而形成一個帶有球形端面的光纖高溫傳感頭；步驟( 將寬帶光源的輸出端ロ與光耦合器的第一端ロ光纖連接，光譜分析儀的輸入 端ロ與光耦合器的第二端ロ光纖連接，光耦合器的第三端ロ和一個帶有球形端面的光纖高 溫傳感頭光纖連接；步驟C3)將光纖高溫傳感頭置入需要測量溫度的環境中，當寬帶光經過單模光纖和空 心光子晶體光纖熔接點的時候，將在之后的空心光子晶體光纖分成在外圍的包層模式和中 間的芯層模式兩部分的光；之后在球形光纖端面的反射作用之下，兩部分的光回到單模光 纖和空心光子晶體光纖熔接點的時候行程了干渉，這就構成了微麥克遜干渉，其干涉峰值 對應的波長為么p ~— 說)ば” ISf ニ Iみ:>，4,-..其中ら^^為空心光子晶體光纖包層模式的有效折射率，n纖為空心光子晶體光纖芯層模式的有效折射率；由于ム, 均為溫度的函數，因此溫度變化的時候就會引起干渉峰值對應的波長も，從光譜分析儀測量獲得波長；有變化量んも的時候，就可以得到 溫度的變化為AT = k AAp其中i為常數，可以根據空心光子晶體光纖參數計算出來；因此，可以通過測量干渉峰 值對應的波長的漂移來確定施加在空心光子晶體光纖上的溫度。
全文摘要
本發明公開了基于球形端面光纖微麥克遜干涉的高溫傳感方法。目前方法存在解調成本較高等缺點。本發明首先確定寬帶光源、三端口光耦合器、光譜分析儀和帶有球形端面的光纖高溫傳感頭；然后將上述器件按照測量方案連接，最后將帶有球形端面的光纖高溫傳感頭置于需要測量溫度的環境中，通過光譜分析儀測量干涉峰值對應的波長的漂移，從而計算溫度。本發明具有不受電磁干擾、可以實現遠距離傳感、價格低廉、結構緊湊、大測量范圍等優點。
文檔編號G01K11/00GK102364313SQ20111031189
公開日2012年2月29日 申請日期2011年10月15日 優先權日2011年10月15日
發明者吳根柱, 彭保進, 王飛舟, 陳達如 申請人:浙江師范大學