長周期光纖光柵溫度傳感器的製作方法
2023-07-22 07:34:41 3
專利名稱：長周期光纖光柵溫度傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及溫度傳感，特別是一種長周期光纖光柵溫度傳感器。
背景技術：
紫外光折變光纖光柵是光纖中的一種無源器件，它是在光纖中建立起一種空間周期性的折射率分布，使光在其中的傳播行為得以改變和控制。與普通光柵不同，長周期光纖光柵(LPFG)是將導波中某頻段的光耦合到包層中損耗掉。它具有插入損耗小、易於集成等優點。另外，長周期光纖光柵的傳輸特性會因外界應力、溫度等的影響而改變，與普通Bragg光柵相比，對環境的變化反應更加靈敏，且具有低反射、測量方法簡便等優點，因此它是一種理想的傳感元件。
普通長周期光纖光柵用於傳感，已有技術如文獻1[H.J.Patrick，et al.，Hybrid fiber Bragg grating/long period grating sensor for strain/temperaturediscrimination，IEEE Photonics Tech.Lett.，1996，81223-1225]利用長周期光纖光柵與布拉格光柵對應力、溫度的響應不同來區別由兩者引起的波長位移，解調布拉格光柵反射信號攜帶的應力、溫度信息進行傳感。文獻2[何萬迅等，基於長周期光纖光柵的高靈敏度溫度傳感方案，傳感技術學報，2002，15(1)60-64]根據長周期光纖光柵諧振波長對外界折射率變化敏感的特性提出一種高靈敏度的溫度傳感方案。通過腐蝕方法減小長周期光纖光柵包層直徑再在光柵外塗覆聚合物包層，將溫度靈敏度提高了近150倍。
但是普通長周期光纖光柵諧振帶寬較大中心波長難以精確測定，為克服該缺點提出了串聯長周期光柵的解決方案。它是將兩根相同特性長周期光柵串聯起來，則在光柵的每個諧振峰內將會由於芯模和包層模的Mach-Zender幹涉效應產生很多的諧振小峰。諧振小峰帶寬比較窄，所以其中心波長容易確定。文獻[Young-Geun Han，et al.，Fibre-optic sensing applications of a pair oflong-period fibre gratings，Meas.Sci.Technol.，2001，12778-781]詳細介紹具有高解析度及靈敏度的串聯長周期光柵的傳感應用。基於環境各因素對諧振小峰中心波長的位移和對比度的不同影響，它可用於曲率、橫向負載和溫度等各因素的傳感。
為解決製作完全相同的長周期光柵難的缺點，文獻[B.H.Lee，et al.，Temperature sensor using the self-interference of a long-period fiber grating，Proc.Optical Fiber Sensors，1999，13418-421]介紹一種改進的串聯長周期光纖光柵。它是利用一根長周期光纖光柵並通過光纖端面鍍高反膜的方法來實現了串聯長周期光纖光柵的效應，並用來進行溫度的傳感。但由於對整個結構進行溫控，一是可測溫度較低(若溫度較高，紫外光折變長周期光纖光柵將被退化和漂白)，二是光柵受溫度影響，整個諧振小峰的包絡會隨之產生移動，不利於測量單個諧振小峰的中心波長位移。
發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的不足，提供一種長周期光纖光柵溫度傳感器。
本發明的技術解決方案如下一種長周期光纖光柵溫度傳感器，包括一具有長周期光纖光柵的光纖，其特徵在於該光纖的信號輸入端經分束器進入所述的長周期光纖光柵，該光纖的尾端面為反射單元，所述的長周期光纖光柵與反射單元間的光纖除去塗覆層，該分束器有信號輸出端。
所述的分束器為環形器或耦合器。
所述的反射單元)為該光纖的尾端面鍍高反膜，或該光纖的尾端面設一反射鏡而構成。
本發明的構思是根據長周期光纖光柵幹涉小峰波長對裸光纖段折射率變化敏感的特性，在刻寫有長周期光纖光柵的光纖尾端面有反射單元，再與輸入輸出器件相連製成溫度傳感頭。光柵不直接參與溫度傳感，消除紫外光折變長周期光柵不能直接進行高溫傳感的缺陷，諧振小峰的包絡基本不動，因此對諧振小峰的位移測量更準確。另外由於採用波峰峰位探測方式，使其探測靈敏度得到了較大的改善。與其他溫度傳感方案相比，本發明的優點是測量溫度較高(可達數百度)，探測靈敏度高，解調方法簡單、穩定性好。
圖1是本發明長周期光纖光柵溫度傳感器實施例1的結構示意圖。
圖2是基於耦合器的長周期光纖光柵溫度傳感器實施例2的結構示意圖。
圖3是反射單元附近8cm光纖段進行溫控所測得的包絡中心附近諧振小峰波長的變化情況。圖中1-光纖，2-長周期光纖光柵，3-反射單元，4-光源輸入端，5-信號輸出端，6-待測溫區，7-環行器，8-耦合器，9-折射率匹配液。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明進一步說明。
先請參閱圖1，圖1是本發明長周期光纖光柵溫度傳感器實施例1的結構示意圖。由圖可見，本發明長周期光纖光柵溫度傳感器的構成，包括一具有長周期光纖光柵2的光纖1，其特徵在於所述的光纖1的信號輸入端4經環行器7進入長周期光纖光柵2，該光纖1的尾端面鍍高反膜作反射單元3，所述長周期光纖光柵2與反射單元3間的光纖除去塗覆層，該環行器7具有信號輸出端5。把傳感光纖段放入待測溫區6。寬帶光從光纖1輸入端4輸入，攜帶傳感溫度信息的幹涉信號從信號輸出端5輸出。用光譜儀檢測信號輸出端5波長位移就可以得知待測溫區6的溫度變化。圖3是反射單元附近8cm光纖段進行溫控所測得的包絡中心附近諧振小峰波長的變化情況。可以看到波長移動量和溫度改變量有很好的線性關係。
圖2是本發明長周期光纖光柵溫度傳感器實施例2的結構示意圖。在這裡的區別是所述的分束器7耦合器8。所述的反射單元3為該光纖1的尾端面鍍高反膜，或該光纖1的尾端面設一反射鏡。
本發明是把探測區的溫度變化轉變為反射單元附近裸光纖的折射率變化。探測光從光纖1輸入端4進入光纖1，經分束器如圖1環形器7或圖2耦合器8到達長周期光纖光柵2。折射率匹配液9減小耦合器8另一分束光的反射以降低其對信號光的幹擾。長周期光纖光柵2將探測光部分耦合至包層。長周期光纖光柵2與反射單元3間的光纖段須除去塗覆層，拉直以使裸光纖段無彎曲無扭轉，使得包層模能在包層中無損耗傳輸。芯模與包層模經反射單元3反射，經長周期光纖光柵2耦合形成幹涉，再由分束器，如圖1環形器7或圖2耦合器8，從信號輸出端5輸出。當改變待測溫區6的溫度時，由於芯模和包層模的光程差發生變化，幹涉峰中心波長將隨之發生位移。
用光譜儀檢測信號輸出端5波長位移就可以得知待測溫區6的溫度變化。圖3是反射單元附近8cm光纖段進行溫控所測得的包絡中心附近諧振小峰波長的變化情況。可以看到波長移動量和溫度改變量有很好的線性關係。
經試用表明，本發明具有測量溫度高，可達數百度，採用波峰峰位探測，探測靈敏度高，解調方法簡單、穩定性好等優點。
權利要求
1.一種長周期光纖光柵溫度傳感器，包括一具有長周期光纖光柵(2)的光纖(1)，其特徵在於所述的光纖(1)的信號輸入端(4)經分束器進入長周期光纖光柵(2)，該光纖(1)的尾端面為反射單元(3)，所述長周期光纖光柵(2)與反射單元(3)間的光纖除去塗覆層，該分束器具有信號輸出端(5)。
2.根據權利要求1所述的長周期光纖光柵溫度傳感器，其特徵在於所述的分束器(7)為環形器(7)，或耦合器(8)。
3.根據權利要求1所述的長周期光纖光柵溫度傳感器，其特徵在於所述的反射單元(3)為該光纖(1)的尾端面鍍高反膜，或在該光纖(1)的尾端面設一反射鏡。
全文摘要
一種長周期光纖光柵溫度傳感器，包括一具有長周期光纖光柵的光纖，其特點是該光纖的信號輸入端經分束器進入所述的長周期光纖光柵，該光纖的尾端面為反射單元，所述的長周期光纖光柵與反射單元間的光纖除去塗覆層，該分束器有信號輸出端。將本發明置於測溫區，當測溫區溫度變化時，幹涉諧振小峰中心波長發生位移，通過檢測波峰位移即可得知溫度變化。它具有測量溫度高，可達數百度，採用波峰峰位探測，探測靈敏度高，解調方法簡單、穩定性好等優點。
文檔編號G01K11/32GK1624443SQ20041008425
公開日2005年6月8日 申請日期2004年11月17日 優先權日2004年11月17日
發明者瞿榮輝, 方祖捷, 何慧靈, 高侃, 陳高庭, 蔡海文 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所