一種可同時測量溫度和壓力的光纖傳感器的製作方法

2023-04-30 20:19:26 4

專利名稱：一種可同時測量溫度和壓力的光纖傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光學傳感器，更特別地說，是指一種能夠同時測量得到溫度和壓 力的光纖傳感器。
背景技術：
溫度和壓力的測量在醫療業至關重要。隨著微小侵入式療法的推廣，加之所探測 空間部位都極其狹窄，小型化變得重要。光纖尺寸小，耐腐蝕、對電磁輻射本身不敏感，而且 具有很好的生物兼容性，使得光纖傳感器因其生物適應性，尺寸小，成本低，電絕緣性，電磁 幹擾性，在生物工程、醫學診斷和治療領域等器件的製作方面具有很大吸引力。光纖溫度傳感器的研究是光纖傳感領域最活躍的研究方向之一。目前光纖溫度傳 感機理主要有受激螢光、幹涉、光吸收、熱致光輻射、光散射、雙折射等，但目前技術比較成 熟、開始進入實用的侵入式溫度傳感器只有F-P幹涉型(FPI)光纖溫度傳感器。與光纖溫度傳感技術相比，光纖壓力傳感技術的成熟度和應用情況相對不足，大 部分研究也都基於FPI。一般採用微機電或微光機電技術在光纖端形成FP腔，由於石英和 矽材料的楊氏模量都較高，很難實現生理壓力測量需要的高壓力靈敏度，一直未能很好滿 足生理壓力測量的要求。另外，這種技術複雜，可靠性差，受溫度影響大，容易產生溫度壓力 傳感信號交叉，影響了其使用效果。此外，基於FPI的溫度和壓力傳感器的傳感頭尺寸必須足夠大，否則其溫度穩定 性和精度會隨著尺寸的減小而變差。光子晶體光纖是基於光子晶體理論所製成的一種新型光導纖維。其包層區域是由 許多沿光纖軸向的微孔構成。根據其芯區的不同，導光機理也有所不同，通常將其分為兩 類。一種是折射率導光型光子晶體光纖。這種光纖為實心，也成為高折射率導波光纖，其導 光原理類似於標準的全內反射傳導，是根據修正的全內反射原理，在實心中傳導光波，這種 情況下，信號光受到溫度和應力的影響情況和傳統光纖近似。另一種是光子帶隙型光子晶 體光纖，這種光纖芯區折射率低，其包層中的孔是按周期性排列的，形成二維光子晶體。這 種二維周期性折射率變化的結構不允許某些頻段的光在垂直於光纖軸的方向(橫向)傳 播，形成所謂的光子帶隙。這一導光原理與常規光纖有本質的不同，它允許光在折射率比包 層低的纖芯中傳播，一般是在空氣中傳播，其受溫度的影響極小，而壓力的微小變化會引起 其包層空氣孔的結構從而使帶隙發生變化而改變導光特性，即這種光纖對壓力極其敏感。

發明內容
為了解決現有傳感器功能單一，並且溫度和壓力互幹擾的問題，本發明提出一種 基於共光源、波分復用的可同時測量得到溫度和壓力的光纖傳感器。該光纖傳感器包含有 溫度_壓力處理器3、光譜分析儀5、寬譜光源4、單模光纖定向耦合器6、偏振控制器7、光纖 波分復用器8、第一單模尾纖9、第二單模尾纖10、壓力傳感頭1和溫度傳感頭2。其中，溫 度_壓力處理器3接收由光譜分析儀5輸出的光譜特性可以分別得到透射光譜和反射光譜的峰值波長變化情況。本發明光纖傳感器的連接關係是寬譜光源4的尾纖與光纖耦合器6的A端熔接； 光纖耦合器6的B端與偏振控制器7的入纖熔接，光纖耦合器6的C端與光譜分析儀5連 接接；偏振控制器7的尾纖與波分利用器8的A端熔接；波分利用器8的C端與第一單模尾 纖9的一端熔接，第一單模尾纖9的另一端與壓力傳感頭1中的保偏光子晶體光纖11的另 一端熔接；波分利用器8的B端與第二單模尾纖10的一端熔接，第二單模尾纖10的另一端 與溫度傳感頭2中的熊貓光纖21的一端熔接；光譜分析儀5的輸出端與溫度-壓力處理器 3之間通過數據線相連；溫度_壓力處理器3用於計算並輸出溫度和壓力值。本發明可同時測量溫度和壓力的光纖傳感器的優點在於①利用熊貓光纖作為溫度傳感頭來獲取被測對象的溫度信息，測量時不受電磁幹 擾，使測得的溫度信息準確穩定。②利用高雙折射光子晶體光纖作為壓力傳感頭來獲取被測對象的壓力信息，實時 測量時不受溫度和電磁幹擾造成的測量精度不高、不穩定的缺陷，使測得的壓力信息精確。③設計上採用一個光源進行兩路信息的測量，減小了光源不穩定帶來的測量誤差。④將光譜分析儀與計算機相結合，擴大了傳感器的應用領域；通過計算機與軟體 的配合使用能夠提高對所測量得到的溫度、壓力的再利用。⑤可克服結構複雜，可靠性差，溫度和壓力相互幹擾的問題，同時具備更好的抗輻 射能力。


圖1是組成本發明光纖傳感器的結構圖。圖IA是本發明光纖傳感器上的光纖波分復用器中的光路結構圖。圖2是本發明光纖傳感器的壓力傳感頭的結構圖。圖2A是本發明光纖傳感器的壓力傳感頭的另一視角結構圖。圖3是本發明光纖傳感器的溫度傳感頭的結構圖。圖3A是本發明光纖傳感器的溫度傳感頭的分解圖。圖3B是本發明光纖傳感器的溫度傳感頭的剖視圖。圖4是計算機中溫度_壓力測試的界面圖。圖中1.壓力傳感頭11.保偏光子晶體光纖 12.單模光纖13.壓力反 射膜2.溫度傳感頭21.熊貓保偏光纖22.石英管23.溫度反射膜24.導熱 矽脂3.溫度-壓力處理器 4.寬譜光源5.光譜分析儀 6.單模光纖定向耦合器 7.偏振控制器8.光纖波分復用器9.單模光纖10.單模光纖
具體實施例方式下面將結合附圖和實施例對本發明做進一步的詳細說明。參見圖1所示，本發明是一種可同時測量溫度和壓力的光纖傳感器，該光纖傳感 器包含有溫度_壓力處理器3、光譜分析儀5、寬譜光源4、單模光纖定向耦合器6、偏振控制 器7、光纖波分復用器8、第一單模尾纖9、第二單模尾纖10、壓力傳感頭1和溫度傳感頭2。
參見圖2、圖2A所示，壓力傳感頭1包括有保偏光子晶體光纖11、單模光纖12和 壓力反射膜13，單模光纖12的一端與保偏光子晶體光纖11的一端熔接，單模光纖12的另 一端的端面上鍍有壓力反射膜13 ；保偏光子晶體光纖11的另一端與第一單模尾纖9的另 一端熔接；所述的壓力反射膜13選用的材料為二氧化矽或者二氧化鈦。參見圖3、圖3A、圖3B所示，溫度傳感頭2包括有熊貓光纖21、石英管22、溫度反 射膜23和導熱矽脂24 ；熊貓光纖21的一端與第二單模尾纖10的另一端熔接，熊貓光纖21 的另一端的端面上鍍有溫度反射膜23 ；將溫度反射膜23鍍在熊貓光纖21的另一端的端面 上的結構稱為測溫預成型體，該測溫預成型體插入石英管22內，且用導熱矽脂24作為填 料，充分填滿測溫預成型體與石英管22之間的間隙。所述的溫度反射膜23選用的材料為 二氧化矽或者二氧化鈦。下面將對本發明傳感器中的各個器件所實現的功能進行詳細說明(一)溫度-壓力處理器3溫度-壓力處理器3包括有一計算機，以及存儲在該計算機中的溫度處理模塊和 壓力處理模塊；在本發明中，計算機是一種能夠按照事先存儲的程序，自動、高速地進行大量數值 計算和各種信息處理的現代化智能電子設備。最低配置為CPU 2GHz，內存2GB，硬碟180GB ； 作業系統為 windows 2000/2003/XP。在本發明中，溫度處理模塊採用VC語言編寫，用於實現對光譜分析儀5輸出的溫 度光譜特性進行處理，從而得到溫度值T顯示在計算機的顯示屏中，以方便使用者觀察和 對傳感器的動態信息進行掌握。在本發明中，壓力處理模塊採用VC語言編寫，用於實現對光譜分析儀5輸出的壓 力光譜特性進行處理，從而得到壓力值P顯示在計算機的顯示屏中，以方便使用者觀察和 對傳感器的動態信息進行掌握。溫度-壓力處理器3接收由光譜分析儀5輸出的光譜特性可以分別得到透射 光譜和反射光譜的峰值波長變化情況。溫度的變化和反射光譜的峰值波長變化成正比
Κ,Τ = ^ + ^^表示溫度的比例係數，T表示測量獲得的溫度，7表示反射光譜的均值波
yiIaI
長，λ ,表示反射光譜內選取的峰值波長，C1表示溫度的修正常數；同理，壓力的變化和透射
光譜的峰值波長變化成正比&戶=^"+匸2，1(2表示壓力的比例係數，P表示測量獲得的壓
/I2
力，不表示折射光譜的均值波長，λ 2表示透射光譜內選取的峰值波長，C2表示壓力的修正常 數。溫度-壓力處理器3通過軟體程序和採集到的光譜參數對上兩式進行求解可得到 溫度和應力大小，並將結果顯示在界面上，該界面如圖4所示；圖中示出溫度與時間、壓力 與時間的關係曲線。其中，實時溫度分布曲線可以直觀地表示出監測時間段(time)內任一時間點的 溫度值(Temperature)，並可以將數據顯示在左邊的方格內，同時計算出和上一秒的溫度 差，並加以顯示。其中，實時壓力分布曲線可以直觀地表示出監測時間段(time)內任一時間點的
6壓力值(Pressure)，並可以將數據顯示在左邊的方格內，同時計算出和上一秒的壓力差，並 加以顯示。( 二 )光譜分析儀5光譜分析儀5用於採集輸出光的光譜特性。在本發明中，選用的是日本橫河電機 公司(Y0K0GAWA公司)生產的AQ6370型光譜分析儀。(三)寬譜光源4寬譜光源4能夠同時為壓力傳感頭1和溫度傳感頭2提供適宜的光信號。光源4 為寬譜光源；選用是摻鉺光纖光源(SFS)，其中心波長為1545nm，輸出功率大於10mW，帶寬 大於40nm。(四)單模光纖定向耦合器6單模光纖定向耦合器6選用四埠，即二入二出，能夠對中心波長為1550nm的光 進行傳輸。在本發明中，光纖耦合器採用ORTE Photonics公司生產的典型的4埠結構的 50/50分光的單模光纖耦合器，A端、C端一般為光纖耦合器的入纖端，B端為光纖耦合器的 尾纖端。工作波長1550nm，典型附加損耗0. 07dB，插入損耗小於3. 4dB。(五)偏振控制器7所述的偏振控制器利用三個光纖環的旋轉產生對光纖的應力，從而調整光的偏振 態，使信號光的偏振保持在固定方向上。這裡選用的是Cormet Fiber Optics公司生產的 三環型機械式光纖偏振控制器。(六)波分復用器8所述的WDM將光譜分為透射光譜和反射光譜，分別用於壓力和溫度探測。這裡選 用的是奧康公司的粗波分復用器(CWDM)採用薄膜濾波技術，波長覆蓋1270nm至1610nm範 圍，符合ITU G. 694. 2的粗波分復用標準。(七)第一單模尾纖9所述的第一單模尾纖9將透射光傳輸進入壓力傳感頭。(八)第二單模尾纖10所述的第二單模尾纖10將反射光傳輸進入溫度傳感頭。(九)壓力傳感頭1所述的壓力傳感頭進行壓力傳感，透射光在壓力傳感頭的光纖段(保偏光子晶體 光纖11)內傳輸，當外界引入壓力時，透射光的光譜將會發生變化。在本發明中，保偏光子 晶體光纖11選用的是HC-1550-PM-01型保偏光子晶體光纖(Crystal-Fiber公司生產)(十)溫度傳感頭2所述的溫度傳感頭進行溫度傳感，反射光在壓力傳感頭的光纖段(熊貓光纖21) 內傳輸，當外界溫度發生變化時，反射光的光譜將會發生變化。在本發明中，熊貓光纖21選 用的是拍長為2. 056mm的熊貓型保偏光纖。本發明光纖溫度傳感器的連接關係是寬譜光源4的尾纖與光纖耦合器6的A端 (即光纖耦合器的一根入纖)熔接；光纖耦合器6的B端(即光纖耦合器的一根尾纖)與 偏振控制器7的入纖熔接，光纖耦合器6的C端(即光纖耦合器的另一根尾纖)與光譜分 析儀5連接接；偏振控制器7的尾纖與波分利用器8的A端(即輸入光纖)熔接；波分利用 器8的C端(即透射端尾纖)與第一單模尾纖9的一端熔接，第一單模尾纖9的另一端與壓力傳感頭ι中的保偏光子晶體光纖11的另一端熔接；波分利用器8的B端(即反射端尾 纖)與第二單模尾纖10的一端熔接，第二單模尾纖10的另一端與溫度傳感頭2中的熊貓 光纖21的一端熔接；光譜分析儀5的輸出端與溫度_壓力處理器3之間通過數據線相連； 溫度_壓力處理器3用於計算並輸出溫度和壓力值。參見圖IA所示，本發明設計的光纖傳感器在進行溫度測量時的光路傳輸為寬譜光源4發出的信號光經過定向耦合器6和偏振控制器7後從波分復用器8的 A端進入；然後波分復用器8將信號光的光譜分為反射光和透射光兩部分，且反射光與透射 光不重疊；其中的反射光經第二單模光纖10進入溫度傳感頭2中，並在溫度傳感頭2的溫 度反射膜23處被反射回，反射回的反射光稱為溫度反射光；該溫度反射光經第二單模光纖 10後從波分復用器8的B端進入，溫度反射光在波分復用器8中與壓力反射光進行合併，得 到合併光，該合併光從波分復用器8的A端輸出，並順次經偏振控制器7、單模光纖定向耦合 器6後，並從單模光纖定向耦合器6的C埠輸出至光譜分析儀5。參見圖IA所示，本發明設計的光纖傳感器在進行壓力測量時的光路傳輸為寬譜光源4發出的信號光經過定向耦合器6和偏振控制器7後從波分復用器8的 A端進入；然後波分復用器8將信號光的光譜分為反射光和透射光兩部分，且反射光與透射 光不重疊；其中的透射光經第一單模光纖9進入壓力傳感頭1中，並在壓力傳感頭1的壓力 反射膜13處被反射回，反射回的透射光稱為壓力反射光；該壓力反射光經第一單模光纖9 後從波分復用器8的C端進入，壓力反射光在波分復用器8中與溫度反射光進行合併，得到 合併光，該合併光從波分復用器8的A端輸出，並順次經偏振控制器7、單模光纖定向耦合器 6後，並從單模光纖定向耦合器6的C埠輸出至光譜分析儀5。在本發明中，光源選擇寬譜光源可以有效減少在光纖接頭等處的反射光的寄生效 應從而提高系統性能。並且採用一個光源同時為溫度和壓力的傳感提供光信號，大大增加 了系統的集成性並降低了成本。在本發明中，使用波長檢測技術減小了由於老化和現場應用等因素造成的光源輸 出功率波動和器件損耗的影響。本發明涉及的一種可同時測量溫度和壓力的光纖傳感器，是通過使用一個寬譜光 源4作為傳感器光源，波分復用器8將光譜進行分解，分別用於溫度和壓力的測量，分解後 的光譜幾乎沒有交叉，測量結果直觀，通過波長檢測的方式得到結果，有效地減小了誤差； 光子晶體光纖11對於溫度不敏感，對於壓力較普通光纖更敏感這一特性更好地降低了測 量結果產生串擾的誤差；本發明的光纖溫度壓力傳感器具有體積小，實現方便，可靠性高的 特點。
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權利要求
一種可同時測量溫度和壓力的光纖傳感器，包括有計算機、光譜分析儀(5)，其特徵在於還包括有寬譜光源(4)、單模光纖定向耦合器(6)、偏振控制器(7)、光纖波分復用器(8)、第一單模尾纖(9)、第二單模尾纖(10)、壓力傳感頭(1)和溫度傳感頭(2)；所述的計算機與溫度處理模塊、壓力處理模塊構成溫度 壓力處理器(3)；壓力傳感頭(1)包括有保偏光子晶體光纖(11)、單模光纖(12)和壓力反射膜(13)，單模光纖(12)的一端與保偏光子晶體光纖(11)的一端熔接，單模光纖(12)的另一端的端面上鍍有壓力反射膜(13)；保偏光子晶體光纖(11)的另一端與第一單模尾纖(9)的另一端熔接；溫度傳感頭(2)包括有熊貓光纖(21)、石英管(22)、溫度反射膜(23)和導熱矽脂(24)；熊貓光纖(21)的一端與第二單模尾纖(10)的另一端熔接，熊貓光纖(21)的另一端的端面上鍍有溫度反射膜(23)；將溫度反射膜(23)鍍在熊貓光纖(21)的另一端的端面上的結構稱為測溫預成型體，該測溫預成型體插入石英管(22)內，且用導熱矽脂(24)作為填料，充分填滿測溫預成型體與石英管(22)之間的間隙；所述光纖傳感器的連接關係為寬譜光源(4)的尾纖與光纖耦合器(6)的A端熔接；光纖耦合器(6)的B端與偏振控制器(7)的入纖熔接，光纖耦合器(6)的C端與光譜分析儀(5)連接接；偏振控制器(7)的尾纖與波分利用器(8)的A端熔接；波分利用器(8)的C端與第一單模尾纖(9)的一端熔接，第一單模尾纖(9)的另一端與壓力傳感頭(1)中的保偏光子晶體光纖(11)的另一端熔接；波分利用器(8)的B端與第二單模尾纖(10)的一端熔接，第二單模尾纖(10)的另一端與溫度傳感頭(2)中的熊貓光纖(21)的一端熔接；光譜分析儀(5)的輸出端與溫度 壓力處理器(3)之間通過數據線相連；溫度 壓力處理器(3)用於計算並輸出溫度和壓力值。
2.根據權利要求1所述的可同時測量溫度和壓力的光纖傳感器，其特徵在於所述的 壓力反射膜(13)選用的材料為二氧化矽或者二氧化鈦。
3.根據權利要求1所述的可同時測量溫度和壓力的光纖傳感器，其特徵在於所述的 溫度反射膜(23)選用的材料為二氧化矽或者二氧化鈦。
4.根據權利要求1所述的可同時測量溫度和壓力的光纖傳感器，其特徵在於溫 度-壓力處理器(3)接收由光譜分析儀(5)輸出的光譜特性分別得到透射光譜和反射光譜的峰值波長變化情況；溫度的變化和反射光譜的峰值波長變化成正比Ar = ^iCwK1表示溫度的比例係數，T表示測量獲得的溫度，式表示反射光譜的均值波長，λ工表示反射光譜 內選取的峰值波長，C1表示溫度的修正常數；同理，壓力的變化和透射光譜的峰值波長變化成正比= | + ,K2表示壓力的比例係數，P表示測量獲得的壓力，7表示折射光譜的Zt2A2均值波長，λ 2表示透射光譜內選取的峰值波長，C2表示壓力的修正常數。
5.根據權利要求1所述的可同時測量溫度和壓力的光纖傳感器，其特徵在於該光纖 傳感器在進行溫度測量時的光路傳輸為寬譜光源(4)發出的信號光經過定向耦合器(6) 和偏振控制器(7)後從波分復用器(8)的A端進入；然後波分復用器(8)將信號光的光譜分 為反射光和透射光兩部分，且反射光與透射光不重疊；其中的反射光經第二單模光纖(10)進入溫度傳感頭(2)中，並在溫度傳感頭(2)的溫度反射膜(23)處被反射回，反射回的反 射光稱為溫度反射光；該溫度反射光經第二單模光纖(10)後從波分復用器(8)的B端進 入，溫度反射光在波分復用器(8)中與壓力反射光進行合併，得到合併光，該合併光從波分 復用器(8)的A端輸出，並順次經偏振控制器(7)、單模光纖定向耦合器(6)後，並從單模光 纖定向耦合器(6)的C埠輸出至光譜分析儀(5)。
6.根據權利要求1所述的可同時測量溫度和壓力的光纖傳感器，其特徵在於該光纖 傳感器在進行壓力測量時的光路傳輸為寬譜光源(4)發出的信號光經過定向耦合器(6) 和偏振控制器(7)後從波分復用器(8)的A端進入；然後波分復用器(8)將信號光的光 譜分為反射光和透射光兩部分，且反射光與透射光不重疊；其中的透射光經第一單模光纖 (9)進入壓力傳感頭⑴中，並在壓力傳感頭⑴的壓力反射膜(13)處被反射回，反射回的 透射光稱為壓力反射光；該壓力反射光經第一單模光纖(9)後從波分復用器(8)的C端進 入，壓力反射光在波分復用器(8)中與溫度反射光進行合併，得到合併光，該合併光從波分 復用器(8)的A端輸出，並順次經偏振控制器(7)、單模光纖定向耦合器(6)後，並從單模光 纖定向耦合器6的C埠輸出至光譜分析儀(5)。
7.根據權利要求1所述的可同時測量溫度和壓力的光纖傳感器，其特徵在於寬譜光 源⑷選用是摻鉺光纖光源，其中心波長為1545nm，輸出功率大於10mW，帶寬大於40nm。
8.根據權利要求1所述的可同時測量溫度和壓力的光纖傳感器，其特徵在於用於壓 力傳感的光纖為保偏光子晶體光纖。
9.根據權利要求1所述的可同時測量溫度和壓力的光纖傳感器，其特徵在於用於溫 度傳感為應力型保偏光纖。
全文摘要
本發明公開了一種可同時測量溫度和壓力的光纖傳感器，該傳感器的探測端上設有溫度傳感頭和壓力傳感頭，並且所述的兩個傳感頭共用一個寬譜光源作為其信號光源；本發明傳感器使用光纖波分復用器將寬譜光源發出的光分成透射光和反射光，分別用於應力、溫度的測量；溫度傳感頭和壓力傳感頭測得的兩路傳感信號通過單模光纖定向耦合器進入光譜分析儀中；在光譜分析儀中對兩組光峰值波長變化進行檢測，從而獲得被測點溫度和壓力的變化。本發明傳感器解決了溫度和壓力相互幹擾的問題，同時具備更好的抗輻射能力。
文檔編號G01K11/32GK101929879SQ201010243270
公開日2010年12月29日 申請日期2010年8月2日 優先權日2010年8月2日
發明者楊明偉, 楊遠洪, 段瑋倩 申請人:北京航空航天大學