一种光纤温度传感器

技术领域

本发明涉及光纤温度传感技术领域，更具体的说是涉及一种光纤温度传感器。

背景技术

在光纤温度传感器中，光纤传感探头是最重要的结构，温度传感是利用光纤的各种特性(相位、偏振、强度等)随温度变换的特点，进行温度测定。

目前现有的光纤温度传感探头尽管具有传、感合一的特点但由于传统的全光纤传感结构受到自身特性的限制，比如较低的热光系数、低膨胀系数等，导致其对周围环境的温度变化不敏感，难以获得较高精度的传感效果。现有技术中虽然存在增敏手段，例如对光纤进行化学腐蚀以达到特定的结构或者对光纤微纳结构中进行填充增敏材料，但是这些方法实现起来比较繁琐或者成本较高。

因此，如何提供一种结构简单传感精度高的光纤温度传感器是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种光纤温度传感器，其目的在于解决现有技术中的全光纤传感结构传感精度低且为提高精度耗费成本较高的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种光纤温度传感器，包括：温度传感探头；

所述温度传感探头包括单模光纤、微毛细管和玻璃泡；

所述单模光纤熔接于所述微毛细管的上方，所述微毛细管的底端熔接于所述玻璃泡的上方，所述玻璃泡内填充有增敏液体；

所述单模光纤的上端横截面与所述微毛细管内增敏液体的液面之间的腔体为干涉腔。

优选的，还包括激光器、耦合器、解调电路和温度显示器，所述耦合器与所述单模光纤相连，所述解调电路分别与所述耦合器和所述温度显示器电连接；

所述激光器发射的信号光进入所述耦合器后通过所述单模光纤引入所述干涉腔；进入所述干涉腔后的光信号返回所述耦合器进入所述解调电路，生成电信号，所述电信号传输至所述温度显示器，所述温度显示器根据所述增敏液体的热膨胀变化、所述干涉腔的腔体长度变化与光谱变化的对应关系，将电信号转换为实际温度数值并进行显示。

优选的，还包括光源控制器，所述光源控制器与所述激光器电连接。

优选的，还包括光源控制器，所述激光器为波长为1550nm的半导体激光器。

优选的，所述微毛细管与所述单模光纤的直径相同，所述玻璃泡上部开孔的直径与所述微毛细管的直径相同。

优选的，所述增敏液体为乙醇。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种光纤温度传感器，该光纤温度传感器中的光线温度探头采用了传统温度计结构，并在微毛细管的上方熔接单模光纤，相较传统的全光纤结构的温度传感结构有效提高了灵敏度，可以用于较高精度的温度监测中，并且可以通过改变温度计结构中的填充液体来改变温度传感范围，扩大了传感领域，有效提高了该装置的实用性，另外该传感结构简单，制备过程十分便捷，材料低廉易得，该装置的整体成本较低，解决了现有技术中存在的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的一种光纤温度传感器中温度传感探头的结构示意图；

图2附图为本发明提供的一种光纤温度传感器的整体结构框架示意图；

图3附图为本发明实施例提供的定量分析过程示意图；

图4附图为本发明实施例提供的实验系统结构框架示意图；

1-单模光纤，2-微毛细管，3-玻璃泡，4-增敏液体。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种光纤温度传感器，如图1所示，包括：温度传感探头；

温度传感探头包括单模光纤1、微毛细管2和玻璃泡3；

单模光纤1熔接于微毛细管2的上方，微毛细管2的底端熔接于玻璃泡3的上方，玻璃泡3内填充有增敏液体4；

单模光纤1的上端横截面与微毛细管2内增敏液体4的液面之间的腔体为干涉腔。

为了进一步实施上述技术方案，如图2所示，还包括激光器、耦合器、解调电路和温度显示器，耦合器与单模光纤1相连，解调电路分别与耦合器和温度显示器电连接；

激光器发射的信号光进入耦合器后通过单模光纤1引入干涉腔；进入干涉腔后的光信号返回耦合器进入解调电路，生成电信号，电信号传输至温度显示器，温度显示器根据增敏液体4的热膨胀变化、干涉腔的腔体长度变化与光谱变化的对应关系，将电信号转换为实际温度数值并进行显示。

为了进一步实施上述技术方案，还包括光源控制器，光源控制器与激光器电连接。

为了进一步实施上述技术方案，还包括光源控制器，激光器为波长为1550nm的半导体激光器。

为了进一步实施上述技术方案，微毛细管2与单模光纤1的直径相同，玻璃泡3上部开孔的直径与微毛细管2的直径相同。

为了进一步实施上述技术方案，增敏液体4为乙醇。

本实施例的制备过程为：

首先将一根微毛细管2用剥线钳将外部一小段涂覆层刮干净，用浓度95％以上的乙醇溶液将裸露处擦拭干净，并用光纤切割器切割一小段约30mm，将切割后的微毛细管2的两端端口放在光纤端面清洁盒内打磨以保证端口光滑平整。

把玻璃泡3用胶水固定到一段坚硬的细棒上以保证熔接时玻璃泡3的稳定，通过推送细棒，将玻璃泡3的开口端移动到光纤熔接机的放电处夹紧，同时将微毛细管2放入另一侧夹紧，用光纤熔接机将这两端熔接在一起，然后将细棒和玻璃泡3粘连处的胶水通过化学腐蚀清洗干净，制备出温度计结构。

选取一段和微毛细管2尺寸匹配的单模光纤1，用剥线钳将单模光纤1的保护层剥除，对处理后的单模光纤1依次进行清洗、切割、打磨等工作后备用。将制备好的温度计结构内填充酒精溶液(液体可以根据用应用环境进行种类、浓度的调整)。填充后静置并观察液面高度，直至下降到理论合适高度与之前处理的单模光纤1熔接制备出光纤传感探头。

本实施例的工作原理为：

当光从单模光纤1进入光纤温度探头结构时，遇到第一个是单模光纤1的横截面，第二个是微毛细管2内酒精溶液的液面，这两个端面分别对光进行第一和第二次反射，两次反射的光会进入后续系统中的耦合器，发生干涉，两个界面构成法布里-珀罗干涉腔。在温度计结构中，由于液体的热膨胀现象，通过液体的填充能放大温度的变化，温度的变化直接影响了法布里-珀罗干涉腔的腔长，在干涉中，腔长是一个重要参数，整个温度计结构的作用是放大了温度变化对光束的调制效果，直接表现为提高了探头对温度传感的灵敏度。

如图3所示，根据上述原理，关键在于理论分析指定液体的热膨胀定量分析及干涉腔的腔长变化和光谱变化的对应关系。首先理论分析温度所导致的干涉腔的腔长变化，通过ZEMAX仿真软件分析腔长的变化对干涉光谱的影响，不断优化实验参数后将所提出的光纤温度传感结构进行制备，搭建实验系统进行实验，对实验数据进行处理、分析，最终得到预期的温度传感灵度。

实验过程中是通过测量干涉光谱波长的漂移来分析此温度传感探头的灵敏度，如图4所示，实验系统首先需要一个由电源控制的半导体激光，发出的光通过耦合器到达法布里-珀罗干涉腔，两束返回的信号光进入耦合器，发生干涉，通过光谱仪可以看到所形成的干涉光谱。同时光纤探头被放入可加热的恒温炉内，通过改变炉内的温度，由于液体的热膨胀导致液面发生变化，相当于直接改变了干涉腔的腔长，这里腔长的改变会对干涉光谱起到重要影响，可以直接在光谱仪上看到光谱随温度变化的漂移，通过对数据的分析来测量出此温度传感探头的灵敏度，考虑到酒精在标准大气压下的沸点，实验的温度范围控制在20℃-65℃，防止乙醇的蒸发导致液柱出现断层，在恒温炉中，以每5℃为一步，从20℃上升到65℃，每次等到温度恒定3分钟后再测量实验数据，一共获取10个实验数据，通过Origin软件对这10个实验数据进行分析，获取温度与光谱漂移的线性关系，得到提出的光纤传感探头的灵敏度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。