一种用于温度检测的光纤结构及制作方法和温度检测系统

技术领域

本公开属于检测技术领域，具体是涉及一种用于温度检测的光纤结构及制作方法和温度检测系统。

背景技术

这里的陈述仅提供与本公开相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

温度的精准检测与控制在工业生产、航空航天、食品加工、生物医疗等方面有着至关重要的意义。市场上传统的电学温度传感器由于检测精度低、响应时间长、抗干扰能力弱以及热敏电阻本身受温度影响较大等问题导致其应用环境和应用前景受到很大的限制。

发明内容

针对现有技术存在的技术问题，本公开提供了一种用于温度检测的光纤结构及制作方法和温度检测系统。

本公开至少一实施例提供了一种用于温度检测的光纤结构，包括两个单模光纤以及设置在两个单模光纤之间的无芯光纤，其特征在于，无芯光纤被设置成中间细两端粗的结构，无芯光纤与两个单模光纤同轴，且无芯光纤长度方向的两端分别与单模光纤的端部熔接在一起，在无芯光纤上套装毛细石英管，在所述毛细石英管与无芯光纤的中间部分填充聚二甲基硅氧烷，所述毛细石英管长度方向的两端分别与单模光纤密封连接。

进一步地，所述毛细石英管长度方向的两端通过UV胶与单模光纤密封连接。

进一步地，无芯光纤的中间部分的直径等于单模光纤的半径。

本公开至少一实施例提供了基于上述任一项所述的一种用于温度检测的光纤结构的制作方法，该方法包括如下步骤：

将一段无芯光纤的两端分别连接一根单模光纤，然后将该装置中的无芯光纤区域进行拉锥，拉成中间细两端的结构；

在所述无芯光纤上套装毛细石英管，同时在毛细石英管的一端注射聚二甲基硅氧烷液体，利用毛细石英管的毛细现象进行填充使得无芯光纤锥形部分完全被聚二甲基硅氧烷包覆；

将所述毛细石英管的两端与无芯光纤密封连接。

进一步地，将所述无芯光纤区域放置在光纤拉锥的拉追平台进行拉锥，在计算机的控制下步进电机沿无芯光纤轴向两端匀速缓慢地拉伸光纤。

进一步地，填充好聚二甲基硅氧烷液体后用UV胶将毛细石英管与无芯光纤两端密封。

本公开至少一实施例还提供了一种温度检测系统，该检测系统包括上述任一项所述的一种用于温度检测的光纤结构。

进一步地，在所述光纤结构长度方向的一端连接光源，另一端依次连接PIN管、放大电路、采集卡以及显示器。

本公开的有益效果如下：

(1)、本公开提供的用于温度检测的光纤结构相比于其他的温度检测结构，具备如下优点：第一，无芯光纤作为一种没有纤芯的特种光纤，其完整结构即作为纤芯，相较于普通的单模光纤，其对外界环境的改变更加敏感；第二，中间细两端粗的无芯光纤结构具有更强的倏势场，相较于普通结构具有跟独特的光学特性，利用该这结构作为温度传感检测的传感头，大大提高了检测区域的倏逝场。第三，聚二甲基硅氧烷是一种温敏材料，对温度变化十分敏感，其状态可稳定在-50℃-200℃，提高了温度的检测范围。

(2)、本公开提供的光纤结构的制作方法得出光纤结构稳定性好、结构坚固，具有良好的应用前景和开发价值。

(3)、本公开提供的温度检测系统倏势场强，可以用来感知光纤周围介质或通过外界参量对光纤传输特性进行调控，对外界环境的物理参量改变更加的敏感。而聚二甲基硅氧烷的特性可以稳定工作在-50℃-200℃，因此该系统还可以工作在一些极限的温度环境中。该装置在温度检测、光纤传感、温敏材料的探索领域具有很高的应用价值。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例提供的用于温度检测的光纤结构整体结构图；

图2为本公开实施例提供的用于温度检测的光纤结构中无芯光纤的结构图；

图3为本公开实施例提供的用于温度检测的光纤结构的使用状态图；

图4为本公开实施例提供的温度检测实验装置系统图；

图5为本公开实施例提供的温度传感实验装置系统图；

图6为本公开实施例提供的温度传感漂移曲线图。

图中：1、单模光纤，2、无芯光纤,3、聚二甲基硅氧烷，4、宽带光源设备，5、光纤结构，6、窄带滤光片，7、PIN管，8、放大电路，9、采集卡，10、计算机，11、温度计，12、光谱仪。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本公开使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

实施例1：

如图1所示，本公开实施例提供了一种用于温度检测的光纤结构，主要包括两个单模光纤1以及设置在两个单模光纤之间的无芯光纤2，其中无芯光纤2与这两个单模光纤1同轴放置，所述无芯光纤2长度方向的两端分别与两个单模光纤固定在一起。

如图2所示，所述无芯光纤被拉锥成中间细两端粗的结构，优选地，所述无芯光纤中间部分的直径等于单根单模光纤的半径，这样便于实用化的光纤焊接。

本实施例中无芯光纤长度方向的两端分别与单模光纤的端部熔接在一起。

进一步地，所述无芯光纤的中间部分外壁面上套装毛细石英管，所述毛细石英管的直径要大于无芯光纤的直径，这样所述毛细石英管与无芯光纤的中间部分设有间隙，然后这个间隙内填充聚二甲基硅氧烷3(PDMS)，同时所述毛细石英管长度方向的两端分别与无芯光纤的端部密封固定在一起，这样在所述无芯光纤的中间部分外表面上形成了PDMS层。包覆PDMS之后，PDMS作为无芯光纤的包层，使得无芯光纤与PDMS构成一种类似多模光纤的结构。

当包覆聚二甲基硅氧烷3之后的光纤结构和光路走向如图3所示。以无芯光，无芯光纤左侧的单模光纤纤芯中的光经过无芯光纤后被分束后分别经过无芯光纤锥形区域和聚二甲基硅氧烷(折射率实测为1.405)传输，然后在后半段无芯光纤合束最后进入输出单模光纤。这样无芯光纤和聚二甲基硅氧烷中的光可以形成多模干涉。

优选地，本实施例中毛细石英管的两端通过UV胶与无芯光纤的端部固定在一起。

所以，本实施例提供的用于温度检测的光纤结构相比于相较于其他用于检测温度的光纤结构，首先，无芯光纤作为一种没有纤芯的特种光纤，其完整结构即作为纤芯，相较于普通的单模光纤，其对外界环境的改变更加敏感；其次，被拉锥成两端粗中间细的的无芯光纤结构具有更强的倏势场，相较于普通结构具有跟独特的光学特性；最后，套装在无芯光纤外部的聚二甲基硅氧烷是一种温敏材料，其状态可稳定在-50℃-200℃，因此，该结构可工作在-50℃-200℃的温度范围内，包括了一些极限的温度环境。

实施例2：

下面详细说明一下针对上述一种用于温度检测的光纤结构的制作方法，该方法包括如下过程：

第一步：通过熔接设备将未被拉锥的无芯光纤的两端分别与单模光纤的端部熔接在一起形成级联结构，然后将所述组成级联结构的无芯光纤放在熔接设备上，通过熔接设备的两个夹持件分别夹持住无线光纤的两端或者单模光纤的端部，通过熔接设备中的控制器控制连接夹持件的步进电机沿着无芯光纤的轴线线匀速缓慢地去拉光纤，最终形成中间细两端粗的结构。

第二步，在所述被拉锥之后的无芯光纤的外壁面上套装上毛细石英管，所述毛细石英管的长度等于无芯光纤的长度，然后在所述毛细石英管长度方向的一端滴上一滴聚二甲基硅氧烷液体，利用毛细石英管内的毛细现象进行填充，使得无芯光纤锥形部分完全被聚二甲基硅氧烷包覆，这样在无芯光纤的外部形成PDMS层。

第三步，将毛细石英管的两端通过UV胶与无芯光纤固定在一起，最终无芯光纤的外径与单模光纤直径相同。

上述实施例通过的制作方法简单，且得出的光纤结构稳定性好、结构坚固，具有良好的应用前景和开发价值。

实施例3

下面详细说明一下包含上述一种包含上述光纤结构的温度检测系统或装置，如图4所示，该检测装置主要包括ASE(宽带光源)设备4、所述光纤结构5、宽窄滤光片6、PIN管7、放大电路8、采集卡9以及计算机10。

其中光纤结构5长度方向的一端与ASE设备(宽带光源)4相连接，，另一端连接一个合适中心波长(如图6中的竖线所示的1577nm)的窄带滤光片6，送给PIN管7。在图6中，在1577nm处的光强随温度的改变(干涉谱的移动)而改变，随着温度的升高，光的强度逐渐增强，每一温度对应一特定的光强。PIN管7可以将光强的改变转换成电信号的改变输出，方便探测。之后连接放大电路8，将电信号进行放大，再连接采集卡0最终将信号输出进计算机10进行数据分析。由于聚二甲基硅氧烷作为温敏材料，所以该检测装置在外界温度环境改变时，就会造成光纤结构内聚二甲基硅氧烷的折射率改变，从而形成的干涉普发生漂移，再与电路相连，将干涉谱的漂移量转换为电的改变，从而实现温度检测，所以包含所述光纤结构的温度检测系统倏势场强，可以用来感知光纤结构周围介质或通过外界参量对光纤传输特性进行调控，对外界环境的物理参量改变更加的敏感。而聚二甲基硅氧烷的特性可以稳定工作在-50℃-200℃，因此该检测装置还可以工作在一些极限的温度环境中。

进一步地，利用该装置进行测温度的实验装置如图5所示。该装置主要包括所述光纤结构5以及连接在所述光纤结构5两端的宽带光源ASE4和光谱仪QSA12，其中所述光纤结构5就是本实施例1中的光纤结构，将所述光纤结构中放置到一个容器内，向容器内添加热水，然后开启宽带光源和光谱仪，通过温度计11观察容器内的水温，宽带光源4设备通过光谱仪测得温度范围为35℃到70℃的光谱如图6所示。通过该实验证明该装置的可行性。在测温实验过程中，采用水浴法改变传感器周围的环境温度。将制作好的光纤传感头放入烧杯容器中，在容器中加入热水，随着热水温度的降低观察光谱仪上透射谱线的漂移，每隔5℃记录一次谱线数据。实验室水浴法的恒温范围在40℃到80℃之间，图6示可以看出该温度传感漂移曲线呈现规律性蓝移。PDMS可以在-50℃至200℃的环境温度下长期使用，理论上该传感器可传感的区间位-50℃-200℃。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本公开的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本公开进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本公开的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本公开的权利要求范围当中。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。