專利名稱：雙包層光纖溫度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用光纖遠(yuǎn)距離溫度傳感的器件，特別涉及一種利用雙包層光纖結(jié)構(gòu)的溫度傳感方法及其在溫度報(bào)警方面的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
光纖溫度傳感器由于具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、絕緣性能好等獨(dú)特優(yōu)勢，它已成為傳感技術(shù)的一個(gè)主導(dǎo)方向之一。光纖溫度傳感器采用的檢測技術(shù)主要有干涉測量法、喇曼散射、布里淵散射、布拉格光柵和熒光測量法。干涉測量法中，目前應(yīng)用最廣的是法布里-泊羅光纖溫度傳感器，但傳感器輸出光強(qiáng)信號十分微弱，因此需要代價(jià)很高的信號采集與處理技術(shù)；采用Mach-Zehnder結(jié)構(gòu)的干涉測量法，對傳感器制作工藝要求高。基于喇曼散射和布里淵散射的分布式光纖溫度傳感技術(shù)、基于布拉格光柵和熒光測量法的光纖溫度傳感技術(shù)中，都需要對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行還原和融合，不能直接解釋傳感數(shù)據(jù)，使得解調(diào)信號成本很高。總之，應(yīng)用成本高是導(dǎo)致光纖溫度傳感器不能廣泛應(yīng)用的主要原因之一。光纖溫度傳感器在消防安全方面的一個(gè)重要用途，是在石油的生產(chǎn)、加工和儲存、變電所或大型變壓器內(nèi)部等場所的溫度傳感與報(bào)警。因此，提供一種制作成本低、解調(diào)信號成本低的光纖溫度傳感器是非常有必要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、制作與解調(diào)信號的成本低廉、可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)測的光纖溫度傳感器。
本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)雙包層光纖溫度傳感器，包括階躍型光纖上一段由纖芯、內(nèi)包層和外包層組成的雙包層傳感段以及固定外包層的裝置，所述內(nèi)包層是階躍型光纖的原有包層被部分腐蝕掉而形成的；所述外包層是用聚合物材料涂覆在所述內(nèi)包層上而形成的；所述固定外包層的裝置，是玻璃槽、槽形陶瓷片、或者是用金屬絲繞成的螺線管。本發(fā)明的作用原理是當(dāng)內(nèi)包層厚度小于，或者等于光波在階躍型光纖的纖芯與內(nèi)包層界面上的貫穿深度時(shí)，外包層材料折射率的變化，將影響纖芯內(nèi)光波的傳輸損耗。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，傳感段上外包層材料的折射率將隨之變化，從而引起纖芯內(nèi)光束的傳輸損耗發(fā)生變化。通過探測光束傳輸損耗的變化，實(shí)現(xiàn)對環(huán)境溫度的檢測。
聚合物材料通常具有負(fù)熱光系數(shù)，當(dāng)環(huán)境溫度升高，使外包層材料的折射率減小至接近或者等于內(nèi)包層材料的折射率時(shí)，經(jīng)過傳感段的傳輸光束的功率將從衰減極大變化到衰減極小。當(dāng)外包層材料的熱光系數(shù)等于
0.0003，內(nèi)包層外徑為12um時(shí)，環(huán)境溫度變化10°C可以使傳輸光束的損耗變化范圍達(dá)到-50分貝(dB)。這種陡峭的光功率衰減特性可以實(shí)現(xiàn)溫度報(bào)警功能。因此，本發(fā)明特別可應(yīng)用于溫度報(bào)警。
本發(fā)明相對于現(xiàn)有的光纖溫度傳感技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果(1 )可靠性高、重復(fù)性好。因其對溫度的敏感來源于材料的熱光特性；(2)結(jié)構(gòu)簡單、制作成本低；(3)傳感信號是光功率信號，在環(huán)境溫度從低溫接近或等于報(bào)警溫度之時(shí)，是光強(qiáng)信號接近或等于最大值之時(shí)。因此信號的采集和轉(zhuǎn)換技術(shù)成本低，不需要昂貴的儀器；(4)設(shè)計(jì)靈活。可以選擇不同的內(nèi)包層外徑、光束波長和外包層材料，實(shí)現(xiàn)不同溫度范圍的高精度檢測，或者用于不同溫度點(diǎn)的報(bào)警；(5)具有一般光纖傳感器所共有的優(yōu)勢，抗電磁干擾、絕緣性能好。因此，在石油的生產(chǎn)、加工和儲存、微波加熱治療、變電所和大型變壓器內(nèi)部等場所的溫度傳感與報(bào)警方面具有不可替代的應(yīng)用價(jià)值。


圖l是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1所示結(jié)構(gòu)中的雙包層結(jié)構(gòu)剖視圖。圖3是實(shí)施例1針對1550nm波長的光功率衰減特性曲線圖。圖4是實(shí)施例1針對1310nm和850nm波長的光功率衰減特性曲線圖。圖5是實(shí)施例2 4針對1550nm波長的光功率衰減特性曲線圖。圖6是實(shí)施例5~6針對1550nm波長的光功率衰減特性曲線圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。實(shí)施例1
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)如圖l和圖2所示，由圖1和圖2可見，階躍型光纖l采用康寧SMF-28e。光纖1中傳感段長度為圖示L，內(nèi)包層外徑為圖示R。直徑為0.13mm的金屬絲繞成螺線管2，其螺距D為0.3mm，其內(nèi)徑稍大于光纖l的外徑，使光纖l剛能穿過其中，其長度大于L，本實(shí)施例中取9mm。外包層3采用道康寧公司生產(chǎn)的聚合物材料OE-4110，其熱光系數(shù)等于0. 0003，在22°C溫度上對1554nm波長的折射率為1. 4600。使用武漢光訊科技股份有限公司的臺式穩(wěn)定化光源和臺式光功率計(jì)，數(shù)字電子溫度傳感器，檢測了傳輸光束經(jīng)過傳感段后光功率損耗隨溫度的變化。
本實(shí)施例中,傳感段長度為3mm，內(nèi)包層外徑為12pm。根據(jù)所用聚合物材料固化的要求，將含有傳感段的光纖放在表面溫度達(dá)110°C的加熱器上加熱三小時(shí)。本實(shí)施例針對1550nm波長的光功率損耗隨溫度變化的實(shí)驗(yàn)曲線如圖3所示。這一實(shí)驗(yàn)證實(shí)外包層材料熱光系數(shù)為0.0003，內(nèi)包層外徑為12um，環(huán)境溫度從53。C變化到63。C時(shí)，光功率損耗從-61. 66dB減小到了-3. 14dB，變化范圍達(dá)到了-58dB。
本實(shí)施例針對1310nm和850nm波長的光功率損耗隨溫度變化的實(shí)驗(yàn)曲線如圖4所示。相對于-50dB的損耗變化范圍，1310nm和850nm波長所對應(yīng)的溫度范圍分別為44。C 54。C和48。C 58。C。由此可見，同樣的傳感段，傳輸光束的波長不同，對溫度的敏感范圍不同。
實(shí)施例2~4
與實(shí)施例l不同的是，內(nèi)包層外徑分別為13pm、 16imi和20^im，其它與實(shí)施例1相同。這3個(gè)實(shí)施例針對1550nm波長的光功率損耗隨溫度變化的實(shí)驗(yàn)曲線都顯示在如圖5中。對應(yīng)于實(shí)施例2 4的損耗陡峭變化區(qū)域的范圍分別為-50dB、 -43dB和-7dB。從圖5中還看到，對應(yīng)于實(shí)施例2 ~ 4的最小光功率損耗(即插入損耗)分別為-3.8dB， -1.7dB和-1.5dB。從這兩組數(shù)據(jù)可見，內(nèi)包層外徑越小，光功率損耗陡峭變化區(qū)域的范圍越大，插入損耗也越大。
實(shí)施例5與實(shí)施例1不同的是，傳感段長度為5.6mm，內(nèi)包層外徑為13pm，其它與實(shí)施例1相同。本實(shí)施例的傳感器針對1550nm波長的光功率損耗隨溫度變化的實(shí)驗(yàn)曲線顯示在圖6中。本實(shí)施例與實(shí)施例2的損耗陡峭變化區(qū)域的范圍相同。由此可見，傳感段長度從3mm變化到5.6mm，其它與實(shí)施例1相同時(shí)，損耗變化范圍沒有變化。
實(shí)施例6
與實(shí)施例1不同的是，傳感段長度為2.3mm，內(nèi)包層外徑為llpm，其它與實(shí)施例1相同。本實(shí)施例的傳感器針對1550nm波長的光功率損耗隨溫度變化的實(shí)驗(yàn)曲線也顯示在圖6中。僅從內(nèi)包層外徑的角度看，根據(jù)實(shí)施例2 4的結(jié)論，其損耗陡峭變化區(qū)域的范圍應(yīng)該大于-50dB。但本實(shí)施例的損耗陡峭變化區(qū)域的范圍為-40dB。由此可見，傳感段長度小于3mm后，傳感段長度的減小將使損耗變化范圍大大減小。
上述實(shí)施例證實(shí)(1)當(dāng)外包層材料的熱光系數(shù)等于0.0003，內(nèi)包層外徑小于13um時(shí)，環(huán)境溫度變化10。C時(shí)，傳輸光束損耗的變化范圍大于-50dB，見圖3。 (2)采用相同的外包層材料和內(nèi)包層外徑的傳感器，對不同波長的傳輸光束，其光功率損耗對溫度的敏感范圍不同，見圖3和圖4。(3)采用相同的外包層材料和使用相同波長的傳輸光束的傳感器，內(nèi)包層外徑不同，其光功率損耗陡峭變化的范圍不同，見圖5。 (4)根據(jù)實(shí)施例5~6，傳感段的長度可取為3mm。從上述實(shí)施例可知，通過制作不同的內(nèi)包層外徑、或者使用不同波長的傳輸光束、或者選擇不同的外包層材料，雙包層光纖溫度報(bào)警器可以對不同范圍的溫度進(jìn)行高精度傳感，可以實(shí)現(xiàn)對不同定點(diǎn)溫度的報(bào)警。
上述實(shí)施例為本發(fā)明的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制。其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種雙包層光纖溫度傳感器，其特征在于階躍型光纖上一段由纖芯、內(nèi)包層和外包層組成的雙包層傳感段以及固定外包層的裝置。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙包層光纖溫度傳感器，其特征在于所述傳感段的長度為2 6mm，所述內(nèi)包層是階躍型光纖原有的包層被部分 腐蝕掉而形成的，其外徑為11 20um。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙包層光纖溫度傳感器，其特征在于所 述外包層是熱光系數(shù)等于0.0003的聚合物材料涂覆在內(nèi)包層上而形成的。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙包層光纖溫度傳感器，其特征在于所 述固定外包層的裝置，是玻璃槽、槽形陶瓷片、或者是用金屬絲繞成的螺 線管。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙包層光纖溫度傳感器，包括階躍型光纖上一段長為2～6mm的、由纖芯、內(nèi)包層和外包層組成的雙包層傳感段，以及固定外包層的裝置，所述傳感段的內(nèi)包層是光纖的原有包層被部分腐蝕掉而形成的，其外徑為11～20um。所述外包層是聚合物材料涂覆在內(nèi)包層上而形成的。本發(fā)明與現(xiàn)有光纖傳感器相比，不僅具有絕緣性能好、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，還具有結(jié)構(gòu)簡單、制作成本低、信號的采集與轉(zhuǎn)換成本低廉等優(yōu)勢。而且，在一定條件下，環(huán)境溫度變化10℃，傳感器輸出的光功率信號能有-50dB的變化。因此，本發(fā)明特別適合用于溫度的報(bào)警，可廣泛用于石油的生產(chǎn)、加工和儲存、變電所或大型變壓器內(nèi)部等場所的遠(yuǎn)距離溫度傳感與報(bào)警。
文檔編號G01K11/00GK101482433SQ20091003711
公開日2009年7月15日 申請日期2009年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月9日
發(fā)明者葉曉靖, 張小康 申請人:華南理工大學(xué)