專利名稱：一種基于涂覆微納光纖進(jìn)行溫度測量的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于涂覆微納光纖進(jìn)行溫度測量的裝置和方法。
背景技術(shù)：
隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的提高及連續(xù)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，對溫度參數(shù)測量的提出了更多、更高的要求。目前，普遍采用的熱電偶很難實(shí)現(xiàn)對溫度準(zhǔn)確地測量。這種接觸式測量也難以保證溫度場的原有特征，易引起誤差。而且金屬熱電偶必須接觸被測物體，所以損壞快，增加了成本。光導(dǎo)纖維技術(shù)的發(fā)展，為非接觸測溫技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用提供了有利的前提條件，解決了許多熱電偶和常規(guī)紅外測溫儀無法解決的問題。它具有抗電磁干擾、耐高溫、抗腐蝕、小型化等優(yōu)點(diǎn)，適用于傳統(tǒng)溫度傳感器難以勝任的某些惡劣環(huán)境下的溫度測量，尤其適用于油庫等易燃、易爆危險(xiǎn)環(huán)境的溫度檢測，在科研、工業(yè)特別是國防等領(lǐng)域中有著巨大的應(yīng)用潛力。現(xiàn)有的基于光纖的溫度測量方法主要有以下三種:(I)輻射測溫法。該方法分為全輻射測溫、單輻射測溫及多波長測溫。全輻射測溫通過測量全波段的輻射能量而得到溫度。但是由于周圍背景的輻射、介質(zhì)吸收率的變化和輻射率的預(yù)測都會給測量帶來困難，因此難于實(shí)現(xiàn)較高的精度。單輻射測溫法所選波段越窄越好，可是帶寬過窄會使探測器接收的能量變得太小，從而影響其測量準(zhǔn)確度。多波長輻射測溫法是一種很精確的方法，但工藝比較復(fù)雜，且造價(jià)高，推廣應(yīng)用有一定困難。(2)基于拉曼散射或布里淵散射的溫度傳感方法。光纖背向散射溫度測量系統(tǒng)是用于實(shí)時(shí)測量空間溫度場分布的傳感系統(tǒng)。在系統(tǒng)中，光纖既是傳輸媒體也是傳感媒體。利用光纖反Stokes背向散射的溫度效應(yīng)，光纖所處空間各點(diǎn)溫度場調(diào)制了光纖中傳輸?shù)墓廨d波；經(jīng)解調(diào)，將空間溫度場的信息實(shí)時(shí)顯示出來。它是特殊的光纖通信網(wǎng)絡(luò)。由光纖中光的傳播速度和背向光回波的時(shí)間， 對所測溫度點(diǎn)定位，它又是一個(gè)典型的光纖激光溫度雷達(dá)系統(tǒng)。但該方法需要較復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以及信號調(diào)制、解調(diào)技術(shù)。(3)基于光纖光柵的溫度傳感方法。光纖光柵溫度傳感器是利用光纖材料的光敏性在光纖纖芯形成的空間相位光柵來進(jìn)行測溫的。當(dāng)光纖光柵所處溫度發(fā)生變化時(shí)，其反射波長將發(fā)生變化。光纖光柵以波長為編碼，具有傳統(tǒng)傳感器不可比擬的優(yōu)勢，已廣泛用于建筑、航天、石油化工、電力行業(yè)等。光纖光柵溫度傳感器主要有Bragg光纖光柵溫度傳感器和長周期光纖光柵傳感器。Bragg光纖光柵是指單模摻鍺光纖經(jīng)紫外光照射而形成的全新光纖型Bragg光柵,光纖纖芯折射率呈現(xiàn)周期性分布條紋并產(chǎn)生Bragg光柵效應(yīng),其基本光學(xué)特性就是以共振波長為中心的窄帶光學(xué)濾波。但是光纖光柵不僅對溫度敏感，而且對應(yīng)力敏感，存在溫度、應(yīng)力交叉敏感的難題。微納光纖是直徑為微米或亞微米量級的光波導(dǎo)纖維，具有強(qiáng)約束能力、大倏逝場、強(qiáng)非線性效應(yīng)及易于與普通單模光纖連接的優(yōu)異特性。在光纖傳感領(lǐng)域有很廣的應(yīng)用前
旦
o

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上文中光纖溫度傳感遇到的技術(shù)難題，本發(fā)明提供了一種基于微納光纖的溫度測量裝置。為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種基于微納光纖進(jìn)行溫度測量的裝置，包括激光發(fā)生裝置、微納光纖和信號光電探測器，所述的激光發(fā)生裝置的輸出端通過微納光纖連接信號光探測器。所述的一種涂覆基于微納光纖進(jìn)行溫度測量裝置，還包括用于將激光發(fā)生裝置所發(fā)射的激光分路為兩路的光纖耦合器和參考光探測器，所述的光纖耦合器的輸入端連接激光發(fā)生裝置，光纖耦合器的兩個(gè)輸出端的其中一個(gè)輸出端連接微納光纖后，再連接至信號光探測器，光纖耦合器的另一個(gè)輸出端通過單模光纖連接至參考光探測器。所述的一種基于涂覆微納光纖進(jìn)行溫度測量的裝置，所述的激光發(fā)生裝置包括激光器和光纖隔離器，所述的激光器的輸出端經(jīng)光纖隔離器連接至光纖耦合器的輸入端。所述的一種基于涂覆微納光纖進(jìn)行溫度測量的裝置，所述的微納光纖直徑為I微米-10微米。所采用的涂覆材料可選用純水、特氟龍、酒精、純鋁、氟化鎂等，上述的幾種物質(zhì)，前三種為液態(tài)，后兩種為固態(tài)，其共同特點(diǎn)是(I)折射率實(shí)部小于光纖的折射率實(shí)部1.46,
(2)折射率虛部小于0，即對光纖中的傳輸光有吸收作用。對應(yīng)于固態(tài)物質(zhì)，可以使用鍍膜的方法在微納光纖表面就行涂覆，對于液態(tài)的純水，酒精要進(jìn)行封裝，避免揮發(fā)，對于液態(tài)的特氟龍，直接涂覆后自己會固化。一種基于涂覆微納光纖進(jìn)行溫度測量的方法，包括以下步驟:步驟一:將直徑為125微米的普通單模光纖拉制成為直徑為I微米-10微米的微納光纖，并用特殊材料進(jìn)行涂覆。步驟二:將激光發(fā)生裝置所發(fā)生的激光作為信號光連接微納光纖；步驟三:在微納光纖后連接用于檢測信號光強(qiáng)度的信號光探測器；步驟四:激光發(fā)生裝置產(chǎn)生激光，所產(chǎn)生的激光通過微納光纖傳輸至信號光探測器，信號光探測器檢測出激光在微納光纖中傳輸由于涂覆材料吸收所減少的光能量；步驟五:根據(jù)減少的光能量的多少利用溫度標(biāo)定結(jié)果來得溫度。所述的一種涂覆基于微納光纖進(jìn)行溫度測量的方法，所述的步驟二還包括以下步驟:將激光發(fā)生裝置首先連接光纖耦合器，將所發(fā)生的激光分成兩路相同的激光，所分出的一路激光作為信號光連接微納光纖，另一路激光作為參考光連接用于檢測參考光強(qiáng)度的光電探測器。所述的一種涂覆基于微納光纖進(jìn)行溫度測量的方法，所述的步驟四中，在信號光探測器檢測信號光強(qiáng)度變化的同時(shí)，參考光探測器檢測參考光的光強(qiáng)度變化，信號光探測器所檢測出的結(jié)果除去參考光探測器所檢測到的參考光的光強(qiáng)度變化即得到激光在微納光纖中傳輸由涂覆材料吸收后所減少的光能量。所述的一種涂覆基于微納光纖進(jìn)行溫度測量的方法，所述的激光發(fā)生裝置包括激光器和光纖隔離器，激光器的輸出端經(jīng)光纖隔離器連接至光纖耦合器的輸入端。本發(fā)明的技術(shù)效果在于，利用微納光纖大倏逝場的特性進(jìn)行溫度測量。由于微納光纖具有較大的倏逝場，較多部分的光能量傳輸在涂覆材料之中，由于涂覆材料的吸收特性，將導(dǎo)致輸出光功率的減少。當(dāng)外界環(huán)境的溫度增高，由于分子熱運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，涂覆材料的吸收特性相應(yīng)發(fā)生變化(一般會吸收變?nèi)?，從而導(dǎo)致涂覆材料對光功率的吸收變少，最終的輸出光功率增大。該方法從原理上簡單易行，便于大規(guī)模復(fù)用，靈敏度高，能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)分布式實(shí)時(shí)在線測量，從理論上克服了上文中提到的其他光纖溫度測量方式碰到的難題。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。


圖1為本發(fā)明微納光纖的封裝結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例1直徑為1.7微米，涂覆材料是水的溫度測試結(jié)果圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例2直徑為2.4微米，涂覆材料是水的溫度測試結(jié)果圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例3直徑為2.1微米，涂覆材料是特氟龍的溫度測試結(jié)果圖；其中I為普通單模光纖，2為微納光纖的過渡區(qū)域，3為微納光纖的均勻區(qū)域，4為微納光纖的倏逝場，5為涂覆材料，6為窄線寬激光器,7為光纖隔離器,8為光纖稱合器,9為微納光纖，10為信號光探測器，11為參考光探測器，81為光纖稱合器的第一端口，82為光纖耦合器的第二端口，83為光纖耦合器的第三端口，84為光纖耦合器的第四端口。
具體實(shí)施例方式參見圖1，本實(shí)施例裝置的微納光纖是通過加熱拉伸普通單模光纖(直徑為125微米)得到的，最終微納光纖的直徑為I微米-10微米。微納光纖包括普通單模光纖1，過渡區(qū)域2以及均勻區(qū)域3。由于微納光纖的直徑在微米量級，有較多部分的能量以倏逝場4的形式存在于微納光纖的物理邊界之外。為了使微納光纖對外界環(huán)境的溫度敏感，微納光纖的表面覆蓋了一層涂覆材料5，該材料對倏逝場4的能量有吸收作用，使得光在微納光纖中傳輸時(shí)會引入附加的損耗。當(dāng)外界溫度升高時(shí)，由于分子熱運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，涂覆材料對光的吸收作用會變化(一般是減小)，最終導(dǎo)致光在微納光纖中傳輸?shù)母郊訐p耗變化，從而可以解算出外界環(huán)境的變化。參見圖2，本實(shí)施例裝置包括窄線寬激光器6、隔離度大于30dB的光纖隔離器7、耦合方式為2X2的光纖耦合器8、微納光纖9、信號光探測器10和參考光探測器11。其中采用窄線寬激光器6是為消除耦合器分束比對波長的選擇性。窄線寬激光器6的輸出光注入隔離器7，再經(jīng)過光纖耦合器8的第一端口 81分為兩束光，分別從光纖耦合器8的第三端口83及光纖f禹合器8的第四端口 84輸出，其中光纖f禹合器8的第三端口 83的光做為信號光通過微納光纖9后由探測器10監(jiān)測光強(qiáng)，光纖耦合器8的第四端口 84的光做為參考光由參考光探測器11監(jiān)測光強(qiáng)。隔離器7的引入是為了消除散射光對光源的影響?；谕扛参⒓{光纖進(jìn)行溫度測量的方法，包括以下步驟:步驟一:將普通的單模光纖加熱到1300°C作用，光纖處于熔融狀態(tài)，使用步進(jìn)電機(jī)將普通光纖拉長，加熱部分光纖直徑減小，成為微納光纖，最后特殊的材料涂覆在微納光纖的表面。步驟二:將激光發(fā)生裝置所發(fā)生的激光作為信號光連接微納光纖，為了避免由于激光發(fā)生裝置本身由于功率不穩(wěn)定而造成激光強(qiáng)度發(fā)生變化，也可在激光輸出至微納光纖前，先將激光發(fā)生裝置首先連接光纖耦合器，將所發(fā)生的激光分成兩路相同的激光，所分出的一路激光作為信號光連接微納光纖，另一路激光作為參考光連接用于檢測參考光強(qiáng)度的參考光探測器；步驟三:在微納光纖后連接用于檢測信號光強(qiáng)度的信號光探測器；步驟四:激光發(fā)生裝置產(chǎn)生激光，所產(chǎn)生的激光通過微納光纖傳輸至信號光探測器，信號光探測器檢測出激光在微納光纖中傳輸造成在空氣中的倏逝場擾動(dòng)而產(chǎn)生散射后所減少的光能量；若通過光纖耦合器連接有參考光光電探測器，則在信號光探測器檢測信號光強(qiáng)度變化的同時(shí)，參考光探測器檢測參考光的光強(qiáng)度變化，信號光探測器所檢測出的結(jié)果除去參考光探測器所檢測到的參考光的光強(qiáng)度變化即得到激光在微納光纖中傳輸由于涂覆材料的吸收作用所減少的光能量，這是因?yàn)?，通過光纖耦合器所分出的參考光的功率不僅所占激光器所發(fā)光的功率比例固定，且由于未連接微納光纖，故參考光不受外界環(huán)境的影響，所以參考光的功率只隨激光器所產(chǎn)生的激光功率等比例的變化，故只需將信號光的功率變化去除同時(shí)所檢測的參考光功率變化，即得到消除了激光器功率波動(dòng)變化的信號光強(qiáng)度變化。步驟五:根據(jù)減少的光能量的多少利用溫度標(biāo)定的結(jié)果反推出溫度的大小。該方法進(jìn)行溫度測量需要首先進(jìn)行溫度標(biāo)定。當(dāng)微納光纖表面完成涂覆并接入系統(tǒng)中，人為改變外界的溫度，可以得到附加損耗隨溫度變化的結(jié)果，將該結(jié)果作為溫度的標(biāo)定結(jié)果，這是由于不同涂覆材料的吸收系數(shù)隨溫度變化也是不同的，故在實(shí)際傳感之前，先將裝置置于一個(gè)溫度可控的環(huán)境內(nèi)，通過改變溫度進(jìn)行測試，即可以得到不同溫度和不同損耗之間
對應(yīng)的關(guān)系，再將微納光纖置于需要傳感的場所，即可根據(jù)開始得到的 對應(yīng)關(guān)系以及測量得到的損耗反推出溫度的大小。對應(yīng)一種涂覆材料，一種直徑的微納光纖只需標(biāo)定一次。不同涂覆材料的吸收作用隨溫度變化時(shí)不同的，所以同一標(biāo)定結(jié)果不適用于不同涂覆材料。不同直徑微納光纖的倏逝場大小也是不同的，所以同一標(biāo)定結(jié)果不適用于不同直徑的微納光纖。激光發(fā)生裝置包括激光器和光纖隔離器，激光器的輸出端經(jīng)光纖隔離器連接至光纖耦合器的輸入端，光纖隔離器的引入是為了消除散射光對光源的影響，光纖隔離器利用法拉第旋光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光能量的單向傳輸，反向傳輸?shù)墓饽芰勘淮蟠蟮乃p掉，基本上不能反向傳輸光能量。信號光探測器和參考光探測器均采用光電探測器，其功能就是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，實(shí)施例中采用的是德國FEMTO公司生產(chǎn)的0E-200-1N2-FC型低噪聲光電探測器。用于連接各部件所采用的是普通單模光纖，包括纖芯(不同種類單模光纖略有不同，約為8微米)，包層(125微米)，涂覆層(250微米)，纖芯和包層組成圓柱形光波導(dǎo)，是約束光能量的主要傳輸介質(zhì)，涂覆層是為了增加光纖的力學(xué)特性，這樣不容易折斷。參見圖2，窄線寬光源6的光通過隔離器7及耦合器8后分為兩路，一路通過微納光纖9進(jìn)入信號光探測器10，一路直接進(jìn)入?yún)⒖脊馓綔y器11。當(dāng)外界環(huán)境的溫度發(fā)生變化時(shí)，涂覆材料5的吸收特性發(fā)生變化，對微納光纖倏逝場4的吸收作用發(fā)生變化，最終得到輸出光功率發(fā)生變化。以下實(shí)施例中，首先將直徑為125微米的普通單模光纖使用加熱拉制的方法制作為微納光纖。在實(shí)施例中得到了三根微納光纖，直徑分別為1.7微米，2.1微米和2.4微米，將直徑為1.7微米和直徑為2.4微米的微納光纖浸入純水之中，這樣涂覆材料可以認(rèn)為就是純水，同時(shí)，將直徑為2.1微米的微納光纖使用特氟龍進(jìn)行涂覆。通過改變外部溫度，可以得到不同溫度下對應(yīng)的附加損耗。測試結(jié)果分別如圖3、圖4和圖5所示，可以得到，當(dāng)涂覆材料為純水時(shí)，直徑為
1.7微米微納光纖的測試結(jié)果如表I所示:
權(quán)利要求
1.一種基于微納光纖進(jìn)行溫度測量的裝置，包括激光發(fā)生裝置、經(jīng)過材料涂覆的微納光纖和信號光電探測器，所述的激光發(fā)生裝置的輸出端通過微納光纖連接信號光探測器，微納光纖所涂覆的材料的光學(xué)折射率實(shí)部小于微納光纖的折射率實(shí)部，光學(xué)折射率虛部小于O。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種涂覆基于微納光纖進(jìn)行溫度測量裝置，還包括用于將激光發(fā)生裝置所發(fā)射的激光分路為兩路的光纖耦合器和參考光探測器，所述的光纖耦合器的輸入端連接激光發(fā)生裝置，光纖耦合器的兩個(gè)輸出端的其中一個(gè)輸出端連接微納光纖后，再連接至信號光探測器，光纖耦合器的另一個(gè)輸出端通過單模光纖連接至參考光探測器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于涂覆微納光纖進(jìn)行溫度測量的裝置，所述的激光發(fā)生裝置包括激光器和光纖隔離器，所述的激光器的輸出端經(jīng)光纖隔離器連接至光纖耦合器的輸入端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于涂覆微納光纖進(jìn)行溫度測量的裝置，所述的微納光纖直徑為I微米-10微米。
5.一種基于涂覆微納光纖進(jìn)行溫度測量的方法，包括以下步驟: 步驟一:將直徑為125微米的普通單模光纖拉制成為直徑為I微米-10微米的微納光纖，并用材料進(jìn)行涂覆。
步驟二:將激光發(fā)生裝置所發(fā)生的激光作為信號光連接微納光纖； 步驟三:在微納光纖后連接用于檢測信號光強(qiáng)度的信號光探測器； 步驟四:激光發(fā)生裝置產(chǎn)生激光，所產(chǎn)生的激光通過微納光纖傳輸至信號光探測器，信號光探測器檢測出激光在微納光纖中傳輸由于涂覆材料吸收所減少的光能量； 步驟五:根據(jù)減少的光能量的多少，利用預(yù)先所得的溫度標(biāo)定結(jié)果來求得溫度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種涂覆基于微納光纖進(jìn)行溫度測量的方法，所述的步驟二還包括以下步驟:將激光發(fā)生裝置首先連接光纖耦合器，將所發(fā)生的激光分成兩路相同的激光，所分出的一路激光作為信號光連接微納光纖，另一路激光作為參考光連接用于檢測參考光強(qiáng)度的光電探測器。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種涂覆基于微納光纖進(jìn)行溫度測量的方法，所述的步驟四中，在信號光探測器檢測信號光強(qiáng)度變化的同時(shí)，參考光探測器檢測參考光的光強(qiáng)度變化，信號光探測器所檢測出的結(jié)果除去參考光探測器所檢測到的參考光的光強(qiáng)度變化即得到激光在微納光纖中傳輸由涂覆材料吸收后所減少的光能量。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種涂覆基于微納光纖進(jìn)行溫度測量的方法，所述的激光發(fā)生裝置包括激光器和光纖隔離器，激光器的輸出端經(jīng)光纖隔離器連接至光纖耦合器的輸入端。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于涂覆微納光纖的溫度測量裝置及方法，包括窄線寬激光器、光纖隔離器、耦合方式為2×2的光纖耦合器、微納光纖、涂覆材料、信號光探測器和參考光探測器，激光器的輸出端通過光纖連接至光纖隔離器后再連接至光纖耦合器的第一端口，信號光探測器連接涂覆后的微納光纖，再連接至光纖耦合器的第三端口，參考光探測器通過光纖連接至光纖耦合器的第四端口。本發(fā)明的技術(shù)效果在于，利用微納光纖大倏逝場的特性進(jìn)行溫度的測量。由于當(dāng)外界環(huán)境溫度變化，微納光纖涂覆材料的吸收特性會發(fā)生變化，最終導(dǎo)致輸出光功率的變化，克服了以往光纖溫度測量結(jié)構(gòu)復(fù)雜，信號處理困難等難題，便于復(fù)用，能夠?qū)崟r(shí)在線進(jìn)行準(zhǔn)分布式測量。
文檔編號G01K11/32GK103148956SQ201310038550
公開日2013年6月12日 申請日期2013年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月31日
發(fā)明者宋章啟, 衛(wèi)正統(tǒng), 張學(xué)亮, 陽明曄, 陳宇中, 孟州 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)