基于光纖光柵傳感頭的馬赫-曾德溫度傳感器的制造方法
【專利摘要】基于光纖光柵傳感頭的馬赫?曾德溫度傳感器，涉及光纖傳感領(lǐng)域。它是解決在測量小范圍溫度變化時，傳統(tǒng)馬赫?曾德干涉溫度傳感器測量精度低的問題。本實用新型包括寬帶光源、一號單模光纖、一號絕熱保護套、一號耦合器、二號單模光纖、二號絕熱保護套、三號單模光纖、三號絕熱保護套、導(dǎo)熱管、四號絕熱保護套、二號耦合器、四號單模光纖、五號絕熱保護套、光譜儀、光纖布拉格光柵。其中，一號單模光纖的一端接光源，另外一端接一號耦合器；二號單模光纖一端接一號耦合器，另外一端接二號耦合器；三號單模光纖一端接一號耦合器，另一端接二號耦合器；四號單模光纖一端接二號耦合器，另一端接光譜儀。本實用新型適用于精密光纖溫度傳感領(lǐng)域。
【專利說明】
基于光纖光柵傳感頭的馬赫-曾德溫度傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及光纖傳感領(lǐng)域。具體涉及一種基于光纖光柵傳感頭的馬赫-曾德溫度傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]馬赫-曾德干涉光纖溫度傳感器相比其他傳統(tǒng)溫度傳感器具有抗電磁干擾能力強、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點。該干涉結(jié)構(gòu)的溫度傳感器可廣泛應(yīng)用于建筑、電力工程、醫(yī)藥化工等領(lǐng)域。馬赫-曾德溫度傳感器在測溫時，依靠溫度變化使傳感光纖與參考光纖產(chǎn)生長度差進而形成位相差使之產(chǎn)生干涉光，利用干涉光的變化間接得到溫度變化的信息。但受傳感光纖材料等條件的限制，在測量極小范圍內(nèi)的溫度變化時其測量精度不及某些光柵溫度傳感器。光柵溫度傳感器結(jié)構(gòu)簡單尺寸小，可與普通光纖融合連接，適用于各種場合，便于埋入復(fù)合材料及大型建筑內(nèi)部，可在保證結(jié)構(gòu)完整性和安全性的同時，進行時時溫度測量。另外，由于光柵溫度傳感器從根本上排除了光源強度起伏、光纖微彎效應(yīng)引起的隨機起伏等對溫度傳感的影響，所以基于光纖光柵的傳感系統(tǒng)具有很高的可靠性和穩(wěn)定性。因此有必要將二者結(jié)合，設(shè)計出能夠測量極小范圍溫度變化的具有更高靈敏度的溫度傳感裝置。
[0003]基于光纖光柵傳感頭的馬赫-曾德溫度傳感器。該傳感器對傳感光纖進行改進，在普通單模光纖上刻蝕光纖布拉格光柵。進行溫度傳感時，把光纖布拉格光柵置于溫度場中，參考光纖離開溫度場。這種新型結(jié)構(gòu)的光纖光柵溫度傳感器能夠在測量極小范圍溫度變化時獲得更高靈敏度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實用新型是為了解決在測量小范圍溫度變化時，傳統(tǒng)馬赫-曾德干涉溫度傳感器測量精度低的問題。在全光纖馬赫-曾德干涉溫度傳感器的基礎(chǔ)上進行改進，提供了一種基于光纖光柵傳感頭的馬赫-曾德干涉的高靈敏度、抗電磁干擾能力強、成本低廉、操作簡單、應(yīng)用范圍廣的溫度傳感裝置。
[0005]基于光纖光柵傳感頭的馬赫-曾德溫度傳感器，其特征在于:它包括光源(1)、一號單模光纖(2)、一號絕熱保護套(3)、一號耦合器(4)、二號單模光纖(5)、二號絕熱保護套
[6]、三號單模光纖(7)、三號絕熱保護套(8)、導(dǎo)熱管(9)、四號絕熱保護套(10)、二號耦合器(11)、四號單模光纖(12)、五號絕熱保護套(13)、光譜儀(14);
[0006]三號單模光纖(7)在導(dǎo)熱管(9)內(nèi)的部分刻有光纖布拉格光柵(9-1);
[0007]—號單模光纖(2)的一端接光源(I)，另外一端接一號耦合器(4);二號單模光纖
(5)—端接一號親合器(4)，另外一端接二號親合器(11);三號單模光纖(7)—端接一號親合器(4)，另一端接二號耦合器(11);四號單模光纖(12)—端接二號耦合器(11)，另一端接光譜儀(14);
[0008]光源(I)發(fā)出的光信號經(jīng)一號單模光纖(2)到達(dá)一號耦合器(4)，在一號耦合器(4)中光被分成兩束，其中一束進入二號單模光纖(5)，另一束光進入三號單模光纖(7)經(jīng)過光纖布拉格光柵(9-1)后繼續(xù)在三號單模光纖(7)中傳播，兩束光在二號親合器(11)內(nèi)相遇，再經(jīng)過四號單模光纖(12)進入光譜儀(14)中。
[0009]光源(I)能夠發(fā)出寬帶光，且寬帶光的中心波長為1550nm，頻帶寬度為40nm。
[0010]一號單模光纖(2)外套有一號絕熱保護套(3)，二號單模光纖(5)外套有二號絕熱保護套(6)，三號單模光纖(7)外分別套有三號絕熱保護套(8)四號絕熱保護套(10)，四號單模光纖(12)外套有五號絕熱保護套(13)。
[0011 ] 一號親合器(4)和二號親合器(I I)的分光比及親合比均為50:50。
[0012]導(dǎo)熱管(9)分別與三號絕熱保護套(8)和四號絕熱保護套(10)連接且連接處涂有防水膠。
[0013]光纖布拉格光柵(9-1)的長度為2cm。
[0014]三號單模光纖(7)比二號單模光纖(5)長3.1mm。
[0015]一號單模光纖(2)、二號單模光纖(5)、三號單模光纖(7)、四號單模光纖(12)均通過法蘭與其他器件相連。
[0016]本實用新型的有益效果是:本實用新型在傳統(tǒng)馬赫-曾德干涉溫度傳感器的基礎(chǔ)上進行改進，通過在傳感光纖上刻蝕布拉格光柵，形成一種基于光纖布拉格光柵的馬赫-曾德溫度傳感裝置。該光纖布拉格光柵長度為2cm，在溫度傳感時將該部分置于溫度場中，相比傳統(tǒng)馬赫-曾德溫度傳感器在進行小溫度變化的溫度傳感時可獲得更高的靈敏度。由于該溫度傳感器的單模光纖外套有絕熱保護套，可有效防止外界干擾(如:振動干擾)對探測結(jié)果的影響，同時保護套可防止光纖因受外力而造成光纖的損害。并且該溫度傳感裝置還具有抗電磁干擾能力強、制作成本低廉、操作簡便等優(yōu)點。
【附圖說明】
[0017]圖1為基于光纖光柵傳感頭的馬赫-曾德溫度傳感器；
[0018]圖2為光纖光柵的放大結(jié)構(gòu)。
【具體實施方式】
[0019]【具體實施方式】一:下面結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式所述的基于光纖光柵傳感頭的馬赫-曾德溫度傳感器，它包括光源(I)、一號單模光纖(2)、一號絕熱保護套(3)、一號耦合器(4)、二號單模光纖(5)、二號絕熱保護套(6)、三號單模光纖(7)、三號絕熱保護套(8)、導(dǎo)熱管(9)、四號絕熱保護套(10)、二號耦合器(11)、四號單模光纖(12)、五號絕熱保護套(13)、光譜儀(14);
[°02°] 三號單模光纖(7)在導(dǎo)熱管(9)內(nèi)的部分刻有光纖布拉格光柵(9-1);
[0021 ] 一號單模光纖(2)的一端接光源(I)，另外一端接一號親合器(4) ; 二號單模光纖
(5)—端接一號親合器(4)，另外一端接二號親合器(11);三號單模光纖(7)—端接一號親合器(4)，另一端接二號耦合器(11);四號單模光纖(12)—端接二號耦合器(11)，另一端接光譜儀(14);
[0022]測溫時，先把光源與光譜儀放置合適位置，再把光纖布拉格光柵(9-1)置于溫度場中，令二號單模光纖(5)離開溫度場。
[0023]光源(I)發(fā)出的光信號經(jīng)一號單模光纖(2)到達(dá)一號耦合器(4)，在一號耦合器(4)中光被分成兩束，其中一束進入二號單模光纖(5)，另外一束進入三號單模光纖(7)的前段，再依次經(jīng)過光纖布拉格光柵(9-1)和三號單模光纖(7)的后段，兩束光在二號親合器(11)內(nèi)相遇，發(fā)生耦合，產(chǎn)生干涉。干涉光再經(jīng)過四號單模光纖(12)進入光譜儀(14)中，利用光譜儀(14)可以觀測干涉光譜。干涉光譜的漂移與溫度的變化有一一對應(yīng)的關(guān)系，因此可以通過觀測干涉光譜的漂移間接進行溫度的測量。
[0024]【具體實施方式】二:本實施方式對【具體實施方式】一所述的基于光纖光柵傳感頭的馬赫-曾德溫度傳感器的進一步限定，本實施方式中，所述光源(I)能夠發(fā)出寬帶光，且寬帶光的中心波長為1550nm，頻帶寬度為40nm。
[0025]【具體實施方式】三:本實施方式對【具體實施方式】一所述的基于光纖光柵傳感頭的馬赫-曾德溫度傳感器的進一步限定，本實施方式中，一號單模光纖(2)外套有一號絕熱保護套(3)，二號單模光纖(5)外套有二號絕熱保護套(6)，三號單模光纖(7)外分別套有三號絕熱保護套(8)四號絕熱保護套(10)，四號單模光纖(12)外套有五號絕熱保護套(13)。
[0026]【具體實施方式】四:本實施方式對【具體實施方式】一所述的基于光纖光柵傳感頭的馬赫-曾德溫度傳感器的進一步限定，本實施方式中，一號耦合器(4)和二號耦合器(11)的分光比及耦合比均為50:50。
[0027]【具體實施方式】五:本實施方式對【具體實施方式】一所述的基于光纖光柵傳感頭的馬赫-曾德溫度傳感器的進一步限定，本實施方式中，導(dǎo)熱管(9)分別與三號絕熱保護套(8)和四號絕熱保護套(10)連接且連接處涂有防水膠。
[0028]【具體實施方式】六:本實施方式對【具體實施方式】一所述的基于光纖光柵傳感頭的馬赫-曾德溫度傳感器的進一步限定，本實施方式中，光纖布拉格光柵(9-1)的長度為2cm。
[0029]【具體實施方式】七:本實施方式對【具體實施方式】一所述的基于光纖光柵傳感頭的馬赫-曾德溫度傳感器的進一步限定，本實施方式中，三號單模光纖(7)比二號單模光纖(5)長
3.1mnin
[0030]【具體實施方式】八:本實施方式對【具體實施方式】一所述的基于光纖光柵傳感頭的馬赫-曾德溫度傳感器的進一步限定，本實施方式中，一號單模光纖(2)、二號單模光纖(5)、三號單模光纖(7)、四號單模光纖(12)均通過法蘭與其他器件相連。
[0031]工作原理:
[0032]基于光纖光柵傳感頭的馬赫-曾德溫度傳感器:
[0033]工作過程:如圖1所示，將一號單模光纖(2)的一端接光源(1)，另外一端接一號耦合器(4) ; 二號單模光纖(5)—端接一號親合器(4)，另外一端接二號親合器(11);三號單模光纖(7)—端接一號耦合器(4)，另一端接二號耦合器(11);四號單模光纖(12)—端接二號耦合器(11)，另一端接光譜儀(14)。
[0034]在溫度傳感的過程中，需要將帶有導(dǎo)熱管(9)的光纖布拉格光柵(9-1)放于待測的溫度場中。二號單模光纖(5)離開溫度場。由光源(I)發(fā)出的光信號經(jīng)過一號單模光纖(2)到達(dá)一號親合器(4)，一號親合器(4)的分光比為50:50。經(jīng)過一號親合器(4)后，光信號被分成光強比為1:1的兩束光分別進入二號單模光纖(5)和三號單模光纖(7)。在三號單模光纖(7)中的光分別經(jīng)過三號單模光纖(7)前段、光纖布拉格光柵(9-1)和三號單模光纖(7)后段。二號單模光纖(5)中傳輸?shù)墓馀c三號單模光纖(7)中傳輸?shù)墓庠诙栺詈掀?11)內(nèi)相遇。當(dāng)溫度場中的溫度改變時，會使三號單模光纖(7)的物理長度在原三號單模光纖(7)與二號單模光纖(5)長度差的基礎(chǔ)上發(fā)生改變，從而使兩路光的光程差發(fā)生改變。光程差的改變會導(dǎo)致兩束光的位相發(fā)生改變。在二號耦合器(11)內(nèi)相遇的兩束光會因為位相不同的兩束光的疊加而發(fā)生光強的重新分布，產(chǎn)生干涉。該干涉光經(jīng)過四號單模光纖(12)到達(dá)光譜儀(14)。當(dāng)干涉光因為三號單模光纖(7)受溫度改變而發(fā)生位相改變時，光譜儀(14)顯示的光譜會發(fā)生漂移。此外，光纖布拉格光柵(9-1)在溫度變化時，其反射率會發(fā)生變化，導(dǎo)致在其中傳輸光的光程發(fā)生變化，致使位相發(fā)生改變，產(chǎn)生干涉?？赏ㄟ^光譜儀可測得光柵受溫度變化引起的光譜漂移。將兩部分的漂移疊加可確定溫度的變化。
[0035]將三號單模光纖(7)單模光纖的一部分經(jīng)過刻蝕光纖布拉格光柵(9-1)后，制作成基于光纖布拉格光柵的馬赫-曾德溫度傳感器。在傳感過程中，溫度的改變會造成三號單模光纖(7 )長度的變化。同時光纖布拉格光柵(9-1)也會改變傳播光的光程，使得該傳感結(jié)構(gòu)對溫度的變化更加敏感，以此提高馬赫-曾德溫度傳感其在測量極小溫度變化時的靈敏度。
【主權(quán)項】
1.基于光纖光柵傳感頭的馬赫-曾德溫度傳感器，其特征在于:它包括光源(1)、一號單模光纖(2)、一號絕熱保護套(3)、一號耦合器(4)、二號單模光纖(5)、二號絕熱保護套(6)、三號單模光纖(7)、三號絕熱保護套(8)、導(dǎo)熱管(9)、四號絕熱保護套(10)、二號耦合器(11)、四號單模光纖(12)、五號絕熱保護套(13)、光譜儀(14); 三號單模光纖(7)在導(dǎo)熱管(9)內(nèi)的部分刻有光纖布拉格光柵(9-1); 一號單模光纖(2)的一端接光源(I)，另外一端接一號親合器(4) ; 二號單模光纖(5) —端接一號親合器(4)，另外一端接二號親合器(11);三號單模光纖(7)—端接一號親合器(4)，另一端接二號耦合器(11);四號單模光纖(12)—端接二號耦合器(11)，另一端接光譜儀(14); 光源(I)發(fā)出的光信號經(jīng)一號單模光纖(2)到達(dá)一號耦合器(4)，在一號耦合器(4)中光被分成兩束，其中一束進入二號單模光纖(5)，另一束光進入三號單模光纖(7)經(jīng)過光纖布拉格光柵(9-1)后繼續(xù)在三號單模光纖(7)中傳播，兩束光在二號親合器(11)內(nèi)相遇，再經(jīng)過四號單模光纖(12)進入光譜儀(14)中。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖光柵傳感頭的馬赫-曾德溫度傳感器，其特征在于:光源(I)能夠發(fā)出寬帶光，且寬帶光的中心波長為1550nm，頻帶寬度為40nm。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖光柵傳感頭的馬赫-曾德溫度傳感器，其特征在于:一號單模光纖(2)外套有一號絕熱保護套(3)，二號單模光纖(5)外套有二號絕熱保護套(6)，三號單模光纖(7)外分別套有三號絕熱保護套(8)四號絕熱保護套(10)，四號單模光纖(12)外套有五號絕熱保護套(13)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖光柵傳感頭的馬赫-曾德溫度傳感器，其特征在于:一號親合器(4)和二號親合器(I I)的分光比及親合比均為50:50。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖光柵傳感頭的馬赫-曾德溫度傳感器，其特征在于:導(dǎo)熱管(9)分別與三號絕熱保護套(8)和四號絕熱保護套(10)連接且連接處涂有防水膠。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖光柵傳感頭的馬赫-曾德溫度傳感器，其特征在于:光纖布拉格光柵(9-1)的長度為2cm。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖光柵傳感頭的馬赫-曾德溫度傳感器，其特征在于:三號單模光纖(7)比二號單模光纖(5)長3.1mm。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖光柵傳感頭的馬赫-曾德溫度傳感器，其特征在于:一號單模光纖(2)、二號單模光纖(5)、三號單模光纖(7)、四號單模光纖(12)均通過法蘭與其他器件相連。
【文檔編號】G01K11/32GK205642669SQ201620313796
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年4月15日
【發(fā)明人】李善強, 楊思博, 孟令劍, 李燁長, 解珺迪, 郎昌鵬
【申請人】哈爾濱理工大學(xué)