[实用新型]单套管蚀刻式光纤光栅温度增敏传感器

说明书

一、技术领域

本实用新型涉及光纤传感器，尤其是双金属光纤光栅温度增敏传感器。

二、技术背景

光纤光栅具有许多其它传感器无法比拟的优点：全光测量，在监测现场无电气设备，不受电磁及核辐射干扰；零点无漂移，长期稳定；以反射光的中心波长表征被测量，不受光源功率波动、光纤微弯效应及耦合损耗等因素的影响；绝对量测量，系统安装及长期使用过程中无需定标；使用寿命长等等。

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，即外界入射光子和纤芯相互作用而引起后者折射率的永久性变化，用紫外激光直接写入法在单模光纤的纤芯内形成的空间相位光栅，其实质是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜。光纤光栅属于反射型工作器件，当光源发出的连续宽带光通过传输光纤射入时，它与光栅发生耦合作用，光栅对该宽带光有选择地反射回相应的一个窄带光，并沿原传输光纤返回；其余宽带光则直接透射过去。反射回的窄带光的中心波长值(也叫Bragg波长)为：

λ_B＝2n_effΛ

上式中，n_eff为FBG的有效反射系数，Λ为FBG的相邻两个栅隔之间的几何距离。当温度变化时，引起返回波长变化量相对温度变化量的灵敏度为：

Δλ_B/ΔT＝[(1-P_e)ε+ζ]λ_B    (1)

其中，P_e为FBG的有效弹光常数；ε为单位温度变化下FBG的应变量；ζ为FBG的热光系数。

FBG固有的温度分辨率很低，约0.1℃/pm。这在很多应用领域都无法满足要求。因此，很多研究人员就提高其温度灵敏度做了很多工作。FBG温度传感器增敏的原理是利用FBG对温度和应变同时敏感的特性，通过合理的结构设计，把FBG和高热膨胀系数材料封装在一起。当被测温度变化时，通过高热膨胀系数材料的形变向FBG施加一个应变量，使得FBG的返回波长变化量加大。

三、实用新型内容

本实用新型提供了一种单套管蚀刻式光纤光栅温度增敏传感器，包括光纤光栅和大热膨胀系数套管，所述光纤光栅的两端固定在所述套管的两端，且在其内部，其特征在于：所述光纤光栅的栅区部分因为经过蚀刻所以直径小于所述光纤光栅的其它部分。

当温度变化时，大热膨胀系数套管的长度发生较大变化，而光纤的热膨胀系数小，因受热产生的长度变化较小。因套管的两端和光纤光栅的两端是固定在一起的，故在光纤光栅被拉紧后，套管长度的变化被转移到光纤光栅。又因为光纤光栅的栅区部分的直径小于其它部分，所以在被套管拉动的过程中，其应变变化更大。因此，该传感器的温度灵敏度显著提高。

这种设计得主要优点是结构简单，且能显著提高光纤光栅传感器的温度灵敏度。

四、附图说明

附图是单套管蚀刻式光纤光栅温度增敏传感器的结构示意图。

其中，1为光纤光栅，2为光纤光栅的栅区部分，3为大热膨胀系数套管，4为固定点，5为传感器尾纤。

五、具体实施方案

该传感器包括光纤光栅和大热膨胀系数套管。先用化学溶液对光纤光栅的栅区部分进行蚀刻，使其直径变小。根据需求的温度灵敏度，决定其直径的蚀刻量和套管的长度及套管的热膨胀系数。需求的温度灵敏度越高：蚀刻量越大，套管长度越长，套管热膨胀系数越大。

当温度变化时，大热膨胀系数套管的长度发生较大变化，而光纤的热膨胀系数小，因受热产生的长度变化较小。因套管的两端和光纤光栅的两端是固定在一起的，故在光纤光栅被拉紧后，套管长度的变化被转移到光纤光栅。又因为光纤光栅的栅区部分的直径小于其它部分，所以在被套管拉动的过程中，其应变变化更大。因此，该传感器的温度灵敏度显著提高。

本实例详细地给出了单套管蚀刻式光纤光栅温度增敏传感器的制作方法。