[发明专利]一种基于萨格纳克原理的拉力不敏感温度传感器

说明书

技术领域

本发明涉及光纤技术领域，尤其涉及一种光纤传感器。

背景技术

近年来，光纤干涉型传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、不受电磁干扰、耐腐蚀等优点而成为光纤传感器最实用的一种。此外，在科研中，温度是检测和控制的一个重要参数，然而在易燃、易爆、强电磁场、超高压、超低压、有腐蚀性气体、液体，以及要求非接触和快速响应等特殊工作情况和环境下，传统温度传感器不能有非常良好的表现。

温度是表示物体冷热程度的物理量，同时也是工农业生产中的一个重要参数，能够很准确的反映外界环境信息的变化。而光纤温度测量是近几年发展起来的一种用于实时测量空间温度的高新技术，得到了突飞猛进的发展。在气象、材料、工业、航空、医药等领域中，温度的准确检测具有举足轻重的作用。目前比较常见的光纤温度传感器主要有级联型、分布式光纤光栅型、萨格纳克干涉型等。如伍铁生等提出了一种高双折射光子晶体光纤环镜温度传感器，实验中通过向高双折射光子晶体光纤空气孔填充乙醇来提高热光系数实现温度测量，温度灵敏度高达8.837nm/℃；韩婷婷等设计了一种光子晶体光纤环镜温度传感器，使用特殊液体对光子晶体光纤空气孔选择性填充，其温度灵敏度高达-11.6nm/℃。姜德生等利用氢敏化处理的多模光纤制作了多模光纤光栅，其温度灵敏度达到了9.8pm/℃；Y.Cardona-Maya等提出了一种折射率不敏感的温度传感器，在感应探头上镀金，其温度灵敏度可达5830nm/℃。以上文献对传感器的温度响应特性进行了深入且有意义的研究，但在测量温度时常常会受到外界环境带来的应力的影响，导致测量结果不准确。

发明内容

本发明目的在于提供一种结构紧凑、制备简单、灵敏度高、测量准确的基于萨格纳克原理的拉力不敏感温度传感器。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明主要包括宽带光源、传感单元、3dB耦合器、偏振控制器以及光谱仪，所述3dB耦合器的1号端与宽带光源连接，3dB耦合器的2号端与光谱仪连接，3dB耦合器的3号端与传感单元的一端连接，传感单元的的另一端与偏振控制器一端连接，偏振控制器的另一端与3dB耦合器的4号端连接。

进一步的，所述传感单元包括PbS光纤和两段单模光纤，在PbS光纤的两端熔点处分别与两段单模光纤无错位熔接。

进一步的，所述宽带光源选用波长范围为1520～1610nm的宽带光源。

进一步的，所述单模光纤的纤芯直径为9μm、包层直径125μm；PbS光纤的长度为8mm、纤芯直径为9μm、包层直径125μm。

进一步的，所述3dB耦合器测试波长为1550nm，工作带宽为1530nm～1570nm。

进一步的，所述光谱仪通信波段为1200～2400nm，分辨率为0.02nm。

工作过程大致如下：

PbS光纤是在单模光纤的纤芯中掺杂PbS制得，单模光纤的主要成分为掺锗的SiO₂，具有稳定的正四面体结构，因此其热膨胀系数较低。当在单模光纤纤芯中掺杂PbS后其稳定四面体结构被打破，同时PbS作为一种半导体材料它的能带间隙较小，在室温状态下极易受到温度等外界因素的影响，具有较高的热膨胀系数。因此，PbS光纤对温度较为敏感，其热致双折射的相位延迟量比单模光纤高。

温度变化时，PbS光纤产生热致双折射效应，PbS光纤的相位双折射B随之变化。随着温度升高，波长的变化可以表示为：

将公式(1)的左右两端同时对温度(T)求偏导：

式中L为PbS光纤的接入长度，B为相位双折射，δ为相位延迟。波长λ为温度(T)的函数，因此，通过检测温度引起的波长的变化，就可以实现温度的检测。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、结构紧凑、制备简单，只需将PbS光纤与两段单模光纤无错位熔接即可。对拉力不敏感，避免了拉力对温度测量的影响，测量结果准确，灵敏度高。

2、基于萨格纳克干涉原理实现外界环境信息的检测，灵敏度高，有着很广阔的应用前景，在光纤传感方面有巨大的应用潜力。

附图说明

图1为本发明的示意简图。

图2为本发明传感单元的结构示意简图。

图3为本发明传感单元的传输光谱图。

图4为本发明传感器测量拉力实验装置示意图。

图5为本发明在不同温度下的传输光谱图。