專利名稱：一種薄膜型光纖溫度傳感器及其溫度感應方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光學測量儀器領域，更具體的說是一種薄膜型光纖溫度傳感器及其溫度感應方法。
背景技術：
在強電磁場和高電壓系統(tǒng)中，溫度是需要測量和控制的重要物理量之一，傳統(tǒng)的電測技術如熱電偶等由于具有電磁噪聲和產(chǎn)生短路引起爆炸等危險而無法使用。光纖溫度傳感器具有電絕緣性能好、抗強電磁干擾、使用安全可靠、體積小、重量輕，特別適用于強電磁場、高電壓以及有毒有害、易燃易爆等惡劣環(huán)境下使用，有著廣闊的應用前景。
目前國內(nèi)外對于光纖溫度傳感器的研究分為兩個方向。第一類就是傳光型光纖溫度傳感器。傳光型把光的強度(吸收，熱輻射，折射率變化，散射)，波長(熒光，光致發(fā)光)，偏振面(雙折射)，時間變化(熒光)等當作溫度信號，只是利用光纖傳輸光的信道作用，在光纖的一個端面上配置另外的溫度敏感器件，并與光纖耦合起來，構(gòu)成光纖傳感器。第二類就是傳感型光纖溫度傳感器，是利用相位(干涉)，強度(散射)作為溫度信號，利用光纖自身所具有的物理參數(shù)隨著溫度變化而變化的特性構(gòu)成光纖傳感器。傳光型傳感器雖然對溫度檢測的靈敏度較差，但可靠性高，其中利用熒光吸收，熱輻射的光纖溫度傳感器已達到實用水平。傳感型光纖溫度傳感器的靈敏度高，但由于對溫度以外的壓力，振動等機械量的變化也很敏感，因此，其可靠性是尚未解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術中的缺點，提供一種溫度感應靈敏，可靠性高的薄膜型光纖溫度傳感器及其溫度感應方法。
首先本發(fā)明公開了一種薄膜型光纖溫度傳感器，結(jié)構(gòu)是包括一段光纖，光纖具有一個光信號入射端面和光信號出射端面，在光信號出射端面上鍍制一層反射率隨溫度變化而變化的光學薄膜。薄膜型光纖溫度傳感器主要是利用光學薄膜介質(zhì)的折射率隨著溫度變化而變化的特性，進而影響到特定波長光波的反射率或透射率變化而構(gòu)成的一種新型光纖溫度傳感器。本發(fā)明使用時不會受到在溫度的測量過程中產(chǎn)生的強電磁場或高電壓影響，同時具有傳感型光纖溫度傳感器的靈敏度，而且由于光學薄膜厚度十分小，因此本發(fā)明不會受到外界壓力，振動等機械量的影響，具有很高的穩(wěn)定性。
本發(fā)明進一步提供一種適用所述薄膜型光纖溫度傳感器的溫度感應方法，通過獲得在光纖端面的光學薄膜的反射率或透過率，根據(jù)光學薄膜反射率或透過率隨外界溫度變化的曲線獲得外界溫度。這不同于現(xiàn)有傳感型光纖溫度傳感器，是利用相位(干涉)，強度(散射)作為溫度信號，利用光纖自身性質(zhì)隨溫度的變化而變化來獲得溫度，這也決定了本發(fā)明所具有的穩(wěn)定性優(yōu)勢。所述光學薄膜反射率或透過率隨外界溫度變化的曲線是通過在標定溫度下測量特定波長反射率或透過率的變化，并將多組相對應的數(shù)據(jù)在坐標系上擬合得到的定標曲線。采用標定溫度的方法來獲得定標曲線的方式是最直接的一種方式，而且也是最符合每個具體溫度傳感器自身特點的一種方式，能夠進一步減少由于工藝原因所產(chǎn)生的誤差。
上述方法具體包括以下步驟①將薄膜型光纖溫度傳感器置于被探測的溫度環(huán)境中，光信號從光纖的光信號入射端面入射；②探測光信號在鍍制在光纖光信號出射端面上的光學薄膜的反射光強或透射光強；③計算光學薄膜的反射率或透射率；④根據(jù)上述的反射率或透射率對應光學薄膜反射率或透過率隨外界溫度變化的曲線，獲得被探測環(huán)境的溫度。
本發(fā)明方法簡單容易實現(xiàn)，而且適用于采用計算機進行測量和計算，有利于提高測量系統(tǒng)的自動化程度，使得溫度測量更加簡易且人性化。
上述薄膜型光纖溫度傳感器的傳感端是通過在光纖端面鍍制的光學薄膜組成的，為使得反射率或透過率曲線具有良好的線性度，便于測量。本發(fā)明選擇了截止濾光膜層結(jié)構(gòu)作為在光纖端面鍍膜的標準。
所述光學薄膜的膜系結(jié)構(gòu)為 或 H表示光學厚度為四分之一膜系的中心波長的高折射率層，L表示光學厚度為四分之一中心波長的低折射率層。m為基本周期的重復次數(shù)，一般為5＜m＜10，可以根據(jù)具體采用的鍍膜機而定，采用現(xiàn)有通用的鍍膜機，其最佳數(shù)值為6或7。截止濾光膜層由高、低折射率的材料組成，環(huán)境溫度對光學薄膜器件溫度穩(wěn)定性的影響主要是通過改變光學薄膜器件的光學常數(shù)(n，k，d)來實現(xiàn)的。在可見、近紅外波段，所述低折射率介質(zhì)層和高折射率層材料采用氧化物、氟化物、硫化物或碲化物。這類材料的折射率溫度系數(shù)和其熱膨脹系數(shù)相當，其溫度漂移主要由折射率n和幾何厚度d共同作用決定，影響主要由折射率n和幾何厚度d共同作用決定。對折射率溫度系數(shù)比較大的材料，光學薄膜器件的溫度漂移主要由折射率n的變化引起的。所述低折射率層材料為SiO2、NaF或MgF2，高折射率層材料為TiO2、PbTe或ZeS，截止濾光膜層的光譜性能由各層膜的折射率和厚度決定。環(huán)境溫度的變化時，所述光學薄膜的光學特性會隨著環(huán)境溫度的變化而發(fā)生變化。這種變化主要表征為光學薄膜的峰值透過率發(fā)生變化，截止波長或中心波長的位置發(fā)生漂移，帶寬改變等。
本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術具有以下突出的實質(zhì)性特點和顯著的進步。
1.本發(fā)明公開的傳感器結(jié)構(gòu)具有體積小、重量輕的優(yōu)點，特別適用于強電磁場、高電壓等惡劣環(huán)境下的溫度測量；2.具有很高的靈敏度和良好的重復性和溫度穩(wěn)定性；3.本發(fā)明方法簡單易于實施，能夠適用于計算機控制，降低誤差。


圖1本發(fā)明傳感器的膜系反射率曲線；圖2為薄膜的反射率-溫度關系曲線；圖3為本發(fā)明傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為傳感器測量系統(tǒng)原理圖；圖5為光纖傳感器的反射率-溫度關系曲線。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細的說明。
原理說明帶通截止濾光膜層結(jié)構(gòu)的截止波長可表述成
λ0λc=1±2πsin-1(ηH-ηLηH+ηL)---(1)]]>其中λ0是一個參考波長。
其截止帶寬度為Δg=2πsin-1(ηH-ηLηH+ηL)---(2)]]>相應的透射率為R=I0-I0+=|r|2=|η0B-Cη0B+C|2---(3)]]>從上面可以看出Δg是關于ηH和ηL的函數(shù)，而當正入射時，ηH＝nH，ηL＝nL。而nH和nL又是溫度T的函數(shù)，那么截止帶寬度Δg也是溫度T的函數(shù)，可以寫成如下形式Δg＝f(T)(4)對上式求微分，得，d(Δg)dT=df(T)dT=u(T)---(5)]]>當溫度變化時，截止帶寬度會發(fā)生變化，特定波長處的反射率也會發(fā)生變化。一般材料的折射率隨溫度變化的規(guī)律成線性關系，透射率曲線邊沿處的反射率隨溫度的變化也成線性關系。基于這個變化特性，本發(fā)明設計出一種新型的薄膜型光纖傳感器。
考慮到一般所設計的傳感器所用光信號的中心波長為1310nm，所以在裸光纖端面鍍膜中，要使得1310nm附近的反射率曲線具有良好的線性度。本發(fā)明選擇了截止濾光片的膜層結(jié)構(gòu)作為在光纖端面鍍膜的標準。選擇TiO2作為高折射率材料，SiO2作為低折射率材料，并且先選定膜系的中心波長為1080nm。入射介質(zhì)為玻璃，透射介質(zhì)是空氣。膜系結(jié)構(gòu)為 通過模擬計算，得出不同波長下的反射率曲線，如圖1所示。該膜系的反射率曲線在1310nm附近有著良好的線性度。選定這段曲線作為傳感器的工作區(qū)域。當溫度產(chǎn)生變化時候，由于材料折射率的變化，這段曲線會產(chǎn)生漂移，從而使得特定波長處的透過率也產(chǎn)生相應的變化，如圖2所示，其中T1＜T2＜T3且T3-T2＝T2-T1。通過標定溫度與特定波長下透過率的變化關系，可以得到一條定標曲線。利用定標曲線，當測得透過率的值，便可找到相對應的溫度，從而達到傳感溫度的作用。將前面設計的膜系結(jié)構(gòu)鍍制在單模光纖端面上，制備出設計的薄膜型光纖溫度傳感器。
光纖溫度傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3所示，傳感器由鍍在裸光纖1端面的高、低折射率周期薄膜2組成，膜系結(jié)構(gòu)為 高折射率材料為TiO2，低折射率材料為SiO2，基本周期的重復次數(shù)為6，選定膜系的中心波長為1080nm。膜系的反射率曲線如前面所述的圖2所示，膜系的透過率曲線在1260nm到1360nm間有較好的線性度。當溫度變化時，膜系的光譜特性將發(fā)生變化，其中1260nm到1360nm間的反射率與溫度的變化曲線具有比較好的線性。通過測量傳感器的反射率，將得到傳感器探測到的外界溫度。
利用本發(fā)明所述的傳感器，按照圖4搭建傳感器模擬實驗測量系統(tǒng)。在本實驗系統(tǒng)中，選用中心波長為1310nm的LD光源3作為信號源，3dB耦合器4和Newport公司生產(chǎn)的1830-C型光電探測器5。LD光源3發(fā)出的光經(jīng)3dB耦合器4進入本發(fā)明的薄膜型光纖溫度傳感器6，薄膜型光纖溫度傳感器6的反射光將再次通過3dB耦合器4的而進入光電探測器5，反射光信號經(jīng)光電探測器5探測到。耦合器4的另一支插入折射率匹配液8中以消除端面反射。把薄膜型光纖溫度傳感器6放進水浴鍋9中，通過改變水浴鍋9的溫度來改變其環(huán)境溫度，薄膜型光纖溫度傳感器6的溫度可以直接從水溫中讀出。實驗發(fā)現(xiàn)，當薄膜型光纖溫度傳感器6的溫度變化時，光電探測器5探測到的光強也在改變，而且反射率的變化跟薄膜型光纖溫度傳感器6的溫度變化成比較好的線性關系。將得到的數(shù)據(jù)通過計算機7進行分析就可以得出薄膜型光纖溫度傳感器6探測到的溫度值。在實際使用中要先對設計的薄膜型光纖溫度傳感器6進行溫度測量定標。
基于上面所測的特定波長出的光纖透射率與溫度的線性關系，按照圖4的實驗系統(tǒng)圖進行了薄膜型光纖溫度傳感器6的實驗。測得的1310nm的薄膜型光纖溫度傳感器6的反射率與溫度的關系曲線，如圖5所示。實驗結(jié)果表明，本發(fā)明的傳感器的測量精度能達到1℃，在多次測量中也顯示了良好的穩(wěn)定性和重復性。如果通過選用更高的折射率溫度系數(shù)材料如碲化鉛、硫化鋅等，本發(fā)明的測量精度將會進一步得到提高。
權(quán)利要求
1.一種薄膜型光纖溫度傳感器，其特征是包括一段光纖，光纖具有一個光信號入射端面和光信號出射端面，在光信號出射端面上鍍制一層反射率隨溫度變化而變化的光學薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的薄膜型光纖溫度傳感器，其特征是所述光學薄膜的膜系結(jié)構(gòu)為截止濾光膜系結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求書2所述的薄膜型光纖溫度傳感器，其特征是所述光學薄膜的膜系結(jié)構(gòu)為 或 H表示光學厚度為四分之一膜系的中心波長的高折射率層，L表示光學厚度為四分之一中心波長的低折射率層。m為基本周期的重復次數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求書3所述的薄膜型光纖溫度傳感器，其特征是所述基本周期的重復次數(shù)5＜m＜10。
5.根據(jù)權(quán)利要求書3所述的薄膜型光纖溫度傳感器，其特征是所述低折射率介質(zhì)層和高折射率層材料為氧化物、氟化物、硫化物或碲化物。
6.根據(jù)權(quán)利要求書5所述的薄膜型光纖溫度傳感器，其特征是所述低折射率層材料為SiO2、NaF或MgF2，所述高折射率層材料為TiO2、PbTe或ZeS。
7.根據(jù)權(quán)利要求書3所述的薄膜型光纖溫度傳感器，其特征是所述光信號的中心波長為1310nm，膜系的中心波長為1080nm。
8.一種適用于權(quán)利要求1所述薄膜型光纖溫度傳感器的溫度感應方法，其特征是獲得在光纖端面的光學薄膜的反射率或透過率，根據(jù)光學薄膜反射率或透過率隨外界溫度變化的曲線獲得外界溫度。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的溫度感應方法，其特征是所述光學薄膜反射率或透過率隨外界溫度變化的曲線是通過在標定溫度下測量特定波長反射率或透過率的變化，并將多組相對應的數(shù)據(jù)在坐標系上擬合得到的定標曲線。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的溫度感應方法，其特征是具體包括以下步驟①將薄膜型光纖溫度傳感器置于被探測的溫度環(huán)境中，光信號從光纖的光信號入射端面入射；②探測光信號在鍍制在光纖光信號出射端面上的光學薄膜的反射光強或透射光強；③計算光學薄膜的反射率或透射率；④根據(jù)上述的反射率或透射率對應光學薄膜反射率或透過率隨外界溫度變化的曲線，獲得被探測環(huán)境的溫度。
全文摘要
本發(fā)明涉及光學測量儀器領域，其目的在于克服現(xiàn)有技術中的缺點，提供一種溫度感應靈敏，可靠性高的薄膜型光纖溫度傳感器及其溫度感應方法。其結(jié)構(gòu)是包括一段光纖，光纖具有一個光信號入射端面和光信號出射端面，在光信號出射端面上鍍制一層反射率隨溫度變化而變化的光學薄膜。薄膜型光纖溫度傳感器主要是利用光學薄膜介質(zhì)的折射率隨著溫度變化而變化的特性，進而影響到特定波長光波的反射率或透射率變化而構(gòu)成的一種新型光纖溫度傳感器。
文檔編號G01K11/32GK1945246SQ200610122928
公開日2007年4月11日 申請日期2006年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月20日
發(fā)明者江紹基, 梁有程 申請人:中山大學