基于邁克爾遜干涉理論的微型光纖高溫傳感器及制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及于光纖傳感領(lǐng)域，特別是設(shè)及一種基于微型邁克爾遜干設(shè)理論的全光 纖溫度傳感器及制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 全光纖型傳感器通常是直接在光纖上設(shè)計(jì)微結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)傳感。該傳感器具有微 型化優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于溫度、壓力、應(yīng)變及折射率等物理量的測量。其中，在溫度傳感器方 面，全光纖型傳感器由于組成材料單一，不存在熱膨脹系數(shù)失配問題，具有更高的溫度響應(yīng) 動態(tài)范圍，因而克服了一般非全光纖傳感器（如MEMS傳感器）由于不同材料之間的熱膨脹 系數(shù)失配而限制測溫范圍的缺陷，受到國內(nèi)外眾多研究人員的關(guān)注。一般來說，全光纖高溫 傳感器基于干設(shè)原理，利用熱光效應(yīng)和熱膨脹效應(yīng)改變干設(shè)信號相位差，實(shí)現(xiàn)溫度傳感。從 目前報道來看，傳感器材料主要有兩種，一是采用普通二氧化娃光纖溫度響應(yīng)可達(dá)到將近 1000°C，特殊地，藍(lán)寶石光纖則可達(dá)到1600°C。傳感器根據(jù)干設(shè)類型分類主要有=種，分別 是法巧型、馬赫澤德型和邁克爾遜型。對于法巧型傳感器，通常采用特殊光纖（例如中空光 纖、中空光子晶體光纖等）或者飛秒激光器在光纖上直接構(gòu)造法巧微腔，運(yùn)種結(jié)構(gòu)受外界 因素影響較小，性能穩(wěn)定，是應(yīng)用最廣泛的全光纖型傳感器，但是需要特殊光纖或特殊設(shè)備 (例如飛秒激光器），具有較高的制作成本和工藝難度。馬赫澤德型通常是在兩段光纖之 間烙入另一種類型光纖，其透射干設(shè)譜信噪比較高，但是光纖結(jié)構(gòu)強(qiáng)度受到一定的破壞，且 容易受到彎曲、應(yīng)力的因素的影響。通過高溫實(shí)驗(yàn)分析其高溫響應(yīng)特性。邁克爾遜干設(shè)型 采用光纖禪合器將一束光分到兩路光纖中，通過調(diào)制光束在兩路光纖中的光程實(shí)現(xiàn)位移測 量，同樣也適用于測量其他可W轉(zhuǎn)化為位移的物理量。該方法中，為了實(shí)現(xiàn)兩路光纖的光程 匹配，通常需要使用機(jī)械移動部件，因此測量精度和重復(fù)性往往受機(jī)械移動件影響，僅適用 于測量精度和穩(wěn)定性要求較低的場合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了克服現(xiàn)有傳感器存在的問題，并降低制作成本和工藝難度，本發(fā)明針對W上 不足，提出了一種基于微型邁克爾遜干設(shè)理論的全光纖溫度傳感器及制作方法，采用光纖 研磨機(jī)直接在光纖端面構(gòu)造邁克爾遜微結(jié)構(gòu)，使光纖忍層的光分束成兩束光，并經(jīng)反射后 再次禪合回光纖形成雙光束干設(shè)，通過光纖的熱光效應(yīng)和熱膨脹效應(yīng)來改變干設(shè)信號光程 差，從而實(shí)現(xiàn)溫度的傳感和測量。
[0004] 本發(fā)明公開了一種基于微型邁克爾遜干設(shè)理論的光纖高溫傳感器，所述傳感器由 光纖1構(gòu)成，所述光纖1又包括光纖包層2和光纖纖忍3 ;所述光纖包層2具有光纖反射壁 4,所述光纖纖忍3具有端面；所述光纖纖忍分裂成兩個部分，一部分在所述端面具有一平 面反射面5,另一部分在所述端面具有一 45°反射面6 ;當(dāng)一束光沿所述光纖纖忍3入射到 所述端面時，分裂成兩束光，其中一束光在平面反射面5形成反射，構(gòu)成邁克爾遜干設(shè)儀的 一干設(shè)臂，得到參考光束8 ;另一束光在45°反射面形成全反射后經(jīng)過光纖壁反射面4再次 反射，從45°反射面6重新禪合回光纖纖忍3,構(gòu)成邁克爾遜干設(shè)儀的另一個干設(shè)臂，得到 傳感光束9;參考光束8和傳感光束9運(yùn)兩束光在光纖纖忍相遇后形成邁克爾遜干設(shè)條紋， 干設(shè)光束之間的光程差為光纖半徑與折射率的乘積決定；當(dāng)溫度變化時，光纖半徑和折射 率會由于熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)而發(fā)生改變，從而引起干設(shè)光譜的變化，通過干設(shè)光譜分 析即可實(shí)現(xiàn)光程差測量，導(dǎo)出待測溫度值。 陽0化]本發(fā)明還提出了一種基于微型邁克爾遜干設(shè)理論的光纖高溫傳感器制作方法，該 方法具體包括W下步驟：
[0006] 步驟一、固定光纖插忍10到卡槽，調(diào)整研磨角度為45° ;研磨機(jī)轉(zhuǎn)盤11上首先貼 9ym光纖研磨紙12,設(shè)置研磨機(jī)轉(zhuǎn)盤11轉(zhuǎn)速為150轉(zhuǎn)/分鐘，將光纖插忍10研磨30分 鐘；然后依次更換3ym光纖研磨紙13和1ym光纖研磨紙14各研磨10分鐘，研磨機(jī)轉(zhuǎn)盤 11轉(zhuǎn)速保持150轉(zhuǎn)/分鐘不變，此時，光纖插忍10研磨完成；根據(jù)研磨效果應(yīng)及時往光纖 研磨紙12、13、14和光纖插忍10之間噴水；
[0007] 步驟二、將光纖1固定在已研磨好的光纖插忍10內(nèi)，光纖1稍微伸出光纖插忍10 約100ym，采用1ym光纖研磨紙14,研磨機(jī)轉(zhuǎn)盤11轉(zhuǎn)速設(shè)定為100轉(zhuǎn)/分鐘，緩慢調(diào)節(jié)光 纖插忍10靠近光纖研磨紙14,兩者完全貼上之后，勻速研磨10分鐘；更換0. 3ym光纖拋 光紙15,相同的方法拋光10分鐘，此時，光纖纖忍末端45°反射面6制作完成；
[0008] 步驟=、將光纖插忍10更換成端面磨平的平端光纖插忍16,調(diào)節(jié)平端光纖插忍16 端面與0. 3ym光纖拋光紙15的距離為10~20ym，研磨機(jī)轉(zhuǎn)盤11轉(zhuǎn)速設(shè)定為50轉(zhuǎn)/分 鐘；將上一步研磨好45°反射面6的光纖1從平端光纖插忍16插入并緩慢與拋光紙15靠 近，當(dāng)兩者接觸后，輕輕壓住光纖1，開始研磨平面反射面5 ;在研磨平面反射面5時，每研磨 10秒將光纖1取出來在顯微鏡下觀察，然后根據(jù)觀察結(jié)果，調(diào)整下次研磨時間，逐步將兩個 研磨的交匯線控制在光纖纖忍3之內(nèi)，至此，光纖傳感器制作完成。
[0009] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下積極效果：
[0010] 1、本發(fā)明提出的基于微型光纖邁克爾遜溫度傳感器，采用直接研磨光纖構(gòu)成，務(wù) 須烙接其他特種光纖，結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠；也不需使用飛秒激光器等昂貴的加工設(shè)備，經(jīng) 濟(jì)實(shí)惠，具有更大的成本優(yōu)勢。
[0011] 2、本發(fā)明提出的基于微型光纖邁克爾遜溫度傳感器，其溫度傳感原理在于利用光 纖的熱光效應(yīng)和熱膨脹效應(yīng)實(shí)現(xiàn)干設(shè)光程差的改變，實(shí)現(xiàn)溫度到干設(shè)光程差的轉(zhuǎn)化。相比 于傳統(tǒng)的法巧或者馬赫澤德溫度傳感，本發(fā)明具有理論創(chuàng)新性。
[0012] 3、本發(fā)明提出的基于微型光纖邁克爾遜溫度傳感器，通過改變光纖的材質(zhì)實(shí)現(xiàn)不 同溫度范圍的傳感，普通的Si02光纖傳感最高溫度達(dá)到1000°C，使用藍(lán)寶石光纖傳感最高 溫度達(dá)到1700 °C。
【附圖說明】
[0013] 圖1是基于微型全光纖邁克爾遜溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014] 圖2是基于微型全光纖邁克爾遜溫度傳感器制作方法示意圖一；
[0015] 圖3是基于微型全光纖邁克爾遜溫度傳感器制作方法示意圖二；
[0016] 圖4是基于微型全光纖邁克爾遜溫度傳感器制作方法示意圖=;
[0017] 圖5是基于微型全光纖邁克爾遜溫度傳感器制作方法示意圖四；
[0018] 圖6是基于微型全光纖邁克爾遜溫度傳感器制作方法示意圖五；
[0019] 圖7是基于微型全光纖邁克爾遜溫度傳感器的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖；
[0020] 圖8是基于微型全光纖邁克爾遜溫度傳感器輸出的干設(shè)信號光譜圖；
[0021] 圖9是基于微型全光纖邁克爾遜溫度傳感器輸出光譜峰值隨溫度漂移圖；
[0022] 圖10是基于微型全光纖邁克爾遜溫度傳感器溫度解調(diào)曲線；
[0023]圖中，1、光纖，2、光纖包層，3、光纖纖忍，4、光纖壁反射面，5、平面反射面，6、45° 反射面，7、入射光，8、參考光束，9、傳感光束，10、光纖插忍，11、研磨機(jī)轉(zhuǎn)盤，12、9ym光纖研 磨紙，13、3ym光纖研磨紙，14、1ym光纖研磨紙，15、0. 3um光纖拋光紙，16、平端光纖插忍， 17、SLD寬帶光源，18、環(huán)形器，19、光譜儀，20、傳感頭，21、高溫爐，22、邁克爾遜干設(shè)條紋， 23、干設(shè)峰值隨溫度漂移曲線，24、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，25、擬合曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行詳細(xì)描述，運(yùn)些實(shí)施方式若存在示 例性的內(nèi)容，不應(yīng)解釋成對本發(fā)明的限制。
[00巧]邁克爾遜干設(shè)的基本原理是將一束光分成兩束，其中一束反射光傳播一定距離后 從固定反射鏡反射回光分束處，稱為參考臂；另一束光同樣傳播一定距離后反射回分束處， 其光程將受到外界物理量的調(diào)制，稱為傳感臂。兩束光在分束處合束成后將產(chǎn)生雙光束干 設(shè)，干設(shè)信號攜帶一定光程差信息。當(dāng)外界物理量調(diào)制傳感臂光程時，將導(dǎo)致光程差發(fā)生變 化，從而通過解調(diào)干設(shè)條紋獲得光程差變化情況來實(shí)現(xiàn)傳感測量。在光纖傳感領(lǐng)域，早期的 光纖邁克爾遜干設(shè)儀采用光纖禪合器將一束光分到兩路光纖中，通過調(diào)制光束在兩路光纖 中的光程實(shí)現(xiàn)位移測量，同樣也適用于測量其他可W轉(zhuǎn)化為位移的物理量。該方法中，為了 實(shí)現(xiàn)兩路光纖的光程匹配，通常需要使用機(jī)械移動部件，因此測量低精度和重復(fù)性往往受 機(jī)械移動件影響，僅適用于測量精度和穩(wěn)定性要求較低的場合。本發(fā)明所提出的運(yùn)種集成 光纖結(jié)構(gòu)直接在光纖中制作微型邁克爾遜干設(shè)儀具有微型化、高穩(wěn)定性、強(qiáng)適應(yīng)性、制作成 本低等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的全光纖溫度傳感器的溫度靈敏度由光纖半徑、折射率、熱光系數(shù)和熱 膨脹系數(shù)共同決定。
[00%] 實(shí)施例1 :基于微型全光纖邁克爾遜溫度傳感器的結(jié)構(gòu)與制作。
[0027]如圖1所示，該傳感器是通過將光纖1端面研磨加工，將光纖纖忍3分裂成兩部 分，第一部分纖忍磨平形成反射面5,第二部分纖忍磨成45°角構(gòu)成反射面6,光纖壁反射 面4,從而形成一個微型邁克爾遜干設(shè)儀。制作過程為：首先如圖2所示固定光纖插忍10到 卡槽，調(diào)整研磨角度為45° ;轉(zhuǎn)盤11上首先貼9ym光纖研磨紙12,設(shè)置轉(zhuǎn)盤11轉(zhuǎn)速為150 轉(zhuǎn)/分鐘