一种光纤探头、温度传感器及光纤探头制备方法
阅读说明：本技术 一种光纤探头、温度传感器及光纤探头制备方法 (Optical fiber probe, temperature sensor and preparation method of optical fiber probe ) 是由 刘盛春 邹佳航 刘子耕 薛玉新 曹国昕 王立平 于 2021-08-16 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种光纤探头、温度传感器及光纤探头制备方法,其中,光纤探头包括：单模光纤和干涉结构；干涉结构设置于单模光纤的一端；干涉结构的材料为碳化硅；干涉结构的折射率随被测温度场的温度变化而变化；干涉结构的第一端面和干涉结构的第二端面形成法布里珀罗谐振腔；干涉结构的第一端面用于对经单模光纤传输的光信号进行一次反射,得到一次反射后的光信号；干涉结构的第二端面用于对经第一端面透射进入干涉结构的光信号进行二次反射,得到二次反射后的光信号；一次反射后的光信号和二次反射后的光信号在单模光纤中发生干涉。本发明能够应用于温度场快速变化的场景,具有灵敏度高、响应速度快、分辨率高的优点。(The invention provides an optical fiber probe, a temperature sensor and a preparation method of the optical fiber probe, wherein the optical fiber probe comprises the following components: single mode optical fibers and interference structures; the interference structure is arranged at one end of the single-mode optical fiber; the material of the interference structure is silicon carbide; the refractive index of the interference structure changes with the temperature change of the measured temperature field; the first end face of the interference structure and the second end face of the interference structure form a Fabry-Perot resonant cavity; the first end face of the interference structure is used for carrying out primary reflection on an optical signal transmitted by the single-mode optical fiber to obtain an optical signal after primary reflection; the second end face of the interference structure is used for carrying out secondary reflection on the optical signal which is transmitted into the interference structure through the first end face to obtain an optical signal after secondary reflection; the optical signal after the first reflection and the optical signal after the second reflection interfere in the single mode fiber. The invention can be applied to the scene with the rapid change of the temperature field and has the advantages of high sensitivity, high response speed and high resolution.)
技术领域
本发明涉及温度测量技术领域，特别是涉及一种光纤探头、温度传感器及光纤探头制备方法。
背景技术
光纤温度传感器因体积小、质量轻、抗电磁干扰等优势受到广泛的关注。最广泛使用的光纤光栅型温度传感器由于光纤材料限制，其灵敏度较低且响应速度较慢，只能被用于温度场慢变化的应用场景；此外，光纤光栅结构体积较大，长度通常在0.5-2mm之间，限制了其温度空间分辨能力。
因此，亟需一种灵敏度高、响应速度快的温度测量装置，以适应温度场快速变化的场景。
发明内容
本发明的目的是提供一种光纤探头、温度传感器及光纤探头制备方法，能够应用于温度场快速变化的场景，具有灵敏度高、响应速度快、分辨率高的优点。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种光纤探头，包括：
单模光纤和干涉结构；
所述干涉结构为柱状结构；所述干涉结构设置于所述单模光纤的一端；所述单模光纤和所述干涉结构均设置于被测温度场中；所述干涉结构的材料为碳化硅；所述干涉结构的折射率随所述被测温度场的温度变化而变化；
所述干涉结构的第一端面和所述干涉结构的第二端面形成法布里珀罗谐振腔；所述干涉结构的第一端面用于对经所述单模光纤传输的光信号进行一次反射，得到一次反射后的光信号；
所述干涉结构的第二端面用于对经所述第一端面透射进入所述干涉结构的光信号进行二次反射，得到二次反射后的光信号；
所述一次反射后的光信号和所述二次反射后的光信号在所述单模光纤中发生干涉。
可选的，所述干涉结构为圆柱状结构。
可选的，
所述干涉结构的长度范围为1-500μm；
所述第一端面和所述第二端面的直径均大于10μm。
可选的，所述单模光纤，具体包括：
单模光纤纤芯和单模光纤包层；
所述单模光纤包层包覆于单模光纤纤芯外。
一种温度传感器，包括：
光源、光纤环形器、光谱仪和上述的光纤探头；
所述光源、所述光纤探头的单模光纤中未设置有干涉结构的一端和所述光谱仪分别通过传输光纤与所述光纤环形器的第一端口、第二端口和第三端口连接；
所述光纤环形器用于将所述光源输出的光信号传输至所述光纤探头；
所述光纤探头设置于被测温度场中；所述光纤探头用于对所述光源输出的光信号进行两次反射，使两次反射后的光信号发生干涉，得到干涉后的光信号；
所述光纤环形器用于将所述干涉后的光信号传输至所述光谱仪；
所述光谱仪用于生成所述干涉的光信号的光谱图；所述光谱图用于分析所述被测温度场的温度变化。
可选的，所述温度传感器，还包括：
光纤夹；
所述光纤夹用于固定所述传输光纤。
一种光纤探头制备方法，包括：
将单模光纤的一端进行去涂覆层处理；
对所述单模光纤中去涂覆层处理的一端进行端面切割，并在端面处涂覆紫外固化胶；
通过光纤环形器将单模光纤的另一端分别与光源和光谱仪连接；
开启所述光源，在光学显微镜下，利用光纤夹移动所述单模光纤，使单模光纤的端面与干涉结构的第一端面接触，在所述光谱仪上出现干涉光谱时，对所述紫外固化胶进行固化处理，得到光纤探头。
可选的，所述去涂覆层处理的单模光纤长度为1.5cm。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种光纤探头、温度传感器及光纤探头制备方法，其中，光纤探头包括：单模光纤和干涉结构；干涉结构为柱状结构；干涉结构设置于单模光纤的一端；单模光纤和干涉结构均设置于被测温度场中；干涉结构的材料为碳化硅；干涉结构的折射率随被测温度场的温度变化而变化，干涉光信号随着折射率的变化而变化；干涉结构的第一端面和干涉结构的第二端面形成法布里珀罗谐振腔；干涉结构的第一端面用于对经单模光纤传输的光信号进行一次反射，得到一次反射后的光信号；干涉结构的第二端面用于对经第一端面透射进入干涉结构的光信号进行二次反射，得到二次反射后的光信号；一次反射后的光信号和二次反射后的光信号在单模光纤中发生干涉。本发明通过设置干涉结构对光信号进行两次反射，进而形成干涉，能够应用于温度场快速变化的场景，具有灵敏度高、响应速度快、分辨率高的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中光纤探头的结构示意图；
图2为本发明实施例中温度传感器的结构示意图；
图3为本发明实施例中光纤探头制备方法工艺示意图；
图4为本发明实施例中光纤探头制备方法流程图；
附图说明
：1-1单模光纤包层；1-2-单模光纤纤芯；1-3第一端面；1-4第二端面；2-1光源；2-2光纤环形器；2-3光纤夹；2-4被测温度场；2-5光纤探头；2-6光谱仪；1第一端口；2第二端口；3第三端口。具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种光纤探头、温度传感器及光纤探头制备方法，能够应用于温度场快速变化的场景，具有灵敏度高、响应速度快、分辨率高的优点。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例中光纤探头的结构示意图，如图1所示，本发明提供了一种光纤探头，包括：
单模光纤和干涉结构；
干涉结构为柱状结构；干涉结构设置于单模光纤的一端；单模光纤和干涉结构均设置于被测温度场中；干涉结构的材料为碳化硅；干涉结构的折射率随被测温度场的温度变化而变化；
干涉结构的第一端面1-3和干涉结构的第二端面1-4形成法布里珀罗谐振腔；干涉结构的第一端面用于对经单模光纤传输的光信号进行一次反射，得到一次反射后的光信号；
干涉结构的第二端面用于对经第一端面透射进入干涉结构的光信号进行二次反射，得到二次反射后的光信号；
一次反射后的光信号和二次反射后的光信号在单模光纤中发生干涉。
其中，干涉结构为圆柱状结构。干涉结构的长度范围为1-500μm；第一端面和第二端面的直径均大于10μm。
具体的，单模光纤，具体包括：
单模光纤纤芯1-2和单模光纤包层1-1；
单模光纤包层包覆于单模光纤纤芯外。
图2为本发明实施例中温度传感器的结构示意图，如图2所示，本发明还提供了一种温度传感器，包括：
光源2-1、光纤环形器2-2、光谱仪2-6和光纤探头2-5；
光源、光纤探头的单模光纤中未设置有干涉结构的一端和光谱仪分别通过传输光纤与光纤环形器的第一端口1、第二端口2和第三端口3连接；
光纤环形器用于将光源输出的光信号传输至光纤探头；
光纤探头设置于被测温度场2-4中；光纤探头用于对光源输出的光信号进行两次反射，使两次反射后的光信号发生干涉，得到干涉后的光信号；
光纤环形器用于将干涉后的光信号传输至光谱仪；
光谱仪用于生成干涉的光信号的光谱图；光谱图用于分析被测温度场的温度变化。
此外，本发明提供的温度传感器，还包括：
光纤夹2-3；
光纤夹用于固定传输光纤。
图4为本发明实施例中光纤探头制备方法流程图，如图4所示，本发明还提供了一种光纤探头制备方法，包括：
步骤401：将单模光纤的一端进行去涂覆层处理；
步骤402：对单模光纤中去涂覆层处理的一端进行端面切割，并在端面处涂覆紫外固化胶；
步骤403：通过光纤环形器将单模光纤的另一端分别与光源和光谱仪连接；
步骤404：开启光源，在光学显微镜下，利用光纤夹移动单模光纤，使单模光纤的端面与干涉结构的第一端面接触，在光谱仪上出现干涉光谱时，对紫外固化胶进行固化处理，得到光纤探头。
其中，去涂覆层处理的单模光纤长度为1.5cm。
为克服现有技术不足，本发明提供了一种光纤探头，在结构上，利用碳化硅柱(干涉结构)的两个端面作为两个平行平面反射镜，即平面平行腔，也称为法布里珀罗谐振腔，从而使反射的光能量可以重新耦合回单模纤芯，降低光能量传输损耗。材料上，选用碳化硅作为法布里珀罗谐振腔的材料，碳化硅具有较高的热光系数，约为6×10-5K-1，是二氧化硅材料热光系数的10倍以上，可以增加器件的灵敏度。由于入射光依次经过两个平行平面反射后，两束反射光之间具有一定的相位差，因此可以构成一个光纤干涉仪。
图3为本发明实施例中光纤探头制备方法工艺示意图，如图3所示，光纤探头的制备过程，具有如下几个工艺：
工艺(a)：取一段单模光纤，在光纤尾部去除涂覆层1.5cm。
工艺(b)：利用光纤切割刀进行尾部端面切割，保持光纤尾部端面整齐清洁。
工艺(c)：用工艺(b)中单模光纤尾部端面蘸取紫外固化胶。
工艺(d)：将工艺(c)中单模光纤与光源、光谱仪相连，在光学显微镜下，利用光纤夹具将单模光纤端面与碳化硅柱端面进行对准与接触，直至光谱仪出现清晰的干涉光谱；
工艺(e)：将上述传感结构放置在紫外灯下，对单模光纤与碳化硅微结构之间的紫外固化胶进行固化。就可以获得一个结构稳定的非本征光纤法布里珀罗温度传感探头如工艺(f)所示。
此外，本发明还可以通过调节碳化硅柱的尺寸来改变干涉光谱，实现不同动态范围的光谱追踪，进而可以扩大或缩小温度的测量范围。其中碳化硅柱的直径大于10μm，圆柱厚度为1-500μm。
本发明是采用光纤环形器对传感信号进行耦合。如图2所示，传输光纤由光纤夹来保持传感探头悬浮在水浴锅(被测温度场)内的水中。光源或光纤激光器发出的光信号从光纤环形第一端口经由第二端口进入由碳化硅柱。进入传感器的光，一部分光在碳化硅柱A表面(第一端面)发生反射，剩余的光透过碳化硅柱的A表面，进入碳化硅微腔中，与碳化硅柱B表面(第二端面)发生反射，两部分光在反射过程中发生干涉，干涉后的光信号通过光纤环形器第二端口经由第三端口进入光纤光谱仪进行信号解调，输出光谱中会出现干涉特征峰，通过水浴锅来改变水温，当被测温度发生变化时，碳化硅的有效折射率随之改变，从而导致干涉特征峰位置的移动。因此，通过监测特征峰的位置，就可以获得被测温度的变化，其透射光谱可以简单表述成两个模式相干涉的过程。
式中，I表示干涉后的光信号的光强；I1和I2分别为两束反射光的光强，δ是两束反射光之间的相位差，n为碳化硅柱的折射率，λ为典型传输波长，一般为1550nm，G为干涉结构的长度。
从上述分析可以看出，对于固定的干涉路径长度，干涉峰的位置取决于碳化硅柱的有效折射率。当被测温度发生变化时，会导致碳化硅柱的有效折射率发生变化，从而引起干涉特征峰位置的变化。因此，其可以实现温度的传感。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1)本发明的非本征光纤法布里珀罗温度传感探头制作工艺简单，结构简单，方便进行点式测量。
2)本发明采用碳化硅材料作为法布里珀罗谐振腔，因其光热系数较高，可以有效的提升传感灵敏度和分辨率。
3)本发明的传感探头体积小，且具有较高的热扩散系数，可以有效的提升传感器的响应速度。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。