一种强倏逝场干涉仪级联光反射器件的高灵敏温度传感器
阅读说明：本技术 一种强倏逝场干涉仪级联光反射器件的高灵敏温度传感器 (High-sensitivity temperature sensor of cascade light reflection device of interferometer with strong evanescent field ) 是由 郭东来 程曙 胡文彬 程乘 杨明红 于 2020-12-14 设计创作，主要内容包括：一种强倏逝场干涉仪级联光反射器件的高灵敏温度传感器,其包括外包裹层、干涉仪与光反射器件,所述干涉仪包括包层及其内设置的多根纤芯,所述干涉仪的一端与光源相连接,干涉仪的另一端与光反射器件相串联,包层的中部外包裹有外包裹层,该外包裹层为热光材料,外包裹层的外部包裹有毛细金属管,所述热光材料为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、氟化镁或聚氨酯。本设计不仅能监测环境的温度,灵敏度较高,而且便于解调,能实时在线监测。(A high-sensitivity temperature sensor of a cascade light reflection device of a strong evanescent field interferometer comprises an outer wrapping layer, an interferometer and a light reflection device, wherein the interferometer comprises a wrapping layer and a plurality of fiber cores arranged in the wrapping layer, one end of the interferometer is connected with a light source, the other end of the interferometer is connected with the light reflection device in series, the outer wrapping layer is wrapped outside the middle of the wrapping layer and is made of a thermo-optic material, a capillary metal tube is wrapped outside the outer wrapping layer, and the thermo-optic material is polydimethylsiloxane, polyimide, magnesium fluoride or polyurethane. The design can not only monitor the temperature of the environment, has higher sensitivity, but also is convenient for demodulation and can monitor on line in real time.)
技术领域
本发明涉及一种光纤温度传感器，属于光纤传感技术领域，也属于材料科学以及光电子技术的交叉领域，尤其涉及一种强倏逝场干涉仪级联光反射器件的高灵敏温度传感器。
背景技术
温度是表征物体冷热程度的物理量，它在工业自动化、家用电器、环境保护、安全生产和汽车工业等行业中都是基本的检测参数之一。特别是随着当今科学技术的高速发展，人们对环境温度测量精度的要求也越来越高。
目前广泛使用的电阻式、电偶式温度计常用于各种环境监测，同时还有一些其他技术监测环境温度的变化，包括晶体管温度传感器、微波温度传感器、电容温度传感器等，但是，以上技术都或多或少地存在以下缺点：抗电磁干扰能力较弱，体积较大、价格高昂等，而这些缺点势必会影响监测的精确度与灵敏度。
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本专利申请的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的灵敏度较低的缺陷与问题，提供一种灵敏度较高的强倏逝场干涉仪级联光反射器件的高灵敏温度传感器。
为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种强倏逝场干涉仪级联光反射器件的高灵敏温度传感器，其包括外包裹层、干涉仪与光反射器件，所述干涉仪包括包层及其内设置的多根纤芯；
所述干涉仪的一端与光源相连接，干涉仪的另一端与光反射器件相串联，干涉仪的中部外包裹有外包裹层，且该外包裹层为热光材料。
所述热光材料的热光系数绝对值大于3*104，折射率为1.38—1.43，表面张力为20.6—21.2mN/m。
所述热光材料为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、氟化镁或聚氨酯。
所述光反射器件的波段选择宽度为干涉仪的传感峰自由频谱宽度的1.1—1.6倍。
所述光反射器件的波段中心波长范围为干涉仪的传感峰的波长范围的1.2—2.0倍。
所述光反射器件为光纤布拉格光栅、宽带布拉格光栅或经表面修饰的纳米银反射膜。
所述干涉仪包括左光纤段、左锥形段、平直腰段、右锥形段与右光纤段，所述左光纤段的一端与光源相连接，左光纤段的另一端依次经左锥形段、平直腰段、右锥形段、右光纤段后与光反射器件相互串联；所述左光纤段、右光纤段的直径一致，所述平直腰段的直径为左光纤段的直径的1/10至1/20；
所述左光纤段上近左锥形段的部位、左锥形段、平直腰段、右锥形段、右光纤段上近右锥形段的部位的外部共同包裹有同一个外包裹层。
所述纤芯的数量为七根，包括一根中间芯与六根外围芯，所有的外围芯围绕中间芯以正六边形均匀分布。
所述纤芯的直径为9μm，相邻纤芯的间距为35μm，所述左光纤段、右光纤段的直径均为125μm，所述平直腰段的直径为6μm—15μm。
所述外包裹层的外部包裹有毛细金属管。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明一种强倏逝场干涉仪级联光反射器件的高灵敏温度传感器中，包括外包裹层、干涉仪与光反射器件，干涉仪包括包层及其内设置的多根纤芯，其中，干涉仪的一端与光源相连接，干涉仪的另一端与光反射器件相串联，干涉仪的中部外包裹有外包裹层（即热光材料），应用时，光源发出的入射光经过干涉仪产生干涉光谱，该干涉光谱经光反射器件后，干涉光谱中的传感峰会被反射回干涉仪中，该设计的优点如下：
首先，外部环境的温度变化会引起热光材料的折射率发生相应的线性变化，而热光材料的折射率变化又会导致干涉仪产生的干涉光谱的波长发生漂移，从而在外部环境温度、干涉光谱的波长之间构建一种线性关系，进而克服干涉仪温度敏感度较低的缺陷，实现增敏；其次，当干涉光谱第一次产生时，能得到热光材料的增敏，而当干涉光谱中的传感峰被反射回干涉仪中后，会再次得到热光材料的增敏，传感峰强度将会被大大增加，能较大幅度的提高灵敏度。因此，本发明不仅能监测环境的温度，而且灵敏度较高。
2、本发明一种强倏逝场干涉仪级联光反射器件的高灵敏温度传感器中，当干涉光谱中的传感峰被反射回干涉仪中后，由于热光材料的增敏，传感峰强度将会被大大增加，非常利于后续对传感峰的解调，便于实现即时的在线监测。因此，本发明便于解调，能实时在线监测。
3、本发明一种强倏逝场干涉仪级联光反射器件的高灵敏温度传感器中，在外包裹层的外部包裹有毛细金属管，应用时，毛细金属管不仅能够对外包裹层（即热光材料）进行保护封装，克服热光材料柔性的缺点，而且可减少响应时间以及避免震动或压强对传感产生的干扰，有利于实现在线实时高精度解调。因此，本发明不仅便于封装固定，而且抗干扰能力较强，利于实现高精度监测。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1的横向剖视图。
图3是图1中干涉仪的结构示意图。
图4是图3的横向剖视图。
图5是本发明的应用示意图。
图6是本发明中实施例1的温度敏感对比示意图。
图中：外包裹层1、干涉仪2、包层21、纤芯22、中间芯221、外围芯222、左光纤段23、左锥形段24、平直腰段25、右锥形段26、右光纤段27、光反射器件3、毛细金属管4、光源5、封端套头6、热光材料灌注窗口7、解调仪8。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1—图5，一种强倏逝场干涉仪级联光反射器件的高灵敏温度传感器，其包括外包裹层1、干涉仪2与光反射器件3，所述干涉仪2包括包层21及其内设置的多根纤芯22；
所述干涉仪2的一端与光源5相连接，干涉仪2的另一端与光反射器件3相串联，包层21的中部外包裹有外包裹层1，且该外包裹层1为热光材料。
所述热光材料的热光系数绝对值大于3*104，折射率为1.38—1.43，表面张力为20.6—21.2mN/m。
所述热光材料为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、氟化镁或聚氨酯。
所述光反射器件3的波段选择宽度为干涉仪2的传感峰自由频谱宽度的1.1—1.6倍。
所述光反射器件3的波段中心波长范围为干涉仪2的传感峰的波长范围的1.2—2.0倍。
所述光反射器件3为光纤布拉格光栅、宽带布拉格光栅或经表面修饰的纳米银反射膜。
所述干涉仪2包括左光纤段23、左锥形段24、平直腰段25、右锥形段26与右光纤段27，所述左光纤段23的一端与光源5相连接，左光纤段23的另一端依次经左锥形段24、平直腰段25、右锥形段26、右光纤段27后与光反射器件3相互串联；所述左光纤段23、右光纤段27的直径一致，所述平直腰段25的直径为左光纤段23的直径的1/10至1/20；
所述左光纤段23上近左锥形段24的部位、左锥形段24、平直腰段25、右锥形段26、右光纤段27上近右锥形段26的部位的外部共同包裹有同一个外包裹层1。
所述纤芯22的数量为七根，包括一根中间芯221与六根外围芯222，所有的外围芯222围绕中间芯221以正六边形均匀分布。
所述纤芯22的直径为9μm，相邻纤芯22的间距为35μm，所述左光纤段23、右光纤段27的直径均为125μm，所述平直腰段25的直径为6μm—15μm。
所述外包裹层1的外部包裹有毛细金属管4。
本发明的原理说明如下：
本发明中对光纤进行加热熔融拉锥处理成微纳尺寸，以使光纤表面形成倏逝场（包括左锥形段24、平直腰段25、右锥形段26，尤其在平直腰段25的表面形成强倏逝场），从而得到干涉仪，然后，再使干涉仪与热光材料（即外包裹层）相接触，最后，用毛细金属管进行封装。
应用时，光穿过干涉仪时会产生干涉光谱，此时，外界温度或折射率发生改变都会引起干涉仪的有效折射率发生改变，导致干涉谱发生波长漂移，从而感应外界温度或折射率的变化。但由于二氧化硅的热光系数较小，干涉仪的温度敏感度较低，因此，本设计主要关注于外界折射率变化，为此，在干涉仪的外部包裹有热光材料，即关注热光材料折射率的变化与波长漂移之间的联系，而热光材料之外环境温度的变化又会引起热光材料折射率的线性变化，从而，在外界环境温度与波长漂移之间建立一种线性的对应联系。
本发明中优选热光材料折射率为1.3907-1.4125，所处温度为10-60摄氏度。
本发明中的光反射器件为波段选择性光反射器件。
实施例1：
参见图1—图5，一种强倏逝场干涉仪级联光反射器件的高灵敏温度传感器，其包括外包裹层1、干涉仪2、光反射器件3与毛细金属管4，所述干涉仪2包括包层21及其内设置的七根纤芯22（包括一根中间芯221与六根外围芯222，所有的外围芯222围绕中间芯221以正六边形均匀分布），所述干涉仪2包括左光纤段23、左锥形段24、平直腰段25、右锥形段26与右光纤段27，所述左光纤段23的一端与光源5相连接，左光纤段23的另一端依次经左锥形段24、平直腰段25、右锥形段26、右光纤段27后与光反射器件3相互串联；所述左光纤段23、右光纤段27的直径一致，所述平直腰段25的直径为左光纤段23的直径的1/10至1/20；所述左光纤段23上近左锥形段24的部位、左锥形段24、平直腰段25、右锥形段26、右光纤段27上近右锥形段26的部位的外部共同包裹有同一个外包裹层1，该外包裹层1为热光材料（本实施例中为聚二甲基硅氧烷）。
根据实验数据，上述高灵敏度温度传感器的灵敏度可达14338pm/℃，与裸光纤MZI相比，增加了500倍，精度最高可达0.001℃。
此外，请参见图6，该图为本实施例1的温度敏感对比示意图，由图可见，聚二甲基硅氧烷包裹之后，本传感器对温度的敏感性大幅增加。
实施例2：
基本内容同实施例1，不同之处在于：
热光材料选用氟化镁，干涉仪选用拉锥七芯光纤马赫-曾德尔干涉仪。
实施例3：
基本内容同实施例1，不同之处在于：
热光材料选用聚氨酯，干涉仪选用拉锥单模芯光纤马赫-曾德尔干涉仪。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
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