一种基于多芯光纤的温度传感器
阅读说明：本技术 一种基于多芯光纤的温度传感器 (Temperature sensor based on multicore optic fibre ) 是由 丁晖 乐春峡 陈宸 于 2020-11-06 设计创作，主要内容包括：一种基于多芯光纤的温度传感器,包括第一单模光纤、多芯光纤和第二单模光纤；宽带光源入射到第一单模光纤的一端,单模光纤的另一端通过熔接方式与多芯光纤的一端连接,多芯光纤的另一端通过熔接的方式与第二单模光纤的一端连接,第二单模光纤的另一端连接至光谱分析仪；所述的多芯光纤是指由于倏逝场耦合作用使各纤芯之间发生能量交换进而形成耦合光谱的微结构光纤,可通过对多芯通信光纤经高温熔融拉锥,或设计强耦合多芯光纤的光纤预制棒,再通过对光纤预制棒拉丝得到；本发明利用多芯光纤的耦合光谱会随温度变化发生漂移机理,通过光谱仪监测光谱漂移量进而实现对温度的测量；具有结构紧凑、制作工艺简单、传输损耗低、测量灵敏度高、测量范围宽等优点。(A temperature sensor based on a multi-core optical fiber comprises a first single-mode optical fiber, a multi-core optical fiber and a second single-mode optical fiber; the broadband light source is incident to one end of a first single-mode fiber, the other end of the single-mode fiber is connected with one end of a multi-core fiber in a fusion mode, the other end of the multi-core fiber is connected with one end of a second single-mode fiber in a fusion mode, and the other end of the second single-mode fiber is connected to the spectrum analyzer; the multicore fiber is a microstructure fiber which enables energy exchange among fiber cores due to evanescent field coupling effect to further form a coupling spectrum, and can be obtained by tapering the multicore communication fiber through high-temperature melting or designing an optical fiber preform of a strong coupling multicore fiber and then drawing the optical fiber preform; the invention utilizes the drift mechanism of the coupling spectrum of the multi-core fiber along with the temperature change, and monitors the spectrum drift amount through the spectrometer so as to realize the measurement of the temperature; the device has the advantages of compact structure, simple manufacturing process, low transmission loss, high measurement sensitivity, wide measurement range and the like.)
技术领域
本发明属于温度测量技术领域，具体涉及一种基于多芯光纤的温度传感器。
背景技术
温度测量技术在工农业生产，航空航天、国防科技、石油化工、电力工业等领域有着广泛而重要的应用。相较于传统的电学温度传感器，光纤温度传感器具有响应温度范围广、响应线性好、精度高、耐腐蚀、安全、抗电磁干扰等优点。目前光纤测温系统主要包括光纤光栅测温系统、基于法布里-珀罗(F-P)腔的光纤测温系统、分布式光纤测温系统等。
光纤光栅测温系统在测温领域有着广泛的应用，普通的布拉格光纤光栅是利用光纤的光敏特性，通过紫外写入法在光纤上形成光栅而制成，利用光栅受温度调制波长发生变化的原理，通过解析波长变化信息获得温度信息。光纤光栅长期处于高温状态下会发生退敏，使其测量可靠性受到影响。
基于F-P腔的光纤测温系统是利用光在F-P腔内多次反射产生干涉光谱。当环境温度变化时，光谱中的干涉波长会发生变化，通过检测波长变化可以获得被测温度信息。此类型的温度传感器受限于F-P腔的制作工艺，插入损耗高，F-P腔端面反射率低。
分布式光纤测温系统是利用光纤将温度对光纤内传输的光波参量进行调制，并对调制过的光波信号进行解调检测，从而获得待测温度的一种技术方案。分布式光纤测温系统的测量原理主要是依据光纤的时域反射理论合光纤的后向拉曼散射温度效应。整个测温系统包括泵浦脉冲激光光源、触发模块、波分复用器、传感光纤、光信号接收放大模块、数据处理器等组成，并需要专门的解调算法和处理函数。解调系统较为复杂，同时测量结果的稳定性以及如何抑制应力对温度测量结果的影响始终是困扰分布式光纤测温系统实际应用的难点。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于多芯光纤的温度传感器，具有结构紧凑，制作工艺简单，测量灵敏度高，且测量范围宽的特点。
为达到上述目的，本发明采用的方案是：
一种基于多芯光纤的温度传感器，包括第一单模光纤2、多芯光纤3和第二单模光纤4；宽带光源1入射到第一单模光纤2一端，单模光纤2的另一端通过熔接方式与多芯光纤3的一端连接，多芯光纤3的另一端通过熔接的方式与第二单模光纤4的一端连接，第二单模光纤4的另一端连接至光谱分析仪5。
所述的多芯光纤3是指由于倏逝场耦合使相邻纤芯之间发生能量交换进而形成耦合光谱的微结构光纤，通过以下两种方式之一获得：
(1)经高温熔融拉锥得到两边是锥区3-1、3-3，中部为纤腰区3-2的多芯光纤3；
(2)通过对光纤预制棒拉丝得到芯间距为9μm～12μm的强耦合多芯光纤，相邻纤芯之间能发生强的倏逝场耦合。
所述的多芯光纤3经高温熔融拉锥得到时，纤芯之间的芯间距为30μm～42μm，相邻纤芯之间不发生倏逝场耦合。
所述的多芯光纤3包括7芯光纤、5芯光纤、9芯光纤、19芯光纤。
所述的多芯光纤3为7芯光纤，包层内含7个同质纤芯，一个纤芯位于光纤中央，周围六个边芯围绕中央纤芯呈正六边芯分布，相邻纤芯芯间距为d＝30μm～42μm，纤芯半径a＝4.2μm，包层半径为r＝62.5μm，包层采用纯二氧化硅材料，芯包层的折射率差为Δn＝0.0053。
本发明的优点：
1、宽带光源1发出的光信号经第一单模光纤注入温度传感器，由于多芯光纤各纤芯之间的倏逝场耦合，经第二单模光纤输出周期性的耦合光谱，由光谱分析仪检测；当环境温度发生改变时，由于热光效应，引起多芯光纤的芯包层折射率的改变，光谱仪所检测到的耦合光谱发生漂移，通过对耦合光谱的漂移量进行检测实现对环境温度的测量。
2、由于多芯光纤3具有和普通单模光纤相同的芯包层尺寸；包层采用纯二氧化硅材料、纤芯采用与普通单模光纤相同的材料。相同的结构参数可使多芯耦合光纤与单模光纤连接时模场良好匹配，降低连接损耗。
附图说明
图1是基于多芯光纤的温度测量系统的结构示意图。
图2是多芯光纤3的横截面示意图。
图3是熔融多芯光纤3的芯间耦合系数随纤芯半径减小变化曲线。
图4是本发明中基于熔融多芯光纤的温度传感器的结构示意图。
图5是基于熔融多芯光纤的温度传感器在不同环境温度下的耦合谱图。
图6是基于熔融多芯光纤的温度传感器耦合波长随温度变化曲线图。
图7是强耦合的多芯光纤预制棒的结构示意图。
图8是强耦合多芯光纤的横截面示意图。
图9是本发明中基于强耦合多芯光纤的温度传感器的结构示意图。
图10是基于强耦合多芯光纤的温度传感器在不同环境温度下的耦合谱图。
图11是基于强耦合多芯光纤的温度传感器耦合波长随温度变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细叙述。
图1所示是基于本发明温度传感器的温度测量系统，图1中所涉及到的一种基于多芯光纤的温度传感器，包括第一单模光纤2、多芯光纤3和第二单模光纤4；宽带光源1入射到第一单模光纤2的一端，单模光纤2的另一端通过熔接方式与多芯光纤3的一端连接，多芯光纤3的另一端通过熔接的方式与第二单模光纤4的一端连接，第二单模光纤4的另一端连接至光谱分析仪5。
所述的多芯光纤3是指由于倏逝场耦合使相邻纤芯之间发生能量交换进而形成耦合光谱的微结构光纤，通过以下两种方式之一获得：
(1)经高温熔融拉锥得到两边是锥区3-1、3-3，中部为纤腰区3-2的多芯光纤3；多芯光纤3的芯间距通常较大，可有效避免传输程中的信号串扰，保障通信的私密性，各纤芯之间几乎不发生能量耦合。在对多芯光纤进行熔融拉锥后，各纤芯的半径及相应的芯间距同比例减小。当多芯光纤的直径达到微纳级别时，各纤芯周围的倏逝场急剧增强，纤芯之间的能量耦合状态发生改变，能产生强的芯间耦合，纤芯对光场的束缚能力变弱，相邻纤芯之间的倏逝场发生重叠，芯间耦合系数急剧增大，其变化曲线如图3所示。曲线中对应的多芯光纤未拉锥前芯间距为38μm，随着拉锥后多芯光纤腰区直径的减小，芯间耦合作用在增强。
如图4所示，经高温熔融拉锥得到两边是锥区3-1、3-3，中部为纤腰区3-2的多芯光纤3；截取多芯光纤长度为1cm左右，为实现紧凑型传感器结构，多芯光纤的截取长度0.5cm～2cm，考虑到光纤拉锥机火头的加热区范围，优选采用1cm。在拉锥过程中，需要通过光谱仪对输出耦合光谱进行实时监测，以控制多芯光纤的传输长度和腰区直径。当传输光谱显示损耗较低，且光谱特征达到期望值时停止拉锥，以保证多芯光纤具备最佳传输长度和腰区直径。多芯光纤拉锥后腰区直径为14.3μm，对应纤芯直径为a＝0.48μm，芯间距d＝1.26μm。
(2)通过对光纤预制棒拉丝得到芯间距为9μm～12μm的强耦合多芯光纤，相邻纤芯之间能发生强的倏逝场耦合；在设计多芯光纤的光纤预制棒时，若相邻芯棒间距很小，对光纤预制棒拉丝后可得芯间距极小的多芯光纤。各纤芯周围的倏逝场相互重叠产生强的芯间耦合作用。如图7所示，预制棒是由石英套管6、含有芯层7的芯棒8、纯石英棒9组装而成。组装前对组装材料进行蚀刻抛光，尽可能地去除表面杂质和缺陷。然后将7根芯棒按照设计的排列方式放入石英套管中，空隙中填入纯石英棒。预制棒组装完成后芯棒和包层材料之间有一定的空隙，因此，无法像对待常规光纤预制棒那样直接进行拉丝，必须在拉丝之前抽出预制棒空隙中的多余空气。将组装好的光纤预制棒放于拉丝炉内在2300℃下进行拉制。所设计强耦合型多芯光纤的截面如图8所示，相邻纤芯芯间距为d＝8μm～12μm。如图9所示。传感器由第一单模光纤2、强耦合多芯光纤3、第二单模光纤4熔接形成。其中多芯光纤的长度为2cm～4cm，形成的传感器结构紧凑。
所述的多芯光纤3经高温熔融拉锥得到时，纤芯之间的芯间距为30μm～42μm，相邻纤芯之间不发生倏逝场耦合；
所述的多芯光纤3包括7芯光纤，同样的工作原理适用于具有类似结构的5芯光纤、9芯光纤、19芯光纤。
所使用的多芯光纤3的结构如图2所示，光纤包层内含7个同质纤芯，一个纤芯位于光纤中央，周围六个边芯围绕中央纤芯呈正六边芯分布。相邻纤芯芯间距为d＝30μm～42μm，纤芯半径a＝4.2μm，包层半径为r＝62.5μm。包层采用纯二氧化硅材料，芯包层的折射率差为Δn＝0.0053。
本发明的工作原理：
以7芯光纤为例，7芯光纤在同一包层内包含7个同质纤芯，1个纤芯位于包层中央，其余6个边芯围绕中央纤芯呈正六边形分布；宽带光源光经单模光纤耦合注入多芯光纤的中央纤芯。
进一步的，中央纤芯的光功率利用倏逝场耦合作用与周围边芯相互耦合，反映耦合作用强弱的芯间耦合系数为：
其中，a为纤芯的半径，d相邻纤芯的芯间距，nco和ncl分别为多芯光纤芯包层的折射率，λ为工作波长；K1、K2分别为1阶和2阶修正第二类Bessesl函数；为光纤的归一化频率，k0＝2π/λ为真空中的波数；U、W分别为纤芯和包层中模场的归一化横向传播常数。据上述公式可知，当纤芯半径、芯间距、芯包层折射率发生改变时，多芯光纤的芯间耦合系数随之变化。此时，7芯光纤中央纤芯的输出光功率为：
其中，z为多芯光纤传输长度。据上述公式可知，在光纤结构参数(纤芯半径、芯间距、芯包层折射率)不变的情况下，多芯光纤中央纤芯会输出周期性耦合光谱。当中央纤芯和边芯之间发生完全的能量耦合时，7个纤芯功率相等，此时传输光谱取得功率极小值的传输长度为：
据上式可知，在出现功率极小值的波长λm，(也称为耦合波长)处，芯间耦合系数越大，发生能量耦合需要的光纤传输长度越短，越利于形成紧凑的传感器结构。
根据热光效应，多芯光纤芯包层的折射率nco和ncl随温度的变化而有所改变，纤芯和包层的折射率可表示为：
其中，T为环境温度，ξcl和ξco分别为多芯光纤包层和纤芯的热光系数，B1和B2为积分常数。
当环境温度改变时，多芯光纤芯间耦合系数K随之变化，故耦合光谱出现漂移。
进一步的，通过光谱仪对传感器输出耦合光谱的漂移量进行检测，即可实现对环境温度的传感。
通过光谱仪对传感器输出耦合光谱进行监测，以实现温度测量。不同环境温度下传感器的耦合谱图如图5所示。可清楚的看到，随着环境温度的升高，耦合光谱发生红移。通过对耦合谱图漂移量的测量，可以实现对温度的测量，其耦合波长随温度变化曲线如图6所示。在20℃～320℃的温度范围内，传感器具有较高的波长温度响应灵敏度，约为20.05pm/℃。
不同环境温度下温度传感器的耦合谱图如图10所示，截取芯间距d＝11μm的多芯光纤3.12cm时，可清楚的看到，随着环境温度的升高，耦合光谱发生红移。通过对耦合谱图漂移量的测量，可以实现对温度的测量，其耦合波长随温度变化曲线如图11所示。温度传感器在20℃～400℃范围内波长温度灵敏度约为21pm/℃。