[发明专利]光纤薄膜光栅温度传感器

说明书

技术领域

本发明涉及温度传感器，进一步是指光纤薄膜光栅温度传感器。

背景技术

光纤光栅(FBG)利用掺锗光纤的紫外光敏性，通过紫外曝光(约240nm)导致纤芯折射率沿轴向周期性或非周期的永久性变化，在纤芯内形成空间相位光栅。除了在通信领域Bragg光纤光栅有着广泛的应用外，还可用作温度、压力传感器。相对于其他基于光强测量的方法，其探测信息被调制在反射波长中，这种传感最大优点是波长是绝对不变的参量，仅受环境的压力和温度的影响。

由于FBG的制作采用紫外曝光，受到掩模模板曝光步距(＞0.1μm)的限制，其反射波长仅局限在红外波段。同时紫外曝光形成的光栅传感器存在两种局限性：其一是温度范围有限，一般不能超过200℃，超过该温度后由紫外曝光损伤产生的折射率调制将消失；其次是目前宽带红外光源和红外光谱仪的价格远比可见光源和可见光谱仪昂贵。这些缺陷给该技术的普及应用带来了一定的局限性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的缺陷，提出一种光纤薄膜光栅温度传感器，它是将高、低折射率的介质多层膜交替沉积在光纤的端面上，实现无电接触型、反射中心波长在可见光波段的多层膜系光纤光栅微传感器，具有抗电磁干扰、动态范围大、灵敏度高和响应快的优点；由于无电接触，特别适合于检测易燃、易爆的气体，还可以实现远距离的遥测和在线实时监测，并且可以制成性价比高的小型化器件而适用于物体表面快速和小间隙场所的温度测量。

本发明的技术解决方案是，所述光纤薄膜光栅温度传感器由至少两层高折射率薄膜层和至少两层低折射率薄膜层交替沉积在光纤的端面上而组成。

以下对本发明做出进一步说明。

参见图1，本发明的光纤薄膜光栅温度传感器由至少两层高折射率薄膜层1和至少两层低折射率薄膜层2交替组成，即它由多层膜交替沉积在光纤的端面上而构成，所述高折射率薄膜层1可以是TiO₂膜层或Ta₂O₃、ZrO₂、CeO₂等高折射率材料膜层，所述低折射率薄膜层2可以是SiO₂膜层或TiO₂+SiO₂复合膜层、Al₂O₃、MgO₂等低折射率材料膜层。所成温度传感器的工作原理如图2所示。

TiO₂和SiO₂是可见光区常用的膜料，通过考察TiO₂/SiO₂组成的滤光片的光学稳定性与温度间的关系，结果表明利用光学薄膜的中心波长随温度漂移进行温度的测量具有可行性。本发明的反射波长在可见光波段(约452nm)，TiO₂/SiO₂薄膜滤光片的温度传感系数为0.017nm/℃。

本发明是基于光纤多层膜系光栅的分析而提出的。

FBG由掺锗光纤经紫外曝光形成折射率呈周期性分布的光栅结构。光纤光栅的折射率分布如图3所示，其中a为光栅区，b为非曝光区，则光栅周期为p＝a+b。A_i，A_i^*，r_i，t_i和n_i分别表示第i个界面正相波入射振幅，出射振幅，反射系数，透射系数和界面i前介质的折射率。S_i，S_i^*，r_i^*和t_i^*是相应的反向波参数。

由薄膜传输特性矩阵，可得