[发明专利]光纤温度传感器及传感头结构

说明书

本发明提供了一种光纤温度传感器、传感头结构及制备方法。光纤温度传感器包括宽谱光源、第一光纤耦合器、光谱仪、第一传感干涉计以及第二传感干涉计；其中，所述第一传感干涉计与所述第二传感干涉计具有相反的温度响应；所述第一传感干涉计对应的第一自由光谱范围与所述第二传感干涉计对应的第二自由光谱范围接近但不相等。在本发明的上述技术中，采用对温度均敏感的两个传感干涉计，且这两个传感干涉计对温度的响应是相反的，从而实现了增强型游标效应，相比现有技术提高了温度测量灵敏度。

技术领域

本发明的实施方式涉及光纤传感领域，更具体地，本发明的实施方式涉及一种光纤温度传感器、传感头结构及制备方法。

背景技术

温度作为国际单位制七个基本物理量之一，在国民经济、国防建设和科学研究等领域中温度的准确测量具有举足轻重的作用。随着温度传感应用需求的提高，传统的温度传感器已经无法满足高精度的测量要求。光纤温度传感器具有尺寸小、测量精度高、灵敏度高、抗电磁干扰强、电绝缘性好、温度范围大等诸多优点，在温度测量方面有着自身独特的优势。

发明内容

在本上下文中，本发明的实施方式期望提供一种光纤温度传感器、传感头结构及制备方法，以进一步提高光纤温度传感器的温度测量灵敏度。

在本发明实施方式的第一方面中，提供了一种光纤温度传感器，所述光纤温度传感器包括宽谱光源、第一光纤耦合器、光谱仪、第一传感干涉计以及第二传感干涉计；其中，所述第一传感干涉计与所述第二传感干涉计具有相反的温度响应；所述第一传感干涉计对应的第一自由光谱范围与所述第二传感干涉计对应的第二自由光谱范围接近但不相等。

进一步地，根据权利要求1所述的光纤温度传感器，所述第一传感干涉计包括由第二光纤耦合器和偏振光纤构成的萨格纳克(Sagnac)干涉计；所述第二传感干涉计包括由单模光纤和聚二甲基硅氧烷(PDMS)腔连接而成的F-P干涉计。

进一步地，还包括光纤隔离器和衰减器；所述宽谱光源输出的入射光依次经所述光纤隔离器和所述第一光纤耦合器后分为两路，其中一路进入所述Sagnac干涉计，另一路经所述衰减器进入所述F-P干涉计，通过所述光谱仪获得由所述Sagnac干涉计返回的干涉谱与由所述F-P干涉计返回的干涉谱的叠加结果；所述第二光纤耦合器的第一端连接至所述第一光纤耦合器，所述偏振光纤连接于所述第二光纤耦合器的第二端和第三端之间，进入所述Sagnac干涉计的入射光在所述偏振光纤内分为偏振方向相互垂直的两束光束，经所述偏振光纤后两光束之间发生干涉，得到的干涉光从第二光纤耦合器的第一端输出后再经第一光纤耦合器而被光谱仪接收；进入所述F-P干涉计的入射光的一部分光被所述单模光纤与所述PDMS腔的界面处反射回所述单模光纤，另一部分光透射进入所述PDMS腔后被所述PDMS腔与空气的界面处部分反射回所述单模光纤后，与被所述单模光纤与所述PDMS腔的界面处反射回所述单模光纤的所述一部分光干涉；其中，所述偏振光纤的长度与所述PDMS腔的轴向长度被设置成：使得所述Sagnac干涉计的第一自由光谱范围与所述F-P干涉计的第二自由光谱范围接近但不相等。

进一步地，所述光纤温度传感器的温度灵敏度S₁₂如下：

其中，

M为常规游标效应的放大因子；S₁表示Sagnac干涉计的温度灵敏度，其中，B表示双折射系数，ΔB表示温度升高1℃时偏振光纤折射率的变化量，ΔB0；S₂表示F-P干涉计的温度灵敏度，其中，α表示PDMS的热光系数，λ_m表示干涉谱峰值波长，n表示PDMS的折射率，β为PDMS的热膨胀系数。

进一步地，所述PDMS腔为填充有PDMS的石英管或填充有PDMS的空芯光纤。

进一步地，所述单模光纤的一端连接所述衰减器，所述单模光纤的另一端与石英管或空芯光纤的一端熔接。