CN110411603A - 一种利用折线型锥形多模光纤级联无芯光纤结构测量温度的方法 - Google Patents
一种利用折线型锥形多模光纤级联无芯光纤结构测量温度的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110411603A CN110411603A CN201910817038.0A CN201910817038A CN110411603A CN 110411603 A CN110411603 A CN 110411603A CN 201910817038 A CN201910817038 A CN 201910817038A CN 110411603 A CN110411603 A CN 110411603A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- temperature
- fiber
- optical fiber
- broken
- cascaded
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 title abstract description 19
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 claims abstract description 14
- 238000000411 transmission spectrum Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 47
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 14
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 10
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 7
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 4
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 3
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000012271 agricultural production Methods 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000003712 anti-aging effect Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000012792 core layer Substances 0.000 description 1
- 239000002657 fibrous material Substances 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 1
- 238000012417 linear regression Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
- G01K11/32—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
Abstract
本发明公开了一种利用折线型锥形多模光纤级联无芯光纤结构测量温度的方法，具体测量温度过程为：折线型锥形多模光纤级联无芯光纤作为传感头放置在温控箱内，然后将温控箱从20℃增加到90℃，步长温度为10℃，最终得到传输光谱的波长的变化与温度的对应线性关系并依据该对应线性关系实现温度的测量。本发明的测温传感器具有较高的灵敏度，能够在较宽的温度范围内精确测量周围温度微小的变化；本发明测量过程简化，方便迅速，可在生物、化学传感领域进行实时监测和检测。
Description
技术领域
本发明属于光纤光谱传感技术领域，具体涉及一种利用折线型锥形多模光纤级联无芯光纤结构测量温度的方法。
背景技术
温度是表征物体冷热程度的物理量，是工农业生产过程中一个很重要而普遍的测量参数。温度的测量及控制对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展起到非常重要的作用。由于温度测量的普遍性，温度传感器的数量在各种传感器中居首位，约占50％。近年来，光纤传感器由于其独特优势包括结构紧凑、高分辨率检测、抗老化能力和固有的抗干扰能力等，已经吸引了国内外研究人员的广泛关注。在各种各样的光纤温度传感器中，基于马赫曾德干涉仪的传感器由于结构简单、重复性好、制备成本低而受到广泛关注，通过观测传输光谱波长的变化可以实现各种物理量的传感。基于马赫曾德干涉仪的光谱传感技术对工业技术发展及科学研究起着非常重要的作用，它的优点及潜力吸引着许多研究人员进行开发性研究。目前基于马赫曾德干涉仪的光纤温度传感器的研究已取得多项研究成果，但也存在许多亟待解决的问题。比如，现有的利用马赫曾德干涉仪测量温度的结构普遍对光源、光纤的性能要求严格、光路复杂等，更重要的是目前大多数光纤温度传感器灵敏度不高，对比度低。因此本发明提出了一种利用折线型锥形多模光纤级联无芯光纤结构测量温度的方法。
发明内容
本发明为解决基于马赫曾德干涉仪光纤光谱温度传感系统的稳定性差、灵敏度和分辨率低等问题，而提供了一种利用折线型锥形多模光纤级联无芯光纤结构测量温度的方法，该方法通过分析、研究不同温度对折线型锥形多模光纤级联无芯光纤结构透射光谱干涉峰波长的影响来实现温度的测量。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种利用折线型锥形多模光纤级联无芯光纤结构测量温度的方法，其特征在于主要由半导体光放大器、折线型锥形多模光纤、无芯光纤和光谱分析仪构成温度测量系统，其中从半导体光放大器发出的波长范围为1200-1700nm的宽带光依次通过输入单模光纤、折线型锥形多模光纤级联无芯光纤和输出单模光纤传输至光谱分析仪上，具体测量温度过程为：折线型锥形多模光纤级联无芯光纤作为传感头放置在温控箱内，然后将温控箱从20℃增加到90℃，步长温度为10℃，最终得到传输光谱的波长的变化与温度的对应线性关系并依据该对应线性关系实现温度的测量。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
(1)本发明的测温传感器是由复合干涉组成，其中包括多模干涉仪和马赫曾德干涉仪，增强了模态干涉。
(2)本发明的测温传感器具有较高的灵敏度，能够在较宽的温度范围内精确测量周围温度微小的变化。
(3)本发明测量过程简化，方便迅速，可在生物、化学传感领域进行实时监测和检测。
附图说明
图1是本发明中折线型锥形多模光纤级联无芯光纤的结构示意图。
图2是本发明测温系统的光路原理图；
图3是透射光谱随着温度增加的变化曲线；
图4是干涉峰A和干涉峰B波长变化与温度的线性拟合。
图中：1-半导体光放大器，2-输入单模光纤，3-折线型锥形多模光纤级联无芯光纤，4-输出单模光纤，5-光谱分析仪。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。
(1)折线型锥形多模光纤级联无芯光纤结构温度测量系统
由半导体光放大器1、输入单模光纤2、折线型锥形多模光纤级联无芯光纤3、输出单模光纤4和光谱分析仪5构成光纤温度测量系统。
(2)温度的测量
宽带光(波长范围从1200nm到1700nm)从半导体光放大器出来依次通过输入单模光纤以及折线型锥形多模光纤级联无芯光纤，最后经过输出单模光纤传输至光谱分析仪上。折线型锥形多模光纤级联无芯光纤作为传感头放置在温控箱内，然后将温控箱从20℃增加到90℃，步长温度为10℃。最终得到传输光谱的波长的变化与温度的对应线性关系并依据该对应线性关系实现温度的测量。温度测量系统的光路原理图如图2所示。
(3)测量原理
观察光谱分析仪传输光谱的同时，对输出的信号进行数据采集、存储并处理。利用同一个传感头，改变其周围温度得到不同的传输光谱，记录传输光谱的波长的变化与被测温度的对应线性关系并依据该对应线性关系实现温度的测量。
光干涉的整个过程分为两个步骤。光源发出的光最初以基本模式(LP01)沿着输入单模光纤的纤芯传播，当光进入多模光纤段时，由于单模光纤与多模光纤的模场不匹配，导致一系列高阶模态(LP0m)被有效地激发，多模干涉发生在不同的激发模态之间。当干涉光通过锥形区域时，由于包层和芯层之间由于包层和芯层之间有效折射率差的原因，包层内的一系列高阶模被有效的激发，满足干涉条件的模式会形成马赫曾德干涉，从而形成了多模干涉仪和马赫曾德干涉仪组成的复合干涉，然后传输到无芯光纤，最后经输出单模光纤传输到光谱分析仪中。
我们假设If和Im为基模和第m阶模态的光强，则干涉信号强度可以表示为：
其中是基模与第m阶高阶模之间相位差，可以表示为：
Leff是有效折射率差，λ是输入波长，表示模式间的有效折射率差。光谱的衰减峰值波长可以表示为：
根据公式(3)可知，在两个干涉峰之间的自由光谱范围可以近似表示为：
公式(4)表明，自由光谱范围与有效折射率差和有效长度有关。
综上所述，当温度变化作用于(折线型锥形多模光纤级联无芯光纤)传感头时，由于光纤材料的的热膨胀效应，光纤的有效干涉长度会相应的变化。与此同时，光纤存在热光效应，导致芯层和包层有效折射率差相应变化。
(4)结果与分析
图3给出了该测温传感器在20-90℃范围内的实测输出光谱变化。通过光谱分析仪追踪了干涉峰A和干涉峰B随着温度增加的变化，结果表明，随着温度的增加，干涉峰A和干涉峰B的干涉波长都出现红移，实验结果表明该测温传感器对温度变化敏感。
图4对干涉峰A和干涉峰B波长的变化进行了线性拟合，其拟合线均具有良好的线性关系，且线性回归系数值(R2)较高，最大的温度灵敏度为64.76pm/℃。其中dip A：y＝0.06476x+1449.24；dip B：y＝0.06248x+1477.3。
以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。
以上显示和描述了本发明的基本原理，主要特征和优点，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围。
Claims (1)
1.一种利用折线型锥形多模光纤级联无芯光纤结构测量温度的方法，其特征在于主要由半导体光放大器、折线型锥形多模光纤、无芯光纤和光谱分析仪构成温度测量系统，其中从半导体光放大器发出的波长范围为1200-1700nm的宽带光依次通过输入单模光纤、折线型锥形多模光纤级联无芯光纤和输出单模光纤传输至光谱分析仪上，具体测量温度过程为：折线型锥形多模光纤级联无芯光纤作为传感头放置在温控箱内，然后将温控箱从20℃增加到90℃，步长温度为10℃，最终得到传输光谱的波长的变化与温度的对应线性关系并依据该对应线性关系实现温度的测量。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910817038.0A CN110411603A (zh) | 2019-08-30 | 2019-08-30 | 一种利用折线型锥形多模光纤级联无芯光纤结构测量温度的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910817038.0A CN110411603A (zh) | 2019-08-30 | 2019-08-30 | 一种利用折线型锥形多模光纤级联无芯光纤结构测量温度的方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110411603A true CN110411603A (zh) | 2019-11-05 |
Family
ID=68369911
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910817038.0A Pending CN110411603A (zh) | 2019-08-30 | 2019-08-30 | 一种利用折线型锥形多模光纤级联无芯光纤结构测量温度的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110411603A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112254838A (zh) * | 2020-10-10 | 2021-01-22 | 南京邮电大学 | 基于级联锥形二模光纤结构的高灵敏温度传感器及测试装置 |
| CN113029385A (zh) * | 2021-04-14 | 2021-06-25 | 浙江师范大学 | 一种用于温度检测的光纤结构及制作方法和温度检测系统 |
| CN113156572A (zh) * | 2021-03-29 | 2021-07-23 | 江苏大学 | 一种双面w形长周期光纤光栅及其感测应变和温度的应用 |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS56112621A (en) * | 1980-02-12 | 1981-09-05 | Toshiba Corp | Optical detecting device for temperature |
| WO2001046729A1 (en) * | 1999-12-22 | 2001-06-28 | New Focus, Inc. | Microbend fused fiber coupler method and apparatus |
| JP2015082038A (ja) * | 2013-10-23 | 2015-04-27 | フジクラ電装株式会社 | 光ファイバ接続構造 |
| CN105115939A (zh) * | 2015-07-28 | 2015-12-02 | 重庆大学 | 一种基于锥形多模干涉的高灵敏度光纤甲烷传感装置 |
| US9404856B2 (en) * | 2013-06-03 | 2016-08-02 | Macau University Of Science And Technology | Optical refractive index measuring system based on speckle correlation |
| CN107402187A (zh) * | 2017-07-27 | 2017-11-28 | 山东师范大学 | 一种光纤倏逝波传感器及其制备方法 |
| CN107764775A (zh) * | 2017-10-18 | 2018-03-06 | 北京航空航天大学 | 一种基于u型拉锥单模‑多模‑单模光纤结构的折射率传感器 |
| CN207964619U (zh) * | 2017-12-08 | 2018-10-12 | 金陵科技学院 | 一种光纤传感器及其检测平台 |
| CN109734300A (zh) * | 2019-01-23 | 2019-05-10 | 吉林大学 | 一种螺旋锥光纤干涉仪的制备方法 |
-
2019
- 2019-08-30 CN CN201910817038.0A patent/CN110411603A/zh active Pending
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS56112621A (en) * | 1980-02-12 | 1981-09-05 | Toshiba Corp | Optical detecting device for temperature |
| WO2001046729A1 (en) * | 1999-12-22 | 2001-06-28 | New Focus, Inc. | Microbend fused fiber coupler method and apparatus |
| US9404856B2 (en) * | 2013-06-03 | 2016-08-02 | Macau University Of Science And Technology | Optical refractive index measuring system based on speckle correlation |
| JP2015082038A (ja) * | 2013-10-23 | 2015-04-27 | フジクラ電装株式会社 | 光ファイバ接続構造 |
| CN105115939A (zh) * | 2015-07-28 | 2015-12-02 | 重庆大学 | 一种基于锥形多模干涉的高灵敏度光纤甲烷传感装置 |
| CN107402187A (zh) * | 2017-07-27 | 2017-11-28 | 山东师范大学 | 一种光纤倏逝波传感器及其制备方法 |
| CN107764775A (zh) * | 2017-10-18 | 2018-03-06 | 北京航空航天大学 | 一种基于u型拉锥单模‑多模‑单模光纤结构的折射率传感器 |
| CN207964619U (zh) * | 2017-12-08 | 2018-10-12 | 金陵科技学院 | 一种光纤传感器及其检测平台 |
| CN109734300A (zh) * | 2019-01-23 | 2019-05-10 | 吉林大学 | 一种螺旋锥光纤干涉仪的制备方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| SHAKUNTALA LASKAR等: "Microcontroller-based instrumentation system for measurement of refractive index of liquid using bare, tapered and bent fibre as sensor", 《IET OPTOELECTRONICS》 * |
| YUN LIU等: "Fiber-optic Mach–Zehnder interferometric sensor for high-sensitivity high temperature measurement", 《OPTICS COMMUNICATIONS》 * |
| 王芳: "基于错位和无芯的高灵敏度及偏振调制光纤传感研究", 《中国博士学位论文全文数据库（信息科技辑）》 * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112254838A (zh) * | 2020-10-10 | 2021-01-22 | 南京邮电大学 | 基于级联锥形二模光纤结构的高灵敏温度传感器及测试装置 |
| CN112254838B (zh) * | 2020-10-10 | 2023-01-20 | 南京邮电大学 | 基于级联锥形二模光纤结构的高灵敏温度传感器及测试装置 |
| CN113156572A (zh) * | 2021-03-29 | 2021-07-23 | 江苏大学 | 一种双面w形长周期光纤光栅及其感测应变和温度的应用 |
| CN113156572B (zh) * | 2021-03-29 | 2022-10-28 | 江苏大学 | 一种双面w形长周期光纤光栅及其感测应变和温度的应用 |
| CN113029385A (zh) * | 2021-04-14 | 2021-06-25 | 浙江师范大学 | 一种用于温度检测的光纤结构及制作方法和温度检测系统 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Iadicicco et al. | Nonuniform thinned fiber Bragg gratings for simultaneous refractive index and temperature measurements | |
| CN205655942U (zh) | 一种应变和温度同时测量的光纤传感器 | |
| Wei et al. | Optimization of tapered optical fiber sensor based on SPR for high sensitivity salinity measurement | |
| CN203894161U (zh) | 基于迈克尔逊干涉仪的全光纤折射率计及其系统 | |
| CN110411603A (zh) | 一种利用折线型锥形多模光纤级联无芯光纤结构测量温度的方法 | |
| CN207937363U (zh) | 一种基于游标效应的可同时测量温度和氢气的光纤传感器 | |
| CN204718708U (zh) | 一种基于球形和细芯光纤的温度和应变同时测量的传感器 | |
| Yuan et al. | Improvement of optical sensing performances of a double-slot-waveguide-based ring resonator sensor on silicon-on-insulator platform | |
| CN205719020U (zh) | 一种温度与应变同时测量的保偏光纤传感器 | |
| CN102322894A (zh) | 一种全光纤型长周期光纤光栅溶液多参量传感系统 | |
| CN110530822A (zh) | 一种利用锥形无芯光纤级联空芯光纤结构测量折射率的方法 | |
| CN103196475B (zh) | 温湿度和气体浓度同时测量的Hybrid光纤光栅传感系统 | |
| CN101750590A (zh) | 一种环境温度变化和磁感应强度的测量方法及装置 | |
| Wu et al. | Temperature-compensated highly sensitive reflective SPR fiber sensor based on tapered seven-core fiber | |
| Zhao et al. | Machine learning assisted fast demodulation of large dynamic range dual-parameter optical fiber sensors | |
| CN105092084A (zh) | 一种bp神经网络分析错位光纤干涉谱优化测量温度的方法 | |
| CN206772322U (zh) | 一种基于介质超表面的双参数检测系统 | |
| CN203811537U (zh) | 基于长周期光纤光栅折射率温度双参数测量传感器 | |
| CN110031139A (zh) | 一种基于阵列波导光栅结构的接触型线性应力传感器及其应力检测方法 | |
| CN201555672U (zh) | 一种基于PCF-LPG和滤光片强度解调的HiBi-FLM温度传感器 | |
| CN204718707U (zh) | 一种分布式光纤温度报警器 | |
| CN204630586U (zh) | 基于窄带光源和滤波特性可调元件的光学传感器 | |
| CN203465195U (zh) | 双通平行信道微环嵌套马赫曾德尔结构的光学生化传感器 | |
| Dechun et al. | The study of temperature measurement on optical fiber in OPGW based on stimulated Brillouin scattering | |
| CN104777132A (zh) | 基于薄包层长周期光纤光栅偏振特性的环境折射率测量方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20191105 |