專利名稱：一種基于磷摻雜光纖輻射致衰減溫度敏感性的溫度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及了一種基于磷摻雜光纖輻射致衰減溫度敏感性的全光纖式溫度傳感器及溫度敏感光纖的制作方法，屬于溫度測量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光纖自20世紀(jì)70年代問世以來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，涌現(xiàn)了許許多多的光纖溫度傳感器。光纖具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)靈活，抗電磁干擾、電絕緣的優(yōu)點(diǎn)。目前光纖溫度傳感器主要包括光纖布拉格光柵(FBG)溫度傳感器、半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器和光纖法布里-波羅腔干涉式溫度傳感器等。其中，光纖布拉格光柵溫度傳感器是通過精密工藝在光纖中進(jìn)行雕刻，使光纖內(nèi)的折射率成周期性分布，形成光纖布拉格光柵(FBG)。當(dāng)外界因素變化時(shí)，光纖光柵的有效折射率和光柵常數(shù)會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致FBG特征波長的變化，因此光纖光柵溫度傳感器是利用布拉格波長對(duì)溫度的敏感特性而制成的一種光纖傳感器。但光纖布拉格光柵溫度傳感器采用波長調(diào)制，導(dǎo)致解調(diào)系統(tǒng)復(fù)雜，以及容易引起溫度-應(yīng)力交叉感應(yīng)的問題。半導(dǎo)體吸收型光纖溫度傳感器是利用半導(dǎo)體材的吸收光譜隨溫度變化而變化的特性實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)光通過半導(dǎo)體薄膜時(shí)，如果入射光子能量超過半導(dǎo)體導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的禁帶寬度時(shí)，半導(dǎo)體薄膜就會(huì)對(duì)通過的光產(chǎn)生吸收。因此可以通過測量半導(dǎo)體吸收的光強(qiáng)或者光譜測量環(huán)境溫度變化。但半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器存在對(duì)信號(hào)傳輸光纖要求高， 通常需要特制大孔徑光纖；而且由于光纖與半導(dǎo)體薄膜是間接耦合，光耦合效率遠(yuǎn)小于光纖與光纖直接熔接耦合；半導(dǎo)體膜片制作過程也較復(fù)雜，工藝要求較高；由于半導(dǎo)體吸收是導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的電子躍遷吸收，吸收波段在紫外和可見光波段的短波段。因此要求紫外寬帶光源，價(jià)格昂貴，對(duì)光纖要求也較高，且測量的精度較低，通常只有士l°c。光纖法布里-波羅腔干涉式溫度傳感器是在光纖內(nèi)制造出兩個(gè)高反射膜層，從而形成一個(gè)腔長為L的微腔。當(dāng)相干光束沿光纖入射到此微腔時(shí)，光纖在微腔的兩端面反射后沿原路返回相遇而產(chǎn)生干涉，其干涉輸出信號(hào)與此微腔的長度相關(guān)。當(dāng)外界溫度以一定方式作用于此微腔，使其腔長L發(fā)生變化，導(dǎo)致其干涉輸出信號(hào)也發(fā)生相應(yīng)變化。但由于光纖法布里-波羅腔干涉式溫度傳感器的光纖半徑只在10 125 μ m量級(jí)，導(dǎo)致F-P制作工藝復(fù)雜，而且一致性難以保證；干涉光強(qiáng)隨腔長變化不是單一對(duì)應(yīng)關(guān)系，而是不斷衰減的周期性信號(hào)，解調(diào)系統(tǒng)復(fù)雜；若采用波長域信號(hào)解調(diào)，則系統(tǒng)也相對(duì)復(fù)雜；F-P腔長隨溫度變化量很小，感應(yīng)溫度范圍十分有限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決現(xiàn)有的光纖溫度傳感器存在的制造工藝較復(fù)雜、信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)輻照、測量的穩(wěn)定性較差的問題，提出了一種基于磷摻雜光纖輻射致衰減溫度敏感性的溫度傳感器，包括用于提供光信號(hào)的光源、用于分光的光分路器、參考光路、測量光路、用于測量兩光路輸出光功率的雙通道光功率計(jì)、用于數(shù)據(jù)采集和處理的計(jì)算機(jī)，所述測量光路采用經(jīng)過輻射處理的磷摻雜光纖作為感應(yīng)元件，利用該光纖衰減的溫度敏感性實(shí)現(xiàn)全光纖式溫度測量。本發(fā)明還提出了一種基于磷摻雜光纖輻射致衰減的溫度傳感器的敏感光纖的制作方法，包括選取磷摻雜光纖作為原材料，對(duì)選取的光纖原材料進(jìn)行定量輻照處理，對(duì)輻照后的磷摻雜光纖進(jìn)行預(yù)定時(shí)間的高溫退火處理，制得所述敏感光纖。由上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明在較低成本條件下實(shí)現(xiàn)測量范圍為-40°C +60°C的較高分辨率(優(yōu)于0. 5°C )的全光纖式溫度測量；并提高測量的穩(wěn)定性。


圖1是本發(fā)明具體實(shí)施方式
提供的基于磷摻雜光纖輻射致衰減溫度敏感性的溫度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明具體實(shí)施方式
提供的敏感光纖的制作過程示意圖；圖3是本發(fā)明具體實(shí)施方式
提供的三種光纖溫度傳感頭的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明具體實(shí)施方式
提供的輻照并退火后的磷摻雜光纖衰減隨溫度的變化曲線示意圖；圖5是本發(fā)明具體實(shí)施方式
提供的磷摻雜光纖的溫度傳感分辨率示意圖；圖6是本發(fā)明具體實(shí)施方式
提供的輻照處理后的磷摻雜光纖用于溫度傳感的重復(fù)性示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明具體實(shí)施方式
提供了一種基于磷摻雜光纖輻射致衰減溫度敏感性的溫度傳感器及敏感光纖的制作方法，如圖1所示，包括用于提供光信號(hào)的光源1、用于分光的光分路器2、參考光路3、測量光路4、用于測量兩光路輸出光功率的雙通道光功率計(jì)5、用于數(shù)據(jù)采集和處理的計(jì)算機(jī)6，測量光路4是由經(jīng)過輻射處理的磷摻雜的敏感光纖和通信光纖組成，用于感應(yīng)溫度的變化。具體的，圖1中的光源1可采用工作波長在通信波段(1310nm或1550nm)的穩(wěn)定 SLD光源；參考光路3可采用普通通信光纖作為光信號(hào)的傳輸媒介；雙通道光功率計(jì)5用于測量測量光路和參考光路的輸出光功率；計(jì)算機(jī)6用于數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、處理和顯示。測量光路4是由普通單模通信光纖、用于溫度傳感的敏感光纖(經(jīng)過輻射處理的磷摻雜光纖) 和用于纏繞、固定敏感光纖的金屬裝置組成，其中通信光纖和用于溫度傳感的敏感光纖通過熔接方式耦合。其中敏感光纖的制作過程如圖2所示，首先選取磷摻雜光纖作為原材料，選取的光纖長度也根據(jù)不同應(yīng)用背景而定；其次，對(duì)選取的光纖原材料進(jìn)行定量輻照處理，本方案采用價(jià)格實(shí)惠的6ciCo-Y輻射源對(duì)磷摻雜光纖進(jìn)行定量輻照處理，輻照劑量要根據(jù)需要的溫度感應(yīng)度而定；第三，常溫放置一段時(shí)間(一周左右)后，對(duì)輻照后的磷摻雜光纖進(jìn)行高溫退火處理，高溫退火的目的是退去在測量溫度范圍內(nèi)不穩(wěn)定的色心，消除其他不穩(wěn)定色心光吸收對(duì)測量的影響。退火的溫度高低由傳感溫度范圍決定，例如-40°C +60°C的測量目標(biāo)，則需要對(duì)磷摻雜光纖進(jìn)行60-90°C的高溫處理，處理時(shí)間在1 2天。退火后的光纖的光衰減具有的溫度依賴性，便可用于溫度傳感。另外，本具體實(shí)施方式
對(duì)傳感元件的形狀
4不做限定，可以根據(jù)實(shí)際需要制作成筒狀、盤形或者是簡單的線形等等。圖3所示為三種傳感頭形狀的傳感頭，其中筒狀傳感頭的傳感光纖纏繞在金屬骨架或容器壁外側(cè)，可用于環(huán)境溫度測量，或者容器平均溫度測量；盤形傳感頭的傳感光纖通過耐高溫膠螺旋盤在金屬盤上，適用于其他棒狀傳感頭等難以達(dá)到的狹縫中的溫度測量；線形傳感頭只是簡單熔接在光纖跳線上即可，適用于各種應(yīng)用場合，只是對(duì)光纖感應(yīng)度要求較高。本具體實(shí)施方式
的工作原理是光源1發(fā)出的光經(jīng)過光分路器2分成強(qiáng)度相等的兩束；其中一束光通過參考光路3進(jìn)入雙通道光功率計(jì)5的一個(gè)通道(通道1，CHl)，光分路器2的另一路光通過測試光路4中的溫度感應(yīng)光纖連接到雙通道光功率計(jì)5的另一通道 (通道2，Cffi)；雙通道光功率計(jì)5采集到的兩路光功率在數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)6 (采集卡和計(jì)算機(jī))進(jìn)行處理，并將處理的結(jié)果以溫度的形式顯示出來。設(shè)光分路器的單路輸出功率為Ptl(T)，由于光纖跳線(< IOm)的損耗可以忽略不計(jì)，因此，通道1的光功率巧(T) Ξ P。(T)，當(dāng)溫度τ (單位°C )變化時(shí)，感應(yīng)光纖的衰減A (T) (即輻射導(dǎo)致的衰減，Attenuation)會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致通道2的輸出功率P2 (T)隨溫度的變化而變化。感應(yīng)光纖的衰減A (T)計(jì)算公式為A(T) = -IOlg^g-但是，為了更好的理解光纖輻射致衰減隨溫度的變化曲線，本具體實(shí)施方式
以 25°C的光纖衰減為基準(zhǔn)，將溫度T時(shí)刻的衰減A(T)進(jìn)行歸一化，歸一化的光纖衰減計(jì)算公式為A(T) = -101g^H^
^ P2 (25) P1(T)其中，P1 (25)和PJ25)分別為溫度在25 °C時(shí)，參考通道和測量通道的光功率。最后根據(jù)測試前獲得的磷摻雜光纖輻射致衰減A(T)(光強(qiáng)變化)與溫度T的關(guān)系
T = f(A(T)) = Xkn- An(T)，將光纖衰減轉(zhuǎn)化相應(yīng)的溫度值T。其中η為多項(xiàng)式擬合階數(shù)，kn
0
為第η階擬合系數(shù)。下面以具體的實(shí)施例對(duì)本具體實(shí)施方式
做具體說明，選取一根40m纖芯包層都摻磷的光纖，在6tlCo-Y輻射源輻照730Gy的輻射劑量并在80°C退火1天后進(jìn)行溫度傳感實(shí)驗(yàn)，測得的衰減A(T)(已經(jīng)歸一化)隨溫度T的變化曲線如圖4所示。為了測量該光纖溫度傳感器的分辨率，將溫度傳感光纖置于溫箱中，在23. 5°C 27°C的范圍內(nèi)進(jìn)行步長為0.5°C的變化。傳感器的輸出曲線如圖5所示，可見該溫度傳感器的分辨率優(yōu)于0. 5°C (實(shí)現(xiàn)了可用0. 5°C的分辨率)。圖6所示的是該光纖溫度傳感器在6個(gè)連續(xù)溫度循環(huán)中輸出功率的變化曲線，可見，輸出功率表現(xiàn)出了較高的重復(fù)性。重復(fù)性指標(biāo)一般采用輸出最大不重復(fù)誤差與滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示。在六次測試中，六個(gè)溫度點(diǎn)中產(chǎn)生的最大不重復(fù)性誤差出現(xiàn)在-20°C，Δ_ = 0. 00695，滿量程輸出為0. 70043，則計(jì)算得該光纖溫度傳感器的重復(fù)性誤差為0. 99%。因此，基于本發(fā)明的光纖輻射致衰減效應(yīng)設(shè)計(jì)的溫度傳感器的重復(fù)性誤差小于1%，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的可靠和穩(wěn)定性。本具體實(shí)施方式
基于磷摻雜光纖的輻射致衰減的溫度敏感性，在較低成本條件下實(shí)現(xiàn)測量范圍為-40°C +60°C的較高精度(0. 5°C )的全光纖式溫度測量；并實(shí)現(xiàn)該測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性。第一，本具體實(shí)施方式
采用定量輻照處理后的磷摻雜光纖作為敏感元件，而用于輻照的光纖為普通磷摻雜光纖，價(jià)格便宜；該加工工藝簡單，不需要實(shí)時(shí)監(jiān)測光纖衰減變化，只需在恒定劑量率下輻照一定輻射劑量即可，特別是成批量生產(chǎn)時(shí)，成本可大幅度降低；而且該傳感元件采用較小的傳感頭(光纖體積小重量輕)實(shí)現(xiàn)了-40°C +60°C溫度范圍內(nèi)0. 5°C的測量分辨率。第二，本具體實(shí)施方式
利用磷(P)摻雜光纖的衰減溫度效應(yīng)本質(zhì)上是色心吸收的溫度依敏感性，該特性本質(zhì)上不受應(yīng)力彎曲等影響，消除應(yīng)力等其他溫度效應(yīng)干擾(在布拉格光柵溫度傳感器和F-P干涉式溫度傳感器中存在這種交叉感應(yīng)現(xiàn)象)。 第三，輻照后的磷摻雜光纖作為敏感光纖，與通信光纖之間通過直接熔接的方式耦合，耦合效率高，損耗小，并且穩(wěn)定性高(這是其他非本征溫度傳感器對(duì)準(zhǔn)耦合方式所不能比的，實(shí)際光學(xué)對(duì)準(zhǔn)十分繁瑣)。第四，整個(gè)測量系統(tǒng)工作在1310nm/1550nm的通信波段，只需采用普通的單模通信光纖即可實(shí)現(xiàn)傳感信號(hào)的傳輸，而普通單模光纖價(jià)格十分低廉，也保證的系統(tǒng)的低成本。第五，本具體實(shí)施方式
的直接測量為光功率，采用的是簡單的強(qiáng)度調(diào)制解調(diào)方案，與光纖布拉格光柵溫度傳感器等復(fù)雜而昂貴的波長調(diào)制解調(diào)方案相比，不僅解調(diào)設(shè)備便宜，信號(hào)處理簡單，也保證的系統(tǒng)的穩(wěn)定性。第六。本具體實(shí)施方式
的傳感元件為光纖， 體積小，重量輕、耐拉，可以制作成不同形狀，適應(yīng)于不同溫度測量環(huán)境。本具體實(shí)施方式
采用價(jià)格低廉的普通磷(P)摻雜光纖作為原材料，通過簡單的輻照處理的方法對(duì)磷摻雜光纖進(jìn)行加工，并適當(dāng)高溫退火，制作出基于磷摻雜光纖輻射致衰減敏感性的溫度傳感器，該溫度傳感器可以實(shí)現(xiàn)_40°C +60°C溫度測量，測量分辨率優(yōu)于 0. 5°C，重復(fù)性達(dá)到99%。本發(fā)明首先提出了一種新型的光纖傳感元件的制作方法——福照處理，實(shí)際上是把輻射導(dǎo)致光纖衰減受溫度影響這個(gè)劣勢轉(zhuǎn)化為溫度傳感的優(yōu)勢；第二、該發(fā)明提出了一種簡單的強(qiáng)度調(diào)制解調(diào)方案代替復(fù)雜而(光纖光柵等)昂貴的波長調(diào)制解調(diào)方案即節(jié)約了成本又大大簡化了解調(diào)系統(tǒng)；第三，傳感元件為普通磷摻雜光纖，與傳感信號(hào)傳輸光纖直接可以實(shí)現(xiàn)熔接耦合，損耗穩(wěn)定而且很小，相對(duì)于其他非本征型光纖具有很大優(yōu)勢，同時(shí)也提高了傳感的穩(wěn)定性；第四，該發(fā)明是利用輻射導(dǎo)致的光纖中色心對(duì)光吸收的溫度敏感性進(jìn)行傳感，而色心光吸收本質(zhì)上不受應(yīng)力等其他因素影響，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，這相對(duì)于光纖光柵溫度傳感器、F-P干涉儀型溫度傳感器等對(duì)溫度應(yīng)力同時(shí)敏感，具有重大進(jìn)步；最后，該發(fā)明可以通過增加輻射劑量和光纖長度等方法使光纖中的色心數(shù)目增加，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)尚精度。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于磷摻雜光纖輻射致衰減溫度敏感性的溫度傳感器，包括用于提供光信號(hào)的光源、用于分光的光分路器、參考光路、測量光路、用于測量兩光路輸出光功率的雙通道光功率計(jì)、用于數(shù)據(jù)采集和處理的計(jì)算機(jī)，其特征在于，所述測量光路采用經(jīng)過輻射處理的磷摻雜光纖作為感應(yīng)元件，利用該光纖衰減的溫度敏感性實(shí)現(xiàn)全光纖式溫度測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度傳感器，其特征在于，所述光源采用工作波長在通信波段的穩(wěn)定SLD光源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度傳感器，其特征在于，所述參考光路采用普通通信光纖作為光信號(hào)的傳輸媒介。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度傳感器，其特征在于，所述測量光路中的通信光纖和用于溫度傳感的敏感光纖通過熔接方式耦合。
5.一種權(quán)利要求1至4任意一項(xiàng)所述的基于磷摻雜光纖輻射致衰減溫度敏感性的溫度傳感器的敏感光纖的制作方法，其特征在于選取磷摻雜光纖作為原材料，對(duì)選取的光纖原材料進(jìn)行定量輻照處理，對(duì)輻照后的磷摻雜光纖進(jìn)行預(yù)定時(shí)間的高溫退火處理，制得所述敏感光纖。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述定量輻照處理包括采用6tlCo-γ輻射源對(duì)磷摻雜光纖進(jìn)行定量輻照處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述預(yù)定時(shí)間的高溫退火處理包括對(duì)于-40°C +60°C的測量目標(biāo)，則對(duì)磷摻雜光纖進(jìn)行60-90°C的高溫處理，處理時(shí)間為1 2 天。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于磷摻雜光纖輻射致衰減溫度敏感性的溫度傳感器，包括用于提供光信號(hào)的光源、用于分光的光分路器、參考光路、測量光路、用于測量兩光路輸出光功率的雙通道光功率計(jì)、用于數(shù)據(jù)采集和處理的計(jì)算機(jī)，所述測量光路采用經(jīng)過輻射處理的磷摻雜光纖作為感應(yīng)元件，利用該光纖衰減的溫度敏感性實(shí)現(xiàn)全光纖式溫度測量。本發(fā)明在較低成本條件下實(shí)現(xiàn)測量范圍為-40℃～+60℃的較高分辨率(優(yōu)于0.5℃)的全光纖式溫度測量。
文檔編號(hào)G01K11/32GK102539011SQ20111043982
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2011年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月23日
發(fā)明者宋鏡明, 徐宏杰, 王學(xué)勤, 郭建華, 金靖 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)