基于双芯光子晶体光纤干涉型温度传感的方法和装置

技术领域

本发明属于光纤传感领域，具体涉及基于双芯光子晶体光纤干涉型温度传感的方法和装置。

背景技术

光纤温度传感器的种类很多，主要可分为传光型和传感型。传光型温度传感器，光纤仅仅起导光的作用，不作为敏感元件。传感型温度传感器，光纤同时作为导光介质和敏感元件。在传感型温度传感器中，基于相位变化的原理及法布里-玻罗干涉原理的光纤温度传感具有较强的实用性。但马赫-曾德干涉光纤温度传感器的两条光纤传输臂的控制难度较大，而且灵活性差，不易微型化；法布里-玻罗干涉光纤温度传感器需要在光纤内部多次反射来产生多重干涉，对端面要求极高，增加了制作的复杂性。

近年来，光纤光栅使传感型光纤温度传感器得到了长足的发展，通过分析光纤光栅的反射或者透射光谱的中心波长漂移量来获得温度。然而，光纤光栅传感器难以实现高温传感，因为光纤光栅在高温时会退化。

光子晶体光纤的问世给光纤传感领域带来了巨大的变革，突破了传感型光纤温度传感器的发展瓶颈。光子晶体光纤又称为微结构光纤，在横截面方向上周期性紧密排列着波长量级的空气孔。相比较传统光纤，双芯光子晶体光纤具有诸多优越的特性，如永久单模传输、色散可调谐、极高的双折射、极大的模场面积等。双芯光子晶体光纤具有两个导光纤芯，其在模式耦合、偏振分束、传感等方面有独特的优越性。采用双芯光子晶体光纤输出端的两束光的干涉效应产生干涉条纹，当受到温度的作用时，由于空气和石英的热膨胀系数和热光系数不同导致两个纤芯的弯曲差异引起不同的传输光程差，在输出端有不同的相位，从而导致干涉条纹的平移。通过分析干涉条纹的平移量实现温度传感。可以降低利用双芯光子晶体光纤的单芯操作和控制的难度。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，具体涉及基于双芯光子晶体光纤干涉型温度传感的方法和装置。

基于双芯光子晶体光纤干涉型温度传感的方法为将双芯光子晶体光纤的中间段部分弯曲或者盘绕成光纤环，两端分别与精密光纤耦合器和CCD连接。其目的是为了消除包层模的影响，使激光在双芯光子晶体光纤的两个纤芯中传播，以致激光在双芯光子晶体光纤出射端面形成稳定的干涉条纹。两纤芯弯曲半径不同的情况下，两纤芯之间的相位差不为零，因此弯曲程度的微小变化都会引起干涉条纹的移动。双芯光子晶体光纤两纤芯之间存在一个空气孔，由于空气的热膨胀系数远大于石英硅，因此当温度变化时，空气孔发生剧烈的热胀冷缩效应，致使弯曲的双芯光子晶体光纤两纤芯之间距离发生变化，从而导致两纤芯之间的相位差发生变化。在温度上升的情况下，空气孔膨胀，两纤芯之间的相位差变大，干涉条纹会向某一个方向移动。反之，在温度下降的情况下，空气孔收缩，两纤芯之间的相位差变小，干涉条纹会向相反的方向移动。干涉条纹由CCD采集，并经图像采集卡导入至计算机，通过数字图像处理方法，采集得到的干涉条纹可提取出单像素点的骨架线。例如T₁温度时，骨架线的像素点位置为A₁；T₂温度时，骨架线的像素点位置为A₂。通过计算A₁与A₂骨架线之差，即可得到温度和骨架线位置的对应关系。

基于双芯光子晶体光纤干涉型温度传感的装置包括激光器、精密光纤耦合器、双芯光子晶体光纤、CCD、图像采集卡、计算机。激光器发出的光由精密光纤耦合器耦合进入双芯光子晶体光纤的入射端，经双芯光子晶体光纤后形成稳定干涉条纹，通过CCD、图像采集卡和计算机采集并进行数字图像处理。激光器要求输出单模激光，目的为排除多模激光对干涉条纹的影响，降低干涉条纹鉴别的难度。在笔直的短双芯光子晶体光纤情况下，大量的包层模式存在于光纤内部，难以形成干涉条纹，因此需将光纤温度传感探头前的光纤弯曲或者盘绕成环形，并使光纤长度略长，减小光纤内部的耦合作用，使激光聚集于双芯光子晶体光纤的纤芯内部。而双芯光子晶体光纤所盘绕的圈数及弯曲半径均可按需要进行调整。

本发明采用干涉条纹骨架线提取法，显著提高了测量的准确性和精度。本发明抗干扰性强，并且具有较大的灵活性，可用于机械、石油、化工、生物、医药等领域的温度测量。

附图说明

图1为基于双芯光子晶体光纤干涉型温度传感方法和装置的示意图；

图2为双芯光子晶体光纤的横截面示意图；

图3为的双芯光子晶体光纤的弯曲示意图；

图4为实施案例中干涉条纹骨架像素随温度升高的变化曲线；

图5为实施案例中干涉条纹骨架像素随温度降低的变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的基于双芯光子晶体光纤干涉型温度传感的方法和装置的具体实施方式加以说明。

如图1所示，基于双芯光子晶体光纤干涉型温度传感的装置由激光器1、精密光纤耦合器2、双芯光子晶体光纤3、CCD4、图像采集卡5和计算机6组成。激光器1发出的激光由精密光纤耦合器2耦合进入双芯光子晶体光纤3的前端，经弯曲的双芯光子晶体光纤3传导后，在输出端面后一定空间里形成干涉条纹，干涉条纹由CCD4采集，并经图像采集卡5导入计算机6，采用数字图像处理方法提取干涉条纹的骨架线。通过计算出骨架线的位置变化，进而求得温度场中温度的变化量。

如图2所示，双芯光子晶体光纤3是具有两个纤芯的二维周期性结构的光子晶体光纤，基质材料为二氧化硅，其横截面由四层空气孔构成，呈正六边形。光纤中心为一直径为2.7um的空气孔，两纤芯对称地位于中心空气孔的两侧，纤芯距为7.35um。

双芯光子晶体光纤受到环境温度的作用后，导致形成干涉条纹的两束激光之间的相位差发生变化，从而引起干涉条纹的移动。

如图3所示，双芯光子晶体光纤具有两种不同的弯曲方式。其中，在情况(a)下，两纤芯弯曲半径不同，两纤芯之间的相位差不为零，弯曲程度的微小变化都会引起干涉条纹的移动。而在情况(b)下，两纤芯弯曲半径相同，两纤芯之间的相位差为零，弯曲程度的微小变化不会引起干涉条纹的移动。双芯光子晶体光纤3的两纤芯之间存在一个空气孔，由于空气的热膨胀系数远大于石英硅，因此当温度变化时，空气孔发生剧烈的热胀冷缩效应，致使弯曲的双芯光子晶体光纤3的两纤芯之间距离发生变化，从而导致两纤芯之间的相位差发生变化。在温度上升的情况下，空气孔膨胀，两纤芯之间的相位差变大，干涉条纹会向某一个方向移动。反之，在温度下降的情况下，空气孔收缩，两纤芯之间的相位差变小，干涉条纹会向相反的方向移动。将双芯光子晶体光纤3的测温探头放置于待测环境温度中。启动激光器及图像采集处理软件，当温度场中的温度升高时，采集到的干涉条纹朝某一个方向移动。

如图4所示，以1℃为间距，记录并计算温度场从30℃到60℃时干涉条纹的平移量。从图4中可以看出，温度与干涉条纹骨架线的平移量呈线性相关，拟合得出线性度为98.8%，灵敏度约为-9.8像素/℃。

改变测试条件和环境，当温度降低时，采集到的干涉条纹朝相反的方向移动。如图5所示，以1℃为间距，记录并计算温度场从60℃到30℃时干涉条纹的平移量。从图中看出，温度与干涉条纹骨架线的平移量呈线性相关，拟合得出线性度为99.9%，灵敏度约为11.0像素/℃。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。