一种基于微纳光纤的温度传感器

1.本发明涉及温度测量技术领域，尤其涉及一种基于微纳光纤的温度传感器。

背景技术：

2.温度是一个十分重要的信息和物理量，与我们的日常生活紧密相连，如对人体散热机能的影响、物品的储存、机器的运行等。
3.在许多应用中，需要精确的温度测量。因温度传感器能感受温度并转换成可用输出信号，成为了较为常用的检测温度的仪器。常见的有热电阻类温度传感器和热电偶类温度传感器，但这两类温度传感器的测量精度有限，无法满足需要精密测量需求，基于光纤光栅的、高精度温度传感器应运而生，如：cn111982169a提供了一种用于湿度和温度同时测量的准分布式fbg传感器，其测量原理为：温度的改变会改变光纤光栅的周期，进而改变光纤光栅的中心波长，通过测量中心波长的移动实现温度的测量。该fbg传感器虽可实现温度的高精度测量，但是制备复杂，制造成本较高，缺乏市场竞争力。

技术实现要素：

4.本发明提供了一种基于微纳光纤的温度传感器，用于解决现有技术中基于光纤光栅的高精度温度传感器制备复杂、制造成本高的技术问题。
5.本发明提供的一种基于微纳光纤的温度传感器，包括：
6.光学换向组件、激光发射组件、光谱检测组件、微纳光纤和容器组件；
7.该光学换向组件设置有第一端口、第二端口和第三端口；
8.该激光发射组件、该光谱检测组件和该微纳光纤的第一端分别与该第一端口连接、该第二端口和该第三端口通过光纤连接；
9.该容器组件容置有膨胀液体；
10.该微纳光纤的第二端浸渍于该膨胀液体。
11.在第一种可能实现的传感器中，该微纳光纤的浸渍深度为0～0.5mm。
12.在第二种可能实现的传感器中，该微纳光纤的直径为5μm。
13.在第三种可能实现的传感器中，该第二端朝远离该第一端的方向依次设置有锥区、腰区和端面。
14.结合第三种可能实现的传感器，在第四种可能实现的传感器中，该端面平行于该膨胀液体的液面。
15.在第五种可能实现的传感器中，该激光发射组件、该光谱检测组件和该微纳光纤的第一端分别与该第一端口连接、该第二端口和该第三端口通过单模光纤连接。
16.在第六种可能实现的传感器中，该膨胀液体为水银、酒精或煤油。
17.在第七种可能实现的传感器中，该膨胀液体密封容置于该容器组件。
18.在第八种可能实现的传感器中，该光学换向组件为环形器；
19.该光谱检测组件为光谱仪；
20.该激光发射组件为激光光源；
21.该容器组件为玻璃毛细管膨胀计。
22.结合第八种可能实现的传感器，在第九种可能实现的传感器中，该激光光源的波长为1550nm。
23.从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
24.本发明提供的基于微纳光纤的温度传感器设置有光学换向组件、激光发射组件、光谱检测组件、微纳光纤和容器组件；光学换向组件设置有第一端口、第二端口和第三端口；激光发射组件、光谱检测组件和微纳光纤的第一端分别与第一端口连接、第二端口和第三端口通过光纤连接；容器组件容置有膨胀液体；微纳光纤的第二端浸渍于膨胀液体。激光发射组件向第一端口发射激光，激光经光学换向组件换向后从第三端出，射入浸渍于膨胀液体的微纳光纤，经微纳光纤的端面进行菲涅尔反射后从第三端口进入光学换向组件，经换向后，从第二端入光谱检测组件。根据激光发生菲涅尔反射前、后的相位差确定膨胀液体的体积变化量，进而根据该体积变化量和热膨胀系数确定温度变化量，实现温度的测量。温度传感器的结构简单，制备简单、制造成本低，具备较高的市场竞争力。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
26.图1为本发明实施例提供的一种基于微纳光纤的温度传感器的结构示意图；
27.图2为本发明实施例提供的微纳光纤的第二端的结构示意图；
28.其中：001、激光发射组件
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002、光谱检测组件
29.003、光学换向组件
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004、容器组件
30.005、微纳光纤
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015、锥区
31.025、腰区
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035、端面
32.006、膨胀液体。
具体实施方式
33.本发明实施例提供了一种基于微纳光纤的温度传感器，用于解决的技术问题是基于光纤光栅的高精度温度传感器制备复杂、制造成本高。
34.为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
35.在本技术实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，
仅是为了便于描述本技术实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
36.在本技术实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可更换连接，或一体式连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术实施例中的具体含义。
37.在许多应用中，需要精确的温度测量。因温度传感器能感受温度并转换成可用输出信号，成为了较为常用的检测温度的仪器。常见的有热电阻类温度传感器和热电偶类温度传感器，但这两类温度传感器的测量精度有限，无法满足需要精密测量需求，基于光纤光栅的、高精度温度传感器应运而生，如：cn111982169a提供了一种用于湿度和温度同时测量的准分布式fbg传感器，其测量原理为：温度的改变会改变光纤光栅的周期，进而改变光纤光栅的中心波长，通过测量中心波长的移动实现温度的测量。该fbg传感器虽可实现温度的高精度测量，但是制备复杂，制造成本较高，缺乏市场竞争力。
38.请参阅图1，本发明实施例提供的一种基于微纳光纤的温度传感器，包括：
39.光学换向组件003、激光发射组件001、光谱检测组件002、微纳光纤005和容器组件004；光学换向组件003设置有第一端口、第二端口和第三端口；激光发射组件001、光谱检测组件002和微纳光纤005的第一端分别与第一端口连接、第二端口和第三端口通过光纤连接；容器组件004容置有膨胀液体006；微纳光纤005的第二端浸渍于膨胀液体006。
40.需要说明的是：光学换向组件003用于对激光进行换向，让从第一端入的激光可从第三端出，让从第三端入的激光可从第二端出，任何可实现上述功能的器件或器件组合均可采用，如环形器、反射镜组合等。
41.激光发射组件001用于产生激光，任何可产生所需激光的器件均可采用，如激光光源。
42.光谱检测组件002用于检测发生菲涅尔反射后的激光的光谱，任何可进行光谱检测的器件均可采用，如光谱仪。
43.微纳光纤005是光纤直径达到微米、纳米级的普通光纤，是光纤光学与纳米技术的完美结合，与传统的标准单模光纤相比，微纳光纤005的直径通常接近或小于光的真空波长。
44.容器组件004用于容纳膨胀液体006、同时用于将微纳光纤005进行相对固定，使微纳光纤005可稳定地浸渍于膨胀液体006中，任何可稳定盛放膨胀液体006，并可将微纳光纤005进行固定的容器均可采用；膨胀液体006为膨胀系数较高的液体，使膨胀液体006在温度发生改变时，体积发生较为明显的改变，如煤油、酒精等。
45.激光发射组件001、光谱检测组件002和微纳光纤005的第一端分别与第一端口连接、第二端口和第三端口通过光纤连接，即激光发射组件001通过光纤与光学换向组件003的第一端口连接，光谱检测组件002通过光纤与光学换向组件003的第二端口连接，微纳光纤005的第一端通过光纤与光学换向组件003的第三端口连接，如此，从激光发射组件001射出的激光从第一端入光学换向组件003，经换向后从第三端入微纳光纤005，经微
纳光纤005浸渍于膨胀液体006的第二端的端面035进行菲涅尔反射后，再从第三端入光学换向组件003，经换向后，从第二端入光谱检测组件002。
46.本实施例的有益效果包括：
47.基于微纳光纤的温度传感器的检测原理为根据激光发生菲涅尔反射前、后的相位差确定膨胀液体006的体积变化量，进而根据该体积变化量和热膨胀系数确定温度变化量，实现温度的测量，检测过程中所需的器件较少，让基于微纳光纤的温度传感器具备简单的结构，易于制备，且制备所需器件均可从市场以低成本获得，制造成本低，从而具备较高的市场竞争力。
48.优选的，光学换向组件003采用环形器；光谱检测组件002采用光谱仪；容器组件004采用玻璃毛细管膨胀计；微纳光纤005采用氧化硅微纳光纤005；激光发射组件001采用激光光源，基于氧化硅微纳光纤005在1550nm波长处可具备最低的损耗，仅为1.4db/m左右，所以更优的，可将激光激光光源的波长设置成1550nm；通过单模光纤将激光光源和环形器的第一端口连接、将光谱仪与环形器第二端口连接，将微纳光纤005的第一端与环形器的第三端口连接。
49.微纳光纤005的优选实施方式：如图2所示微纳光纤005的第二端朝远离第一端的方向依次设置有锥区015、腰区025和端面035；将微纳光纤005的第二端的端面035设置成平行于膨胀液体006的液面，即让微纳光纤005垂直于膨胀液体006的液面；基于微纳光纤005对0～0.5mm的浸渍深度的响应具有较好的线性关系和灵敏度，所以为了获得更优的温度测量效果，可将微纳光纤005的第二端的浸渍深度设置成0～0.5mm；为了使温度传感器兼具高灵敏度和低制备难度，所以优选直径为5μm的微纳光纤，该直径的微纳光纤005具备较好的灵敏度且较易制备。
50.可选的，膨胀液体006可选用水银、酒精或煤油等具备高膨胀系数的液体，如此，当温度发生改变时，会使容置于玻璃毛细管膨胀计中的膨胀液体006的体积会发生较为明显的改变，体积的改变使液面高度发生改变，进而使第二端的浸渍深度发生改变。
51.优选的，为了避免膨胀液体006的蒸发对浸渍深度的影响，将膨胀液体006密封容置于容器组件004。
52.基于微纳光纤的温度传感器的工作过程和测量原理：
53.激光光源所发射的激光光束从环形器的第一端口输入，经环形器换向后从第三端口输入到微纳光纤005中，从微纳光纤005的第一端向第二端传播，传播至第二端的锥区015时，会同时激发he
11
和he
12
两种模式，传播至第二端的腰区025时，形成模干涉，传播至第二端的端面035时发生菲涅尔反射，由微纳光纤005的第二端向第一端传播，从微纳光纤005的第一端传播至环形器的第三端口，经换向后，从第二端口输入到光谱仪进行光谱检测。
54.当激光光束在浸渍于膨胀液体006的微纳光纤005中传播时，he
11
模和he
12
模产生来自于空气和膨胀液体006的相位差，具体的相位差可根据公式一计算而得。
55.公式一：
56.其中：lm为微纳光纤005的第二端在膨胀体液中的浸渍深度，l为微纳光纤005的总长度，δn
liquid
和δn
air
分别为微纳光纤005两种干涉模式在液体和空气中的有效折射率差。
57.当待测环境的温度发生变化时，膨胀液体006的体积发生变化，液面高度发生变
化，第二端的浸渍深度发生改变，膨胀液体006的体积与温度变化量的关系如公式二所示。
58.公式二：v＝v0(1+3αδt)
59.其中：v0为温度发生变化前的膨胀液体006的体积，α为膨胀液体006的热膨胀系数，δt为温度变化量。
60.根据光谱仪检测激光光束的相位差，将所测相位差代入公式一，因l、δn
liquid
和δn
air
是已知的，所以可计算得到当前浸渍深度，将当前浸渍深度与初始浸渍深度作差确定浸渍深度的变化量，因膨胀液体006的液面的面积大小是已知的，所以可根据深度的变化量和液面的面积大小计算出膨胀液体006的体积变化量，将膨胀液体006的体积变化量代入公式二，因v0和α是已知的，所以可计算得到温度变化量δt，将基准温度和温度变化量进行相加或相减即可获知当前温度，实现温度的测量。
61.与上述测量过程对应的基于微纳光纤的温度测量方法为：
①
将温度变化量转换成膨胀液体的体积变化量；
②
通过光谱仪获取体积变化量所导致的激光的相位差；
③
根据激光的相位差确定微纳光纤的浸渍深度的变化量；
④
根据浸渍深度的变化量确定膨胀液体的体积变化量；
⑤
根据体积变化量确定温度变化量；
⑥
根据温度变化量确定温度，实现温度的测量。
62.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：

1.一种基于微纳光纤的温度传感器，其特征在于，包括：光学换向组件、激光发射组件、光谱检测组件、微纳光纤和容器组件；所述光学换向组件设置有第一端口、第二端口和第三端口；所述激光发射组件、所述光谱检测组件和所述微纳光纤的第一端分别与所述第一端口连接、所述第二端口和所述第三端口通过光纤连接；所述容器组件容置有膨胀液体；所述微纳光纤的第二端浸渍于所述膨胀液体。2.根据权利要求1所述的一种基于微纳光纤的温度传感器，其特征在于：所述微纳光纤的浸渍深度为0～0.5mm。3.根据权利要求1所述的一种基于微纳光纤的温度传感器，其特征在于：所述微纳光纤的直径为5μm。4.根据权利要求1所述的一种基于微纳光纤的温度传感器，其特征在于：所述第二端朝远离所述第一端的方向依次设置有锥区、腰区和端面。5.根据权利要求4所述的一种基于微纳光纤的温度传感器，其特征在于：所述端面平行于所述膨胀液体的液面。6.根据权利要求1所述的一种基于微纳光纤的温度传感器，其特征在于：所述激光发射组件、所述光谱检测组件和所述微纳光纤的第一端分别与所述第一端口连接、所述第二端口和所述第三端口通过单模光纤连接。7.根据权利要求1所述的一种基于微纳光纤的温度传感器，其特征在于：所述膨胀液体为水银、酒精或煤油。8.根据权利要求1所述的一种基于微纳光纤的温度传感器，其特征在于：所述膨胀液体密封容置于所述容器组件。9.根据权利要求1所述的一种基于微纳光纤的温度传感器，其特征在于：所述光学换向组件为环形器；所述光谱检测组件为光谱仪；所述激光发射组件为激光光源；所述容器组件为玻璃毛细管膨胀计。10.根据权利要求9所述的一种基于微纳光纤的温度传感器，其特征在于：所述激光光源的波长为1550nm。

技术总结

本发明涉及温度测量技术领域，尤其涉及一种基于微纳光纤的温度传感器。本发明提供的基于微纳光纤的温度传感器设置有光学换向组件、激光发射组件、光谱检测组件、微纳光纤和容器组件；光学换向组件设置有第一端口、第二端口和第三端口；激光发射组件、光谱检测组件和微纳光纤的第一端分别与第一端口连接、第二端口和第三端口通过光纤连接；容器组件容置有膨胀液体；微纳光纤的第二端浸渍于膨胀液体。根据激光发生菲涅尔反射前、后的相位差确定膨胀液体的体积变化量，进而根据该体积变化量和热膨胀系数确定温度变化量，实现温度的测量。温度传感器的结构简单，制备简单，制造成本低，具备较高的市场竞争力。较高的市场竞争力。较高的市场竞争力。