本申請涉及光纖傳感領域，具體涉及光纖溫度傳感器及光纖溫度傳感系統。

背景技術：

1、光纖傳感器具有靈敏度高、體積小、抗電磁干擾和可靠性高等優(yōu)點，是一種出色的溫度測量工具。用于溫度測量的光纖增強靈敏度方法很多，常見的是設計特殊結構或使用專門的材料來實現。如通過設計靈敏的光學結構，比如典型的游標效應，它通常需要先進的加工工藝，實現精準的腔長加工，利用一個參考腔和一個變化腔來測量兩個信號疊加產生的包絡位移，來放大信號。但是當兩個腔長度接近，包絡信號的自由光譜范圍可能超出設備極限，需要更高精度的設備。

2、除了通過結構的變化，材料的選擇也是一種優(yōu)化途徑。使用合適的熱光系數和熱膨脹系數也是實現高靈敏度溫度測量的一種方案，例如使用鍺或者更高熱光系數芯的光纖代替硅芯光纖制作溫度傳感器，可以實現-40～+50℃范圍下221pm/℃的靈敏度，但是光譜范圍受到了限制。因為聚合物通常比金屬或其他無機材料彈性更好且熱膨脹系數更大，所以使用高性能的材料也是一種方法，如使用聚酯樹脂制備的溫度傳感器，利用了聚合物的熱膨脹效應，傳感器通過受熱使得fp氣腔長度發(fā)生改變，實現了327pm/℃的溫度波長靈敏度?；蛘呤褂酶邿峁庀禂档牟牧蟨dms。利用pdms材料作為fp的其中一個腔，并通過使用mzi和fpi結構的級聯實現溫度信號的放大，而且傳感器的組合可以實現檢測范圍內的相互校正，并在其中一項實驗環(huán)境15-45℃下，實現了-567.86pm/℃的溫度靈敏度。但此類傳感器對光纖的對準精度要求高，且光在通過pdms時會產生損耗與偏折，信號強度和對比度不高，解調有可能出現困難。然而僅利用材料或是結構的優(yōu)化難以使得靈敏度進一步提升，因此出現了二者相結合的溫度計。將游標效應和溫度敏感材料結合，穩(wěn)定性高，線性度好，溫度靈敏度突破pm量級，實現-4.08658nm/℃的靈敏度。也有使用少模光纖結合pdms以及游標效應制備的溫度傳感器，實現了40-56℃范圍下3.89nm/℃的溫度靈敏度。但是這類傳感器在制作過程中結構參數需要嚴格控制，精度要求高難以制備，而且有些需要精度較高的設備，因此實現易于制作以及高靈敏度的溫度傳感器是更有前景和優(yōu)勢的。

技術實現思路

1、有鑒于此，本申請?zhí)峁┮环N光纖溫度傳感器及光纖溫度傳感系統。

2、根據本發(fā)明的一方面，提供一種光纖溫度傳感器，包括：空芯光纖；單模光纖，與所述空芯光纖固定連接，所述單模光纖的第一端位于所述空芯光纖的外部，所述單模光纖的第二端經由所述空芯光纖的第一端開口延伸至所述空芯光纖的芯部；膜片，貼附于所述空芯光纖的第二端端面，所述膜片的第一表面與所述單模光纖的第二端端面相對，且所述膜片的第一表面與所述單模光纖的第二端端面之間具有間隙。

3、可選地，其特征在于：所述單模光纖的第一端端面作為光纖溫度傳感器的入射面，所述單模光纖的第二端端面作為光纖溫度傳感器的第一反射面，所述膜片靠近所述單模光纖的第二端端面的表面作為光纖溫度傳感器的第二反射面，所述膜片的第一表面與所述單模光纖的第二端端面之間的區(qū)域構成所述光纖溫度傳感器的空氣腔。

4、可選地，其特征在于：光纖溫度傳感器的干涉光譜信號ir表示為：

5、

6、其中，ic表示干涉光譜信號中的直流量，i1,i2分別表示在第一反射面的發(fā)射光和在第二反射面的反射光，k表示干涉信號的條紋可見度，表示由光信號在空氣腔光程內產生的相位差；光信號在空氣腔光程內產生的相位差表示為：

7、其中，k＝2π/λ表示波數，opd表示由空氣腔產生的干涉光程差，n表示空氣腔介質折射率，h(t)表示空氣腔腔長，λ表示光源波長。

8、可選地，其特征在于：所述光纖溫度傳感器所處的溫度發(fā)生變化，所述膜片發(fā)生形變，以使得所述空氣腔的腔長發(fā)生變化。

9、可選地，其特征在于：所述空氣腔的腔長表示為：

10、h＝h0+δh＝h0+α(t-t0)

11、其中，h0為初始腔長值，δh為腔長變化量，t為實時溫度，t0為初始狀態(tài)下的參考溫度，α為腔長靈敏度；所述膜片受熱膨脹后所述膜片的實際直徑2l為：2l＝2l0(1+α0(t-t0))

12、其中，2l0為初始狀態(tài)下，所述空芯光纖的內徑，α0為熱膨脹系數；腔長變化量δh滿足隱函數關系：

13、可選地，其特征在于：所述光纖溫度傳感器的空氣腔腔長與溫度呈線性關系。

14、可選地，其特征在于：所述光纖溫度傳感器的空氣腔腔長與所述光纖溫度傳感器所處的壓力無關。

15、可選地，其特征在于：所述膜片的第二表面的粗糙度大于所述膜片的第一表面的粗糙度。

16、可選地，其特征在于：初始狀態(tài)下，所述空氣腔的腔長大于所述膜片的厚度。

17、根據本申請的另一方面提供一種光纖溫度傳感系統，包括：上述的光纖溫度傳感器；光源，與所述光纖溫度傳感器連接，用于向所述光纖溫度傳感器提供入射光；以及光譜分析儀，與所述光纖溫度傳感器連接，用于接收所述光纖溫度傳感器的干涉光，并且根據所述干涉光解析出溫度信息。

18、本申請具有的優(yōu)點和積極效果是：

19、本申請通過一個單模光纖端面和膜片內表面構成低精細度法珀腔，根據測量環(huán)境溫度的變化導致膜片形變，進而導致腔長的變化，具有很高的波長靈敏度，傳感器有望在惡劣環(huán)境下正常使用。

20、本申請通過使用穿刺吸附法制備的傳感器，制作方法簡單，且靜電吸附與自粘性保證了結合強度，由于膜片分子間隙大，內外氣體流通，因此理論上排除了氣壓的影響；

21、本申請優(yōu)化傳感方式，利用高熱膨脹系數材料作為溫度敏感單元，使得傳感器具有很高的波長靈敏度；

22、本申請實施例的傳感器體積小，比常見的傳統電學傳感器體積小幾個量級，直徑為百微米量級，長度在毫米量級，且膜片為非極性聚合物材質，材料性能穩(wěn)定，有在惡劣環(huán)境和空間狹小的環(huán)境中使用的潛力。

技術特征：

1.一種光纖溫度傳感器，包括：

2.根據權利要求1所述的光纖溫度傳感器，其特征在于：所述單模光纖的第一端端面作為光纖溫度傳感器的入射面，所述單模光纖的第二端端面作為光纖溫度傳感器的第一反射面，所述膜片靠近所述單模光纖的第二端端面的表面作為光纖溫度傳感器的第二反射面，所述膜片的第一表面與所述單模光纖的第二端端面之間的區(qū)域構成所述光纖溫度傳感器的空氣腔。

3.根據權利要求2所述的光纖溫度傳感器，其特征在于：光纖溫度傳感器的干涉光譜信號ir表示為：

4.根據權利要求3所述的光纖溫度傳感器，其特征在于：所述光纖溫度傳感器所處的溫度發(fā)生變化，所述膜片發(fā)生形變，以使得所述空氣腔的腔長發(fā)生變化。

5.根據權利要求4所述的光纖溫度傳感器，其特征在于：所述空氣腔的腔長表示為：

6.根據權利要求2所述的光纖溫度傳感器，其特征在于：所述光纖溫度傳感器的空氣腔腔長與溫度呈線性關系。

7.根據權利要求2所述的光纖溫度傳感器，其特征在于：所述光纖溫度傳感器的空氣腔腔長與所述光纖溫度傳感器所處的壓力無關。

8.根據權利要求2所述的光纖溫度傳感器，其特征在于：所述膜片的第二表面的粗糙度大于所述膜片的第一表面的粗糙度。

9.根據權利要求2所述的光纖溫度傳感器，其特征在于：初始狀態(tài)下，所述空氣腔的腔長大于所述膜片的厚度。

10.根據權利要求1所述的光纖溫度傳感系統，其特征在于：包括：

技術總結
本申請?zhí)峁┮环N光纖溫度傳感器及光纖溫度傳感系統，光纖溫度傳感器包括：空芯光纖；單模光纖，與所述空芯光纖固定連接，所述單模光纖的第一端位于所述空芯光纖的外部，所述單模光纖的第二端經由所述空芯光纖的第一端開口延伸至所述空芯光纖的芯部；膜片，貼附于所述空芯光纖的第二端端面，所述膜片的第一表面與所述單模光纖的第二端端面相對，且所述膜片的第一表面與所述單模光纖的第二端端面之間具有間隙。

技術研發(fā)人員：王雙,劉宏宇,江俊峰,劉鐵根,譚珂,代小爽,李星雨
受保護的技術使用者：天津大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/5/15