[實用新型]一種基于光纖空氣環腔的邁克爾遜干涉儀的溫度傳感器

有效

• 申請號: 201520438069.2
• 申請日: 2015-06-19
• 公開（公告）號: CN204807234U
• 公開（公告）日: 2015-11-25
• 發明（設計）人: 馬啟飛;倪凱;黃然
• 申請（專利權）人: 中國計量學院
• 主分類號: G01K11/32
• 分類號: G01K11/32
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本實用新型提供了一種基于光纖空氣環腔的邁克爾遜干涉儀的溫度傳感器，屬于光纖傳感技術領域。

背景技術

光纖邁克爾遜干涉儀廣泛應用于傳感領域中。傳統的光纖邁克爾遜干涉儀是通過耦合透鏡使He-Ne激光進入單模光纖，然后通過光纖耦合器分成強度相等的兩束光。兩束光分別進入參考臂和傳感臂中進行傳播。在兩干涉臂中傳輸的光經各自光纖端面的反射鏡反射重新返回到光纖中，在這一過程中傳感臂受到被測物理量的影響，因此在兩臂中傳輸的光產生光程差，在光纖耦合器的另一輸出端將發生干涉。通過光電探測器來檢測輸出的干涉信號干涉圖。相對于其他結構的傳感器如基于馬赫曾德干涉儀的光纖傳感器，基于邁克爾遜干涉儀的光纖傳感器尤為顯著的優點是該傳感器測量的是反射譜。這個特點使得它能夠更加便利的應用到實際生活中去。近年來，人們提出一種新型的全光纖邁克爾遜干涉儀，通過引進一些光纖加工技術使得該干涉儀結構可在一根光纖上實現。該新型的全光纖干涉儀相對于傳統的干涉儀結構簡單，使用方便。本專利中提出的一種基于光纖空氣環腔的邁克爾遜干涉儀的溫度傳感器的制作使用到了飛秒激光器。飛秒激光器主要用于精密的微納加工，可實現超高分辨率，超高精度，從而達到納米尺度的加工制造。這種全光纖的邁克爾遜干涉儀具有靈敏度高，結構微小，柔韌性好，成本低等優點。

基于光纖空氣環腔的邁克爾遜干涉儀的溫度傳感器中的空氣環腔結構使得原來僅在纖芯中傳輸的光分別以纖芯模和空氣環腔模的形式進行傳輸，而金膜使得在纖芯和空氣環腔中傳輸的光在金膜端面處發生反射并在空氣環腔結構的起始端面發生干涉。干涉光譜顯示在光譜儀上。當使用該傳感器對外界環境溫度進行測量時，每次改變溫度都會使干涉條紋發生漂移。這是由于空氣環腔模和纖芯模對溫度變化的響應程度不同，從而導致原來的光程差發生改變。隨著光程差的改變，干涉條紋就會有所改變。當溫度經過一系列的變化之后，即可以在光譜儀上觀察到與之相對應的一系列的干涉條紋。在干涉條紋的某些特征位置，比如干涉峰或干涉谷，可以看到極值所位于的波長發生漂移，通過監測干涉光譜的漂移量可以實現溫度測量。

發明內容

本實用新型的目的在于提供一種基于光纖空氣環腔的邁克爾遜干涉儀的溫度傳感器。該裝置能夠將待測溫度的變化量轉化為探測信號的波長漂移量。具有靈敏度高，結構微小，柔韌性好，成本低等優點。

本實用新型通過以下技術方案實現：

一種基于光纖空氣環腔的邁克爾遜干涉儀的溫度傳感器，其特征在于：由入射光纖(1)、空氣環腔結構(2)、石墨烯膜(3)和金膜(4)組成；空氣環腔結構(2)的兩端分別與入射光纖(1)和石墨烯膜(3)相連接；石墨烯膜(3)兩端分別與空氣環腔結構(2)和金膜(4)相連；入射光纖(1)與空氣環腔結構(2)與石墨烯膜(3)與金膜(4)共同構成邁克爾遜干涉儀。

所述的一種基于光纖空氣環腔的邁克爾遜干涉儀的溫度傳感器，其特征在于：入射光纖(1)可采用G.652單模光纖，入射光纖(1)長度為20～40cm。

所述的一種基于光纖空氣環腔的邁克爾遜干涉儀的溫度傳感器，其特征在于：空氣環腔結構(2)所使用的光纖可采用G.652單模光纖，長度為50um～100um，空氣環腔結構(2)的環腔外圓半徑為4um～7um，內圓半徑為2um～5um，空氣環腔結構(2)的同心圓半徑差為2um。

所述的一種基于光纖空氣環腔的邁克爾遜干涉儀的溫度傳感器，其特征在于：金膜(3)厚度為100nm。

本實用新型的工作原理是：當寬帶光源發出的光經過入射光纖到達空氣環腔時，由于入射光纖的纖芯直徑比具有空氣環腔結構的這段光纖的纖芯直徑粗。這樣原本在纖芯中傳輸的光被分成兩部分，一部分光將繼續沿著纖芯傳輸，另一部分光進入空氣環腔中傳輸，當兩束光到達金鏡時，在纖芯和空氣環腔中傳輸的光在金膜端面發生反射并在空氣環腔結構的起始端面發生干涉，通過光譜儀來顯示反射光譜圖。

其中纖芯與空氣環腔之間傳輸的光發生了干涉，可以用已知的公式得：

其中I是干涉信號的強度，I_core和I_covity分別是從金膜面反射到纖芯和空氣環腔結構中的光的光強，λ為入射光波長，OPD是邁克爾遜干涉儀的來回的光程差，是干涉的初始相位。初始的OPD可以用公式(2)表示：

OPD＝2n_coreL(2)

其中n_core是纖芯的折射率，L是空氣環腔的長度。