专利名称：一种可同时测量温度和压力的光纤传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学传感器，更特别地说，是指一种能够同时测量得到温度和压 力的光纤传感器。
背景技术：
温度和压力的测量在医疗业至关重要。随着微小侵入式疗法的推广，加之所探测 空间部位都极其狭窄，小型化变得重要。光纤尺寸�。透�、对电磁辐射本身不敏感，而且 具有很好的生物兼容性，使得光纤传感器因其生物适应性，尺寸�。杀镜停缇敌裕绱� 干扰性，在生物工程、医学诊断和治疗领域等器件的制作方面具有很大吸引力。光纤温度传感器的研究是光纤传感领域最活跃的研究方向之一。目前光纤温度传 感机理主要有受激荧光、干涉、光吸收、热致光辐射、光散射、双折射等，但目前技术比较成 熟、开始进入实用的侵入式温度传感器只有F-P干涉型(FPI)光纤温度传感器。与光纤温度传感技术相比，光纤压力传感技术的成熟度和应用情况相对不足，大 部分研究也都基于FPI。一般采用微机电或微光机电技术在光纤端形成FP腔，由于石英和 硅材料的杨氏模量都较高，很难实现生理压力测量需要的高压力灵敏度，一直未能很好满 足生理压力测量的要求。另外，这种技术复杂，可靠性差，受温度影响大，容易产生温度压力 传感信号交叉，影响了其使用效果。此外，基于FPI的温度和压力传感器的传感头尺寸必须足够大，否则其温度稳定 性和精度会随着尺寸的减小而变差。光子晶体光纤是基于光子晶体理论所制成的一种新型光导纤维。其包层区域是由 许多沿光纤轴向的微孔构成。根据其芯区的不同，导光机理也有所不同，通常将其分为两 类。一种是折射率导光型光子晶体光纤。这种光纤为实心，也成为高折射率导波光纤，其导 光原理类似于标准的全内反射传导，是根据修正的全内反射原理，在实心中传导光波，这种 情况下，信号光受到温度和应力的影响情况和传统光纤近似。另一种是光子带隙型光子晶 体光纤，这种光纤芯区折射率低，其包层中的孔是按周期性排列的，形成二维光子晶体。这 种二维周期性折射率变化的结构不允许某些频段的光在垂直于光纤轴的方向(横向)传 播，形成所谓的光子带隙。这一导光原理与常规光纤有本质的不同，它允许光在折射率比包 层低的纤芯中传播，一般是在空气中传播，其受温度的影响极�。沽Φ奈⑿”浠嵋� 其包层空气孔的结构从而使带隙发生变化而改变导光特性，即这种光纤对压力极其敏感。
发明内容
为了解决现有传感器功能单一，并且温度和压力互干扰的问题，本发明提出一种 基于共光源、波分复用的可同时测量得到温度和压力的光纤传感器。该光纤传感器包含有 温度_压力处理器3、光谱分析仪5、宽谱光源4、单模光纤定向耦合器6、偏振控制器7、光纤 波分复用器8、第一单模尾纤9、第二单模尾纤10、压力传感头1和温度传感头2。其中，温 度_压力处理器3接收由光谱分析仪5输出的光谱特性可以分别得到透射光谱和反射光谱的峰值波长变化情况。本发明光纤传感器的连接关系是宽谱光源4的尾纤与光纤耦合器6的A端熔接； 光纤耦合器6的B端与偏振控制器7的入纤熔接，光纤耦合器6的C端与光谱分析仪5连 接接；偏振控制器7的尾纤与波分利用器8的A端熔接；波分利用器8的C端与第一单模尾 纤9的一端熔接，第一单模尾纤9的另一端与压力传感头1中的保偏光子晶体光纤11的另 一端熔接；波分利用器8的B端与第二单模尾纤10的一端熔接，第二单模尾纤10的另一端 与温度传感头2中的熊猫光纤21的一端熔接；光谱分析仪5的输出端与温度-压力处理器 3之间通过数据线相连；温度_压力处理器3用于计算并输出温度和压力值。本发明可同时测量温度和压力的光纤传感器的优点在于①利用熊猫光纤作为温度传感头来获取被测对象的温度信息，测量时不受电磁干 扰，使测得的温度信息准确稳定。②利用高双折射光子晶体光纤作为压力传感头来获取被测对象的压力信息，实时 测量时不受温度和电磁干扰造成的测量精度不高、不稳定的缺陷，使测得的压力信息精确。③设计上采用一个光源进行两路信息的测量，减小了光源不稳定带来的测量误差。④将光谱分析仪与计算机相结合，扩大了传感器的应用领域；通过计算机与软件 的配合使用能够提高对所测量得到的温度、压力的再利用。⑤可克服结构复杂，可靠性差，温度和压力相互干扰的问题，同时具备更好的抗辐 射能力。
图1是组成本发明光纤传感器的结构图。图IA是本发明光纤传感器上的光纤波分复用器中的光路结构图。图2是本发明光纤传感器的压力传感头的结构图。图2A是本发明光纤传感器的压力传感头的另一视角结构图。图3是本发明光纤传感器的温度传感头的结构图。图3A是本发明光纤传感器的温度传感头的分解图。图3B是本发明光纤传感器的温度传感头的剖视图。图4是计算机中温度_压力测试的界面图。图中1.压力传感头11.保偏光子晶体光纤 12.单模光纤13.压力反 射膜2.温度传感头21.熊猫保偏光纤22.石英管23.温度反射膜24.导热 硅脂3.温度-压力处理器 4.宽谱光源5.光谱分析仪 6.单模光纤定向耦合器 7.偏振控制器8.光纤波分复用器9.单模光纤10.单模光纤
具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。参见图1所示，本发明是一种可同时测量温度和压力的光纤传感器，该光纤传感 器包含有温度_压力处理器3、光谱分析仪5、宽谱光源4、单模光纤定向耦合器6、偏振控制 器7、光纤波分复用器8、第一单模尾纤9、第二单模尾纤10、压力传感头1和温度传感头2。
参见图2、图2A所示，压力传感头1包括有保偏光子晶体光纤11、单模光纤12和 压力反射膜13，单模光纤12的一端与保偏光子晶体光纤11的一端熔接，单模光纤12的另 一端的端面上镀有压力反射膜13 ；保偏光子晶体光纤11的另一端与第一单模尾纤9的另 一端熔接；所述的压力反射膜13选用的材料为二氧化硅或者二氧化钛。参见图3、图3A、图3B所示，温度传感头2包括有熊猫光纤21、石英管22、温度反 射膜23和导热硅脂24 ；熊猫光纤21的一端与第二单模尾纤10的另一端熔接，熊猫光纤21 的另一端的端面上镀有温度反射膜23 ；将温度反射膜23镀在熊猫光纤21的另一端的端面 上的结构称为测温预成型体，该测温预成型体插入石英管22内，且用导热硅脂24作为填 料，充分填满测温预成型体与石英管22之间的间隙。所述的温度反射膜23选用的材料为 二氧化硅或者二氧化钛。下面将对本发明传感器中的各个器件所实现的功能进行详细说明(一)温度-压力处理器3温度-压力处理器3包括有一计算机，以及存储在该计算机中的温度处理�？楹� 压力处理�？椋辉诒痉⒚髦校扑慊且恢帜芄话凑帐孪却娲⒌某绦颍远�、高速地进行大量数值 计算和各种信息处理的现代化智能电子设备。最低配置为CPU 2GHz，内存2GB，硬盘180GB ； 操作系统为 windows 2000/2003/XP。在本发明中，温度处理�？椴捎肰C语言编写，用于实现对光谱分析仪5输出的温 度光谱特性进行处理，从而得到温度值T显示在计算机的显示屏中，以方便使用者观察和 对传感器的动态信息进行掌握。在本发明中，压力处理�？椴捎肰C语言编写，用于实现对光谱分析仪5输出的压 力光谱特性进行处理，从而得到压力值P显示在计算机的显示屏中，以方便使用者观察和 对传感器的动态信息进行掌握。温度-压力处理器3接收由光谱分析仪5输出的光谱特性可以分别得到透射 光谱和反射光谱的峰值波长变化情况。温度的变化和反射光谱的峰值波长变化成正比
Κ,Τ = ^ + ^^表示温度的比例系数，T表示测量获得的温度，7表示反射光谱的均值波
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长，λ ,表示反射光谱内选取的峰值波长，C1表示温度的修正常数；同理，压力的变化和透射
光谱的峰值波长变化成正比&户=^"+匸2，1(2表示压力的比例系数，P表示测量获得的压
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力，不表示折射光谱的均值波长，λ 2表示透射光谱内选取的峰值波长，C2表示压力的修正常 数。温度-压力处理器3通过软件程序和采集到的光谱参数对上两式进行求解可得到 温度和应力大�。⒔峁允驹诮缑嫔希媒缑嫒缤�4所示；图中示出温度与时间、压力 与时间的关系曲线。其中，实时温度分布曲线可以直观地表示出监测时间段(time)内任一时间点的 温度值(Temperature)，并可以将数据显示在左边的方格内，同时计算出和上一秒的温度 差，并加以显示。其中，实时压力分布曲线可以直观地表示出监测时间段(time)内任一时间点的
6压力值(Pressure)，并可以将数据显示在左边的方格内，同时计算出和上一秒的压力差，并 加以显示。( 二 )光谱分析仪5光谱分析仪5用于采集输出光的光谱特性。在本发明中，选用的是日本横河电机 公司(Y0K0GAWA公司)生产的AQ6370型光谱分析仪。(三)宽谱光源4宽谱光源4能够同时为压力传感头1和温度传感头2提供适宜的光信号。光源4 为宽谱光源；选用是掺铒光纤光源(SFS)，其中心波长为1545nm，输出功率大于10mW，带宽 大于40nm。(四)单模光纤定向耦合器6单模光纤定向耦合器6选用四端口，即二入二出，能够对中心波长为1550nm的光 进行传输。在本发明中，光纤耦合器采用ORTE Photonics公司生产的典型的4端口结构的 50/50分光的单模光纤耦合器，A端、C端一般为光纤耦合器的入纤端，B端为光纤耦合器的 尾纤端。工作波长1550nm，典型附加损耗0. 07dB，插入损耗小于3. 4dB。(五)偏振控制器7所述的偏振控制器利用三个光纤环的旋转产生对光纤的应力，从而调整光的偏振 态，使信号光的偏振保持在固定方向上。这里选用的是Cormet Fiber Optics公司生产的 三环型机械式光纤偏振控制器。(六)波分复用器8所述的WDM将光谱分为透射光谱和反射光谱，分别用于压力和温度探测。这里选 用的是奥康公司的粗波分复用器(CWDM)采用薄膜滤波技术，波长覆盖1270nm至1610nm范 围，符合ITU G. 694. 2的粗波分复用标准。(七)第一单模尾纤9所述的第一单模尾纤9将透射光传输进入压力传感头。(八)第二单模尾纤10所述的第二单模尾纤10将反射光传输进入温度传感头。(九)压力传感头1所述的压力传感头进行压力传感，透射光在压力传感头的光纤段(保偏光子晶体 光纤11)内传输，当外界引入压力时，透射光的光谱将会发生变化。在本发明中，保偏光子 晶体光纤11选用的是HC-1550-PM-01型保偏光子晶体光纤(Crystal-Fiber公司生产)(十)温度传感头2所述的温度传感头进行温度传感，反射光在压力传感头的光纤段(熊猫光纤21) 内传输，当外界温度发生变化时，反射光的光谱将会发生变化。在本发明中，熊猫光纤21选 用的是拍长为2. 056mm的熊猫型保偏光纤。本发明光纤温度传感器的连接关系是宽谱光源4的尾纤与光纤耦合器6的A端 (即光纤耦合器的一根入纤)熔接；光纤耦合器6的B端(即光纤耦合器的一根尾纤)与 偏振控制器7的入纤熔接，光纤耦合器6的C端(即光纤耦合器的另一根尾纤)与光谱分 析仪5连接接；偏振控制器7的尾纤与波分利用器8的A端(即输入光纤)熔接；波分利用 器8的C端(即透射端尾纤)与第一单模尾纤9的一端熔接，第一单模尾纤9的另一端与压力传感头ι中的保偏光子晶体光纤11的另一端熔接；波分利用器8的B端(即反射端尾 纤)与第二单模尾纤10的一端熔接，第二单模尾纤10的另一端与温度传感头2中的熊猫 光纤21的一端熔接；光谱分析仪5的输出端与温度_压力处理器3之间通过数据线相连； 温度_压力处理器3用于计算并输出温度和压力值。参见图IA所示，本发明设计的光纤传感器在进行温度测量时的光路传输为宽谱光源4发出的信号光经过定向耦合器6和偏振控制器7后从波分复用器8的 A端进入；然后波分复用器8将信号光的光谱分为反射光和透射光两部分，且反射光与透射 光不重叠；其中的反射光经第二单模光纤10进入温度传感头2中，并在温度传感头2的温 度反射膜23处被反射回，反射回的反射光称为温度反射光；该温度反射光经第二单模光纤 10后从波分复用器8的B端进入，温度反射光在波分复用器8中与压力反射光进行合并，得 到合并光，该合并光从波分复用器8的A端输出，并顺次经偏振控制器7、单模光纤定向耦合 器6后，并从单模光纤定向耦合器6的C端口输出至光谱分析仪5。参见图IA所示，本发明设计的光纤传感器在进行压力测量时的光路传输为宽谱光源4发出的信号光经过定向耦合器6和偏振控制器7后从波分复用器8的 A端进入；然后波分复用器8将信号光的光谱分为反射光和透射光两部分，且反射光与透射 光不重叠；其中的透射光经第一单模光纤9进入压力传感头1中，并在压力传感头1的压力 反射膜13处被反射回，反射回的透射光称为压力反射光；该压力反射光经第一单模光纤9 后从波分复用器8的C端进入，压力反射光在波分复用器8中与温度反射光进行合并，得到 合并光，该合并光从波分复用器8的A端输出，并顺次经偏振控制器7、单模光纤定向耦合器 6后，并从单模光纤定向耦合器6的C端口输出至光谱分析仪5。在本发明中，光源选择宽谱光源可以有效减少在光纤接头等处的反射光的寄生效 应从而提高系统性能。并且采用一个光源同时为温度和压力的传感提供光信号，大大增加 了系统的集成性并降低了成本。在本发明中，使用波长检测技术减小了由于老化和现场应用等因素造成的光源输 出功率波动和器件损耗的影响。本发明涉及的一种可同时测量温度和压力的光纤传感器，是通过使用一个宽谱光 源4作为传感器光源，波分复用器8将光谱进行分解，分别用于温度和压力的测量，分解后 的光谱几乎没有交叉，测量结果直观，通过波长检测的方式得到结果，有效地减小了误差； 光子晶体光纤11对于温度不敏感，对于压力较普通光纤更敏感这一特性更好地降低了测 量结果产生串扰的误差；本发明的光纤温度压力传感器具有体积�。迪址奖悖煽啃愿叩� 特点。
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权利要求
一种可同时测量温度和压力的光纤传感器，包括有计算机、光谱分析仪(5)，其特征在于还包括有宽谱光源(4)、单模光纤定向耦合器(6)、偏振控制器(7)、光纤波分复用器(8)、第一单模尾纤(9)、第二单模尾纤(10)、压力传感头(1)和温度传感头(2)；所述的计算机与温度处理�？�、压力处理�？楣钩晌露� 压力处理器(3)；压力传感头(1)包括有保偏光子晶体光纤(11)、单模光纤(12)和压力反射膜(13)，单模光纤(12)的一端与保偏光子晶体光纤(11)的一端熔接，单模光纤(12)的另一端的端面上镀有压力反射膜(13)；保偏光子晶体光纤(11)的另一端与第一单模尾纤(9)的另一端熔接；温度传感头(2)包括有熊猫光纤(21)、石英管(22)、温度反射膜(23)和导热硅脂(24)；熊猫光纤(21)的一端与第二单模尾纤(10)的另一端熔接，熊猫光纤(21)的另一端的端面上镀有温度反射膜(23)；将温度反射膜(23)镀在熊猫光纤(21)的另一端的端面上的结构称为测温预成型体，该测温预成型体插入石英管(22)内，且用导热硅脂(24)作为填料，充分填满测温预成型体与石英管(22)之间的间隙；所述光纤传感器的连接关系为宽谱光源(4)的尾纤与光纤耦合器(6)的A端熔接；光纤耦合器(6)的B端与偏振控制器(7)的入纤熔接，光纤耦合器(6)的C端与光谱分析仪(5)连接接；偏振控制器(7)的尾纤与波分利用器(8)的A端熔接；波分利用器(8)的C端与第一单模尾纤(9)的一端熔接，第一单模尾纤(9)的另一端与压力传感头(1)中的保偏光子晶体光纤(11)的另一端熔接；波分利用器(8)的B端与第二单模尾纤(10)的一端熔接，第二单模尾纤(10)的另一端与温度传感头(2)中的熊猫光纤(21)的一端熔接；光谱分析仪(5)的输出端与温度 压力处理器(3)之间通过数据线相连；温度 压力处理器(3)用于计算并输出温度和压力值。
2.根据权利要求1所述的可同时测量温度和压力的光纤传感器，其特征在于所述的 压力反射膜(13)选用的材料为二氧化硅或者二氧化钛。
3.根据权利要求1所述的可同时测量温度和压力的光纤传感器，其特征在于所述的 温度反射膜(23)选用的材料为二氧化硅或者二氧化钛。
4.根据权利要求1所述的可同时测量温度和压力的光纤传感器，其特征在于温 度-压力处理器(3)接收由光谱分析仪(5)输出的光谱特性分别得到透射光谱和反射光谱的峰值波长变化情况；温度的变化和反射光谱的峰值波长变化成正比Ar = ^iCwK1表示温度的比例系数，T表示测量获得的温度，式表示反射光谱的均值波长，λ工表示反射光谱 内选取的峰值波长，C1表示温度的修正常数；同理，压力的变化和透射光谱的峰值波长变化成正比= | + ,K2表示压力的比例系数，P表示测量获得的压力，7表示折射光谱的Zt2A2均值波长，λ 2表示透射光谱内选取的峰值波长，C2表示压力的修正常数。
5.根据权利要求1所述的可同时测量温度和压力的光纤传感器，其特征在于该光纤 传感器在进行温度测量时的光路传输为宽谱光源(4)发出的信号光经过定向耦合器(6) 和偏振控制器(7)后从波分复用器(8)的A端进入；然后波分复用器(8)将信号光的光谱分 为反射光和透射光两部分，且反射光与透射光不重叠；其中的反射光经第二单模光纤(10)进入温度传感头(2)中，并在温度传感头(2)的温度反射膜(23)处被反射回，反射回的反 射光称为温度反射光；该温度反射光经第二单模光纤(10)后从波分复用器(8)的B端进 入，温度反射光在波分复用器(8)中与压力反射光进行合并，得到合并光，该合并光从波分 复用器(8)的A端输出，并顺次经偏振控制器(7)、单模光纤定向耦合器(6)后，并从单模光 纤定向耦合器(6)的C端口输出至光谱分析仪(5)。
6.根据权利要求1所述的可同时测量温度和压力的光纤传感器，其特征在于该光纤 传感器在进行压力测量时的光路传输为宽谱光源(4)发出的信号光经过定向耦合器(6) 和偏振控制器(7)后从波分复用器(8)的A端进入；然后波分复用器(8)将信号光的光 谱分为反射光和透射光两部分，且反射光与透射光不重叠；其中的透射光经第一单模光纤 (9)进入压力传感头⑴中，并在压力传感头⑴的压力反射膜(13)处被反射回，反射回的 透射光称为压力反射光；该压力反射光经第一单模光纤(9)后从波分复用器(8)的C端进 入，压力反射光在波分复用器(8)中与温度反射光进行合并，得到合并光，该合并光从波分 复用器(8)的A端输出，并顺次经偏振控制器(7)、单模光纤定向耦合器(6)后，并从单模光 纤定向耦合器6的C端口输出至光谱分析仪(5)。
7.根据权利要求1所述的可同时测量温度和压力的光纤传感器，其特征在于宽谱光 源⑷选用是掺铒光纤光源，其中心波长为1545nm，输出功率大于10mW，带宽大于40nm。
8.根据权利要求1所述的可同时测量温度和压力的光纤传感器，其特征在于用于压 力传感的光纤为保偏光子晶体光纤。
9.根据权利要求1所述的可同时测量温度和压力的光纤传感器，其特征在于用于温 度传感为应力型保偏光纤。
全文摘要
本发明公开了一种可同时测量温度和压力的光纤传感器，该传感器的探测端上设有温度传感头和压力传感头，并且所述的两个传感头共用一个宽谱光源作为其信号光源；本发明传感器使用光纤波分复用器将宽谱光源发出的光分成透射光和反射光，分别用于应力、温度的测量；温度传感头和压力传感头测得的两路传感信号通过单模光纤定向耦合器进入光谱分析仪中；在光谱分析仪中对两组光峰值波长变化进行检测，从而获得被测点温度和压力的变化。本发明传感器解决了温度和压力相互干扰的问题，同时具备更好的抗辐射能力。
文档编号G01K11/32GK101929879SQ201010243270
公开日2010年12月29日 申请日期2010年8月2日 优先权日2010年8月2日
发明者杨明伟, 杨远洪, 段玮倩 申请人:北京航空航天大学
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