基于硅基G-T腔的光纤温度传感系统

摘要

一种基于硅基G-T腔的光纤温度传感系统，包括依次连接的光源、硅基G-T腔光纤温度传感器和光谱分析单元，所述硅基G-T腔光纤温度传感器包括具有空腔的固定套管、双光纤头、硅传感芯片和填充物，所述硅传感芯片粘接于所述空腔内壁之间，所述双光纤头粘接于所述空腔的一端与所述硅传感芯片的一侧相对，所述硅传感芯片的另一侧相对的所述空腔以所述填充物填充。系统采用硅传感芯片，传感器各部件间采用胶进行粘接，传感器内部整体呈固体填充状态，在保持结构简单、成本低、抗电磁干扰等优点的同时，具备受外界压力干扰小、测量精度高、长期可靠性高。

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感技术，尤其涉及一种基于硅基G-T（Gires-Tournois） 腔的光纤温度传感系统。

背景技术

目前，温度作为一个重要的物理参量在工程应用和科学研究中占有十分重 要的地位，以热电偶、铂合金和半导体等为代表的传统温度传感器，以其原理 简单，测量精度高，成本低等优点而广泛应用在国民经济、国防建设等各个领 域，但在有强电磁干扰或易燃易爆的场合下，基于电信号测量的传统温度传感 器便显得束手无策，而光纤温度测量技术本身不带电、体积小、质量轻、易弯 曲、抗电磁干扰、抗辐射、不产生电火花和绝缘性好等特性,使得光纤温度传感 器成为存在电磁干扰、空间受限、易燃、易爆等恶劣环境下的有效温度测量手 段。已广泛应用于电力系统的开关、变压器等内部“热点”的在线监测，微波 加热、微波化学辅助仪器、微波食品加工等过程中被加热物质温度的在线测量， 射频、微波热疗仪、磁共振成像仪等医疗设备的在线安全监控，以及大电机定 子、轴瓦等关键部位温度的监测。

目前，有提出一种《光纤Fabry-Perot（法布里-珀罗，F-P）干涉式温度测 量》，基于F-P腔白光干涉原理的新型光纤温度传感器，将两根端面镀膜的多 模光纤插入空芯光纤中形成F-P干涉腔，整体再封装进铜管中进行增敏。另外， 提出了《基于非本征Fabry-Perot腔的干涉/强度调制型光纤温度传感器》，亦采 用上述类同的空腔结构，其原理皆是通过温度变化改变连接两光纤的增敏材料 的长度，进而改变了F-P腔体的长度，通过适当的解调设备实现温度信息的测 量。而上述结构中，F-P腔内为未填充状态，增敏材料与光纤间的连接易变化， 且难于控制，测量精度和长期可靠性都难以保证，使用中易受外界压力的干扰。

发明内容

基于此，有必要提供一种受外界压力干扰小、长期可靠的基于硅基G-T腔 的光纤温度传感系统。

一种基于硅基G-T腔的光纤温度传感系统，包括依次连接的光源、硅基 G-T腔光纤温度传感器和光谱分析单元，所述硅基G-T腔光纤温度传感器包括 具有空腔的固定套管、双光纤头、硅传感芯片和填充物，所述硅传感芯片粘接 于所述空腔内壁之间，所述双光纤头粘接于所述空腔的一端与所述硅传感芯片 的一侧相对，所述硅传感芯片的另一侧相对的空腔以所述填充物填充。

在其中一个实施例中，所述硅基G-T腔光纤温度传感器包括串联连接的多 个。

在其中一个实施例中，所述硅传感芯片包括硅片及设置于所述硅片相对两 侧的第一反射膜和第二反射膜，所述第一反射膜与所述双光纤头相对。

在其中一个实施例中，所述第一反射膜的反射率低于第二反射膜的反射率。

在其中一个实施例中，所述双光纤头的两根光纤之间夹角小于4度。

在其中一个实施例中，所述双光纤头为双光纤G-Lens准直器。

在其中一个实施例中，所述固定套管为金属毛细管、陶瓷套管或玻璃管。

在其中一个实施例中，所述填充物单模光纤、多模光纤或塑胶。

在其中一个实施例中，所述光源可为白光源、ASE光源、SLED光源、LED 光源或LD光源。

上述基于硅基G-T腔的光纤温度传感系统采用硅传感芯片，传感器各部件 间采用胶进行粘接，传感器内部整体呈固体填充状态，在保持结构简单、成本 低、抗电磁干扰等优点的同时，具备受外界压力干扰小、测量精度高、长期可 靠性高。

附图说明

图1是一个实施例中的基于硅基G-T腔的光纤温度传感系统的模块图；

图2是另一个实施例中基于硅基G-T腔的光纤温度传感系统的模块图；

图3是硅基G-T腔光纤温度传感器结构示意图；

图4是硅传感芯片的结构示意图；

图5是同一个硅基G-T腔的光纤温度传感器的在不同温度情况下的反射光 强光谱图；

图6是在不同参考频率和不同反射率情况下，四个硅基G-T腔的光纤温度 传感器的反射光强光谱图。

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以 下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述 的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

G-T腔的介绍：G-T腔是F-P腔的一种，它与一般F-P腔的不同之处在于 它的腔的一个反射面接近完全反射，反射率接近1，另一个反射面为部分反射， 反射率小于1。光从部分反射面进入腔内，在腔内多次反射振荡后，从同一侧 射出，插入损耗小。在传感器应用中，这种反射式的结构使得传感器安装方便， 同时由于光源和光谱分析单元在同一侧，利于现场的操作和调试。

如图1所示，一种基于硅基G-T腔的光纤温度传感系统，包括沿光路方向 设置的光源100、与光源100通过光纤连接的硅基G-T腔光纤温度传感器200 和与硅基G-T腔光纤温度传感器200通过光纤连接的光谱分析单元300。

在进一步的实施例中，参考图2，硅基G-T腔光纤温度传感器200包括串 联连接的多个，实现多个传感器的复用，进行多个传感器信息的同时测量。由 此可知，该系统可以是具有一个或多个串联连接的硅基G-T腔光纤温度传感器 200。

如图3所示，硅基G-T腔光纤温度传感器200包括具有空腔的固定套管210、 双光纤头220、硅传感芯片230和填充物240，硅传感芯片230通过胶250粘接 于空腔内壁之间，双光纤头220通过胶250粘接于空腔的一端与硅传感芯片230 的一侧相对，硅传感芯片230的另一侧相对的空腔以填充物240填充。

结合图3、4，硅传感芯片230包括硅片231及设置于硅片231相对两侧的 第一反射膜232和第二反射膜233，第一反射膜232与双光纤头220相对，第 二反射膜233与填充物240相对。采用硅片231作为温度传感单元，不同于传 统的通过改变F-P腔长的方式，由于无外部增敏材料的需求，固定套管210仅 起保护功能，结构简单、成本低、长期可靠性高。

第一反射膜232的反射率低于第二反射膜233的反射率。第一反射膜232 为部分反射率反射膜，反射率小于1；第二反射膜233为高反射率反射膜，接 近完全反射，反射率接近1。硅传感芯片230本质上是一个G-T腔。硅片231 两侧采用镀不同反射率的反射膜，制备不同反射曲线的传感器，硅片231的厚 度决定温度测量的范围。

参考图3，双光纤头220的两根光纤之间夹角小于4度，即其取值范围： 大于0小于4度。优选地，双光纤头220为双光纤G-Lens（自聚焦透镜）准直 器。

固定套管210为金属毛细管、陶瓷套管或玻璃管。填充物240单模光纤、 多模光纤或塑胶。光源100可为白光源、ASE（自发辐射）光源、SLED（超辐 射发光二极管）光源、LED(Light Emitting Diode，发光二极管)光源或LD(Laser  Diode，激光二极管)光源。

光源100发出的光进入硅基G-T腔光纤温度传感器200，在硅基G-T腔内 经过多次反射振荡，然后从出射光纤输出，进入光谱分析单元300。

基于多模光束干涉理论，G-T腔的反射光强分布可表示如下：

$I_R(R_1,R_2)=\frac{R_1-2\sqrt{R_1.R_2}.\cos \delta +R_2}{1-2\sqrt{R_1.R_2}.\cos \delta +R_1.R_2}$

其中：I_R(R₁,R₂)为反射光强，R₁为入射面的部分反射率，R₂为反射面的接近 全反射的反射率，δ为相位。

G-T腔的自由光谱程FSR可表示如下：

$\mathrm{FSR}=\frac{c}{2.D_{\mathrm{FSR}}.n(v_0,T_0)}$

其中：D_FSR为与自由光谱程FSR相对应的硅片231厚度。

硅的折射率和长度随温度发生变化，光程和相位亦随温度发生变化，进而 引起反射光强光谱的漂移。

硅的折射率与波长的关系可表示为：

n₀(ν)＝0.54147.λ(ν)⁵-4.09542.λ(ν)⁴+12.25821..λ(ν)³-18.0485..λ(ν)²+12.8941..λ(ν)

其中：波长与频率的关系可表示为：

$\lambda \left(v\right)=\frac{c}{v}$

其中：c＝299792.458um.GHz为光速，ν为频率，λ(ν)为频率ν对应的波长。

硅在温度T时的折射率可表示为：

n(ν,T)＝n₀(ν).[1+η(ν).(T-T₀)]

其中：η(ν)为折射率温度系数，n₀(ν)为参考波长对 应的折射率，T₀为参考温度。

硅在温度T时的厚度可表示为：

D_(T)＝(1+CTE(T-T₀)).D_FSR

其中：CTE为硅的热膨胀温度系数，CTE＝2.6×10^-6/K。

硅在温度T时的光程可表示为：

OD(FSR,ν,T)＝n(ν,T).D_(T)

硅在温度T时的相位可表示为：

$\delta (\mathrm{FSR},v,T)=\frac{2\pi }{\lambda \left(v\right)}.2.n(v,T).D_{\left(T\right)}$

因此，基于硅基G-T腔的光纤温度传感器的反射光强分布可表示如下：

$I_R(\mathrm{FSR},v,T,R_1,R_2)=\frac{R_1-2\sqrt{R_1.R_2}.\cos \delta (\mathrm{FSR},v,T)+R_2}{1-2\sqrt{R_1.R_2}.\cos \delta (\mathrm{FSR},v,T)+R_1.R_2}$

如图5所示，其为同一个硅基G-T腔光纤温度传感器200的在不同温度情 况下的反射光强光谱图。参考条件设为ν₀=194000GHz，T₀＝23℃，在上述参考条 件下，硅的折射率n₀(ν)=3.478。FSR为1000GHz时，相对应的硅片231厚度D_FSR为 43um。两端面反射率分别设定R₁=90%，R₂=99%，图5中，温度T₀分别为23℃， 30.925℃，38.85℃，46.775℃和54.7℃条件下的反射光强光谱，在温度变化范围 ΔT＝31.7℃情况下，反射光强光谱的中心波长从1537.67nm变化到1543.25nm，温 度波长变化系数约为0.24nm/℃，因此采用较低波长分辨率的光谱分析单元300， 即可实现高精度的温度测量。

如图6所示，其为在不同参考频率和不同反射率情况下，四个硅基G-T腔 光纤温度传感器200的反射光强光谱图，其对应的反射系数分别为 R₁₁=90%，R₂=99%、R₁₂=80%，R₂=99%、R₁₃=70%，R₂=99%和R₁₄=60%，R₂=99%。由于 每个光谱形状存在较大的差异，这可通过后续算法提取光谱信息的特征值，实 现各光谱的分离，允许多个不同反射光强光谱的传感器进行串联，实现多个传 感器温度的同时测量。

结合图2和图6，采用三个基于硅基G-T腔光纤温度器200串联的传感系 统，其中采用部分反射率R₁₁的硅基G-T腔光纤温度传感器200、采用部分反射 率R₁₂的硅基G-T腔光纤温度传感器200、采用部分反射率R₁₃的硅基G-T腔光纤 温度传感器200。基于反射率R₁₁，R₁₂，R₁₃互不相同，实际应用中可串联多个反 射率不同的基于硅基G-T腔的光纤温度器，实现传感器的复用和多点传感器的 同时测量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。