Датчики оптоволоконные (FOSs) были в центре внимания многих исследователей из-за ее уникальные свойства, такие как ее небольшой размер, его низкой стоимости, его легкий вес и его иммунитет к электромагнитные помехи (EMI)1. Эти ФОСС нашли широкое применение во многих областях, таких, как мониторинг окружающей среды, наблюдения океана, разведки нефти и производственного процесса, среди других. Когда дело доходит до температуры связанных зондирования, традиционные ФОСС не превосходят с точки зрения резолюции и скорость для случаев, где измерение минуту и быстро температуры является желательным. Эти ограничения вытекают из оптических и тепловые свойства кварцевого материала, на котором основаны многие традиционные ФОСС. С одной стороны коэффициент термо оптические (TOC) и коэффициент теплового расширения (TEC) кремния являются 1.28x10-5 RIU / ° C и 5.5x10-7 m/(m·°C), соответственно; Эти значения приводят к чувствительности температуры лишь около 13 pm / ° C вокруг волны 1550 нм. С другой стороны температуропроводности, которая является мерой скорости температуры изменения в ответ на обмен тепловой энергии, это только 1.4x10-6 m2/s для кремния; Это значение не является улучшенный для повышения скорости на основе силики ФОСС.
Волоконно оптического зондирования платформы (FOSP) сообщалось в этой статье перерывов выше ограничения на основе кварцевого ФОСС. Новый FOSP использует кристаллического кремния как ключ зондирования материала, который формирует интерферометра Фабри-Перо высокого качества (ИНФ) на конце волокна, здесь называют FOSP накренилась кремния (Si-FOSP). На рисунке 1 показана схема и оперативный принцип головки датчика, который является ядром Si-FOSP. Сенсорная головка по существу состоит из кремния ИПИ, чьи спектр отражения особенности серии периодических полос. Разрушительного вмешательства происходит, когда ОБН удовлетворяет 2nL = Nλ, где n и L преломления и длина полости кремния FP, соответственно, и N — это целое число, которое представляет порядок в вырез fringe. Таким образом позиции интерференционных полос реагировать ОБН полости кремния. В зависимости от конкретного применения, кремния ИПИ могут быть сделаны в двух типов: низкий утонченность ИПИ и средней утонченности инф. Низкий утонченность ИПИ имеет низкой отражательной способности для обоих концах полости кремния, а средней утонченности ИПИ высокой отражательной способностью для обоих концах кремния полости. Коэффициенты отражения интерфейсов кремния воздух и кремния волокна составляют примерно 30% и 18%, таким образом единственным кремния ИПИ, показан на рисунке 1a по сути низким утонченность инф. Покрытие слоем тонкой высокой отражательной способности (HR) на обоих концах, средней утонченности кремния, который ИПИ создан (рис. 1b). Отражательная способность HR покрытия (диэлектрик или золото) может достигать 98%. Для обоих типов Си-FOSP n и L увеличить когда температура повышается. Таким образом осуществляя мониторинг смены бахрома, Флуктуация температуры можно дедуцировать. Обратите внимание, что за такое же количество волны сдвига, средней утонченности ИПИ дает лучше дискриминации из-за гораздо более узкими бахрома паз (рис. 1С). В то время как Si-FOSP средней утонченности имеет лучшее разрешение, низкая утонченность Si-FOSP имеет больший динамический диапазон. Таким образом выбор между этими двумя версиями зависит от требований конкретного приложения. Кроме того из-за большой разницы в полную ширину в половина максимума (FWHM) низкой утонченность и средней утонченности кремния FPIs, их методы Демодулирование сигнала отличаются. Например, теоретические FWHM 1,5 Нм уменьшается о 50 раз только 30 вечера, когда обоих концах единственным кремния ИПИ покрыты слоем HR 98%. Таким образом, для низкой утонченность Si-FOSP, высокоскоростной спектрометр будет достаточно для сбора и обработки данных, в то время как сканирующий лазер должен использоваться для демодуляции средней утонченности Si-FOSP благодаря гораздо короче FWHM, которые не могут быть разрешены хорошо спектрометр. Эти два метода демодуляции будет объяснено в протоколе.
Для Датчик температуры с точки зрения резолюции превосходит кремниевого материала выбрали здесь. Для сравнения TOC и TEC кремния являются RIU / ° C 1.5x10-4 и 2.55x10-6 m/(m∙°C), соответственно, приводит к чувствительности температуры около 84,6 м / ° C, которая около 6,5 раза выше, чем у всех на основе силики ФОСС2. Помимо этого намного выше чувствительность мы продемонстрировали средняя длина волны, отслеживания метод, чтобы уменьшить уровень шума и таким образом улучшить разрешение для датчика низкий утонченность, ведущих к температуре резолюции 6 x 10-4 ° C 2, в Сравнение в резолюции 0,2 ° C для всех на основе силики Фос3. Резолюция далее улучшена быть 1.2x10от -4 ° C для средней утонченности версии4. Кремниевого материала превосходит также для зондирования с точки зрения скорости. Для сравнения температуропроводности кремния является 8.8x10-5 m2/s, который более чем в 60 раз выше, чем у кремния2. В сочетании с небольшой след (например, 80 мкм диаметр, толщина 200 мкм), время отклика 0,51 МС для кремния, который был FOS продемонстрировал2, по сравнению с 16 мс микро кремний волокна автосцеп подсказка температуры датчик5. Хотя некоторые исследовательские работы, связанные с измерения температуры с помощью очень тонкий кремния фильм, как другие группы6,,78,9, никто из них не было сообщено зондирования материал обладает производительность наших датчиков с точки зрения резолюции или скорость. Например, датчик с разрешением только 0.12 ° C и время отклика длиной 1 s было сообщено. 7 , который был лучше разрешение температуры 0,064 ° c сообщили10; Однако скорость ограничивается сравнительно громоздкие Сенсорная головка. Что делает Si-FOSP уникальный лежит в новый метод изготовления и обработки данных алгоритмом.
Помимо вышеуказанных преимуществ для Датчик температуры Si-FOSP также могут быть разработаны в различные датчики температуры, направленные в измерения различных параметров, таких как газа давление11, воздуха или воды потока12,13 ,14 и излучение4,15. Эта статья представляет подробное описание датчика изготовление и сигнал демодуляции протоколы наряду с три представителя приложений и их результаты.