CN101614662A - 全光纤环型反射面结构的微型f-p折射率传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全光纤环型反射面结构的微型F－P折射率传感器，它由普通单模光纤、大芯径空芯光纤和中心有通孔的光纤组成，普通单模光纤、大芯径空芯光纤、中心有通孔的光纤顺次熔接固定，大芯径空芯光纤和中心有通孔的光纤纤芯相通，中心有通孔的光纤和大芯径空芯光纤的接触面形成环型反射面；本发明的有益技术效果是：提供了一种制作简单、体积小、测量精度高、应用范围广、抗干扰能力强的新型折射率传感器。

Description

全光纤环型反射面结构的微型F-P折射率传感器

技术领域

本发明涉及一种光传感技术，尤其涉及一种全光纤环型反射面结构的微型F-P折射率传感器及其制作方法。

背景技术

折射率是在化工、医药、食品、石油，煤矿等工业部门有重要用途。其基本的原理是不同物质以不同比例的混合其折射率不同，因此在工业上，测量混合物(主要是液体和气体)的折射率可以获知各成分的浓度，即含量的多少。如制糖工业中糖浆中糖的浓度；化学反应池中各反应物质的浓度，如上些有毒气体，一氧化碳，二氧化硫等；在煤矿工业中对瓦斯气体浓度的检测等。

较为典型的测量方法有掠面入射法、衍射光栅法、激光照射法和CCD测量法。这些方法都有各自的技术特点，但是不同的测量方法分别存在待测参数多、待测样品需要量较大、待测样品在开放或半开放状态下测量、对测量装置的要求高等局限性。典型的如阿贝折射仪存在操作不方便、效率低和观察到的现象不稳定的等问题，无法满足现代化工业生产的需要。光纤传感器具有精度高、抗腐蚀、抗电磁干扰、耐高温、体积小等优点而日益受到人们的重视。基于长周期光纤光栅的折射率计具有较高的灵敏度，但由于长周期光纤光栅受自身的弯曲影响大，使得其可靠性大大降低。基于倏逝波场的光纤瓦斯气体传感器可对矿井中的瓦斯气体和液化石油气的泄露进行有效的监测，但其使用的裸光纤易受污染是其要解决的难题。基于珐珀腔端面型的折射计，是通过珐珀腔的对比度改变来测量被测物的折射率，相比传统的折射率传感器其最大的优点在于体积小，但珐珀腔的对比度易受光源的影响，且精度一般。

利用被测对象进入珐珀腔内，改变珐珀腔光程差来测量折射率优势明显，其精度高、结构稳定、且体积小、受光源波动影响小，可复用成网实现多点测量。

发明内容

本发明提出了一种全光纤环型反射面结构的微型F-P折射率传感器，它由普通单模光纤1、大芯径空芯光纤2和中心有通孔的光纤3组成，普通单模光纤1、大芯径空芯光纤2、中心有通孔的光纤3顺次熔接固定，大芯径空芯光纤2和中心有通孔的光纤3纤芯相通；普通单模光纤1和中心有通孔的光纤3的外径介于大芯径空芯光纤2的内径和外径之间，且中心有通孔的光纤3和大芯径空芯光纤2的接触面形成环型反射面。中心有通孔的光纤由实芯光纤通过化学试剂腐蚀形成通孔而成

所述的大芯径空芯光纤的内径为10～100微米，外径为125～300微米；中心有通孔的光纤的内径为2～20微米，外径为125～300微米；中心有通孔的光纤的长度为2～100微米。

本发明还提出了一种全光纤环型反射面结构的微型F-P折射率传感器的制作方法，该方法步骤包括：

1)根据需要的长度切割普通单模光纤，采用光纤熔接机将普通单模光纤熔接在大芯径空芯光纤一端，且普通单模光纤将大芯径空芯光纤的纤芯口完全覆盖；

2)根据需要的F-P腔长度，切割大芯径空芯光纤；

3)采用光纤熔接机将大芯径空芯光纤的另一端与中心有通孔的光纤熔接，中心有通孔的光纤将大芯径空芯光纤的纤芯口完全覆盖，并使中心有通孔的光纤的纤芯与大芯径空芯光纤的纤芯相通；

4)切割中心有通孔的光纤，使得中心有通孔的光纤的长度足够短。

步骤1)和步骤3)中溶解操作时的电弧功率等级为100，预放电时间为170ms，放电持续时间为800ms。

所述的大芯径空芯光纤的内径为10～100微米，外径为125～300微米；中心有通孔的光纤的内径为2～20微米，外径为125～300微米，且长度为2～100微米。

本发明的有益技术效果是：待测物可以十分容易地进出珐珀腔内，实现了通过探测因珐珀光程差的改变使珐珀干涉谱漂移的相位法测量折射率，并且该折射率计制作简单、精度高、可靠性高、体积小、效率高、抗腐蚀、受光源波动影响小，特别是工业生产中、有毒，易燃易爆，高电磁场环境等各种状况下的折射率及物质浓度在线测量。

附图说明

附图1为全光纤环型反射面结构的微型F-P折射率传感器结构示意图；

附图2为大芯径空芯光纤的端面结构示意图；

附图3为中心有通孔的光纤的端面结构示意图；

附图4为采用本发明的传感器的测量折射率的装置结构示意图

附图中，普通单模光纤1、大芯径空芯光纤2、中心有通孔的光纤3、宽带光源4、耦合器5、全光纤环型反射面结构的微型F-P折射率传感器6、光谱仪7、计算机8。

具体实施方式

参见图1，图中所示即为本发明的传感器结构，它由普通单模光纤1、大芯径空芯光纤2和中心有通孔的光纤3组成，普通单模光纤1、大芯径空芯光纤2、中心有通孔的光纤3顺次熔接固定，大芯径空芯光纤2和中心有通孔的光纤3纤芯相通；

大芯径空芯光纤2的纤芯(也即F-P腔)两端口分别被普通单模光纤1和中心有通孔的光纤3封闭，大芯径空芯光纤2的纤芯内部(图中2-1处)只能通过中心有通孔的光纤3的纤芯(图中3-1处)与外环境连通，而且中心有通孔的光纤3还应该足够短，以使外部流体(气体、液体)能够容易的进入大芯径空芯光纤2的纤芯，改变F-P腔的折射率。同时，中心有通孔的光纤3的外径要比大芯径空芯光纤2的外径小，不然就无法在大芯径空芯光纤2与中心有通孔的光纤3的接触面上形成环型反射面，而且中心有通孔的光纤3的芯径应小于大芯径空芯光纤2的芯径(参见图2、3)。

本发明的另一个重点就是传感器的制作，其具体步骤在发明内容部分已有详细阐述，在此不再赘述，按照本发明的方法将传感器制作完成后还须要其它一些外部设备与之结合才能组成完整的测量装置，该测量装置结构如图4所示，它由宽带光源4、1×2耦合器5、全光纤环型反射面结构的微型F-P折射率传感器6、光谱仪7和计算机8组成；其中，宽带光源4连接到1×2耦合器5的一端，耦合器5的另一端连接到全光纤环型反射面结构的微型F-P折射率传感器6，形成反射干涉谱线，由1×2耦合器5连接到光谱仪7，计算机8与光谱仪7通信连接，来处理数据。

将折射率传感器安置在需要测量的气体或液体内，气体或液体很容易通过中心有通孔的光纤3的小孔进去珐珀腔，由于采用的全光纤环型反射面结构的微型F-P折射率传感器6的珐珀腔长度在微米级，腔外气体或液体与腔内的气体或液体交换速度快，因此全光纤环型反射面结构的微型F-P折射率传感器6很快会响应到被测对象的折射率。

该测量系统信号的流动过程为：宽带光源4输出一定带宽波长的激光(一般为C波段激光，1520nm～1570nm)，进入1×2个耦合器5，再进入全光纤环型反射面结构的微型F-P折射率传感器6，形成的反射干涉谱再经1×2个耦合器5进入光谱仪7，光谱仪7通过通信连接将反射干涉谱存储在计算机8内，然后数据处理。

Claims (6)

1、一种全光纤环型反射面结构的微型F-P折射率传感器，其特征在于：它由普通单模光纤(1)、大芯径空芯光纤(2)和中心有通孔的光纤(3)组成，普通单模光纤(1)、大芯径空芯光纤(2)、中心有通孔的光纤(3)顺次熔接固定，且大芯径空芯光纤(2)和中心有通孔的光纤(3)纤芯相通；普通单模光纤(1)和中心有通孔的光纤(3)的外径都介于大芯径空芯光纤(2)的内径和外径之间，且中心有通孔的光纤(3)和大芯径空芯光纤(2)的接触面形成环型反射面。

2、根据权利要求1所述的全光纤环型反射面结构的微型F-P折射率传感器，其特征在于：所述的大芯径空芯光纤(2)的内径为10～100微米，外径为125～300微米；中心有通孔的光纤(3)的内径为2～20微米，外径为125～300微米；中心有通孔的光纤(3)的长度为2～100微米。

3、一种全光纤环型反射面结构的微型F-P折射率传感器的制作方法，其特征在于：该方法步骤包括：

1)根据需要的长度切割普通单模光纤(1)，采用光纤熔接机将普通单模光纤(1)熔接在大芯径空芯光纤(2)一端，且普通单模光纤(1)将大芯径空芯光纤(2)的纤芯口完全覆盖；

2)根据需要的F-P腔长度，切割大芯径空芯光纤(2)；

3)采用光纤熔接机将大芯径空芯光纤(2)的另一端与中心有通孔的光纤(3)熔接，中心有通孔的光纤(3)将大芯径空芯光纤(2)的纤芯口完全覆盖，并使中心有通孔的光纤(3)的纤芯与大芯径空芯光纤(2)的纤芯相通；

4)切割中心有通孔的光纤(3)，使得中心有通孔的光纤(3)的长度足够短。

4、根据权利要求3所述的全光纤环型反射面结构的微型F-P折射率传感器的制作方法，其特征在于：中心有通孔的光纤(3)由实芯光纤通过化学试剂腐蚀形成通孔而成。

5、根据权利要求3所述的全光纤环型反射面结构的微型F-P折射率传感器的制作方法，其特征在于：步骤1)和步骤3)中溶解操作时的电弧功率等级为100，预放电时间为170ms，放电持续时间为800ms。

6、根据权利要求3所述的全光纤环型反射面结构的微型F-P折射率传感器的制作方法，其特征在于：所述的大芯径空芯光纤(2)的内径为10～100微米，外径为125～300微米；中心有通孔的光纤(3)的内径为2～20微米，外径为125～300微米，且长度为2～100微米。

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