CN102288326A - 填充混合液的光子晶体光纤温度测量方法及传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光纤温度传感器。为提供一种高灵敏度、工作温度范围可调的光纤温度测量方法及传感器,本发明采用的技术方案是:填充混合液的光子晶体光纤温度测量方法,包括下列步骤:调制对温度敏感的混合液∶乙醇与氯仿按照0.3∶0.7的配比调配得到的混合液;或者乙醇与甲苯按照0.45∶0.55以及0.6∶0.4的配比调配得到的混合液;将上述对温度敏感的混合液填充至光子晶体光纤;光子晶体光纤的两端分别熔接一段单模光纤,将熔接完毕后的一段单模光纤连接到光源,另一段单模光纤连接功率计;将填充混合液后的PCF置于所需检测的、温度会发生变化的环境中进行测试。本发明主要应用于环境温度检测。
Description
技术领域
本发明涉及光纤温度传感器,具体讲涉及填充混合液的光子晶体光纤温度测量方法及传感器。
背景技术
传感器技术是当代科学技术发展的一个重要标志,已与通信技术、计算机技术构成了信息产业的三大支柱。其中的光纤传感技术是从七十年代后期迅速发展起来的,并与光纤通信技术一起成为光纤技术的两个重要领域。所谓光纤传感就是将被测量的变化转化为光纤中传输光参数(如光强、波长、相位以及偏振态)的变化,通过测量光纤的输出光来确定被测量的大小。与传统的传感器相比,光纤传感器本身不带电,具有抗电磁干扰、电绝缘、防爆性能好、耐腐蚀、导光性能好、本质安全、多参量测量(温度、应力、振动、位移、转动、电磁场、化学量和生物量等)、灵敏度高、质量轻、体积小、可嵌入(物体)等特点,容易组成光纤传感网络并可接入因特网和无线网。
由于普通光纤存在偏振态漂移、模间干扰和交叉敏感等若干问题,使光纤传感器的应用受到了限制。光子晶体光纤(PCF)作为一种新型光纤,结构设计灵活、性能优越,且在其中的传输光和气体或者液体的作用长度能够大大增加,故而使得基于PCF的传感器有望克服上述缺点,同时此类传感器还能兼具多维结构、调谐范围宽、模场面积大、可实现多参数测量等一系列优良特性,正逐渐成为传感领域的又一个研究方向。但尚无成熟技术、产品报道。
发明内容
为克服现有技术的不足,提供一种高灵敏度、工作温度范围可调的光纤温度测量方法及传感器,为达到上述目的,本发明采用的技术方案是:填充混合液的光子晶体光纤温度测量方法,包括下列步骤:
调制对温度敏感的混合液∶乙醇与氯仿按照0.3∶0.7的配比调配得到的混合液;或者乙醇与甲苯按照0.45∶0.55以及0.6∶0.4的配比调配得到的混合液;
将上述对温度敏感的混合液填充至光子晶体光纤;
光子晶体光纤的两端分别熔接一段单模光纤,将熔接完毕后的一段单模光纤连接到光源,另一段单模光纤连接功率计;
将填充混合液后的PCF置于所需检测的、温度会发生变化的环境中进行测试。
光子晶体光纤所采用的材料为纯石英,包层直径为125±5μm;包层空气孔直径为2.576μm,空气孔间的间隔为5.6μm;纤芯直径为8.5±0.3μm;模场直径为7.0±1.0μm。
所述的混合液填充至光子晶体光纤采用下列两种方法中的一种:(1)浸泡法,利用毛细浸润作用,使得混合液进入光纤内;(2)抽真空法,将光纤一端浸泡于混合液中,另一端与针管密封后抽真空。
填充混合液的光子晶体光纤温度测量传感器,结构为:光子晶体光纤中填充有对温度敏感的混合液∶乙醇与氯仿按照0.3∶0.7的配比调配得到的混合液;或者乙醇与甲苯按照0.45∶0.55以及0.6∶0.4的配比调配得到的混合液;光子晶体光纤的两端分别熔接一段单模光纤。
光子晶体光纤的材料为纯石英,包层直径为125±5μm;包层空气孔直径为2.576μm,空气孔间的间隔为5.6μm;纤芯直径为8.5±0.3μm;模场直径为7.0±1.0μm。
本发明可带来如下效果:
由于本发明采用将对温度敏感的混合液填充至PCF中,所以可根据实际需要,通过调整混合液的配比,调整传感器工作的温度范围,更加灵活、实用。
由于本发明采用将对温度敏感的混合液填充至PCF中,所以可以通过调整混合液的配比,提高灵敏度。
由于本发明采用了安捷伦81482A可调激光源,所以可以通过调整波长,提高灵敏度。
附图说明
图1为填充混合液的光子晶体光纤温度传感器结构示意图。
图2为LMA-8 PCF的横截面示意图。其中包层空气孔直径包层空气孔直径d=2.576μm,空气孔间的间隔Λ=5.6μm,包层空气孔的层数为6层。
图3为混合液是乙醇∶氯仿=0.3∶0.7的配比调配而来,工作波长λ=1550nm时,LMA-8光纤基模的有效折射率及模场面积随温度的变化。
图4为混合液是乙醇∶氯仿=0.3∶0.7的配比调配而来,工作波长分别为λ=1600nm和1550nm时,LMA-8光纤基模的限制损耗随温度的变化。
图5为混合液由乙醇∶甲烷=0.45∶0.55的配比调配而来,工作波长分别为λ=1600nm和1550nm时,LMA-8光纤基模的限制损耗随温度的变化。
图6为混合液由乙醇∶甲烷=0.6∶0.4的配比调配而来,工作波长分别为λ=1600nm时,LMA-8光纤基模的限制损耗随温度的变化。插图:-35~-20℃范围内,限制损耗与温度的一阶线性拟合(实线:限制损耗随温度的一阶线性拟合图,空心圈:理论计算值)。
具体实施方式
本发明的目的在于提供一种高灵敏度、工作温度范围可调的PCF温度传感器,采用该装置及方法可在混合液配比为乙醇∶氯仿=0.3∶0.7,在-15~0.4℃范围内,工作波长为1600nm时,传感器的灵敏度达到11.2301dB/m/℃;在混合液配比为乙醇∶甲烷=0.45∶0.55,在-5~15℃范围内,工作波长为1600nm时,传感器的灵敏度达到20.5685dB/m/℃;在混合液配比为乙醇∶甲烷=0.6∶0.4,在-35~-20℃范围内,工作波长为1600nm时,传感器的灵敏度达到15.7543dB/m/℃。
本发明通过下列技术方案加以实现的,一种高灵敏度的、传感器工作温度范围可调谐的PCF温度传感器。其技术特征在于,该PCF传感器包括一个可调激光源(安捷伦81482A),一根两端与单模光纤熔接、其内部填充了混合液的LMA-8 PCF,一个功率计。
采用上述填充混合液的PCF温度传感器实现高灵敏度、工作温度范围可调的方法,其特征在于包括以下过程:由于PCF基底材料石英对温度变化不敏感,而所填充的混合液体在外部温度作用下其折射率会发生改变,所以导致PCF的有效折射率、模场分布以及限制损耗随温度而变化。可以通过测量经过此光纤后光功率的变化,推断外部温度的变化,从而达到传感的目的。而且还可根据实际需要调整混合液的配比,从而调整传感器工作的温度范围。
本发明所采用的具体技术方案为:调配对温度敏感的混合液,将其填充至PCF包层的空气孔内,并将填充混合液后的PCF置于所需检测的、温度会发生变化的环境中;然后在PCF的两端分别熔接一段单模光纤,将熔接完毕后的光纤一端连接到光源,另一端连接功率计。
所述的对温度敏感的混合液为:(1)乙醇与氯仿按照0.3∶0.7的配比调配得到的混合液,由于乙醇的熔点为-114.1℃,沸点为78.29℃,折射率导热系数dn/dT=-4×10-4K-1,氯仿的熔点为-63.6℃,沸点为61.17℃,折射率导热系数dn/dT=-6.328×10-4K-1,所以该混合液的熔点~沸点为-63.6℃~61.17℃;(2)乙醇与甲苯按照0.45∶0.55以及0.6∶0.4的配比调配得到的混合液,由于甲苯的熔点-94.99℃,沸点为110.63℃,折射率导热系数dn/dT=-5.273×10-4K-1,所以该混合液的熔点~沸点为-94.99℃~78.29℃。
所述的PCF为丹麦NKT Photonic公司生产的LMA-8光纤,其所采用的材料为纯石英,包层直径为125±5μm;包层空气孔直径为2.576μm,空气孔间的间隔为5.6μm;纤芯直径为8.5±0.3μm;模场直径为7.0±1.0μm。
所述的单模光纤为G652单模光纤,包层直径为125μm±2μm;模场直径为9.3μm±10%。
所述的混合液填充至PCF时采用了两种方法:(1)浸泡法,利用毛细浸润作用,使得混合液进入光纤内;(2)抽真空法,将光纤一端浸泡于混合液中,另一端与针管密封后抽真空。
所述的单模光纤与填充混合液的PCF熔接时,采用了南京吉隆公司生产的KL-280光纤熔接机,选择手动方式熔接,其中“熔接程序”的各个参数设置如下:熔接电流:0.1mA×60;预熔时间:10ms×6;熔接电流:0.1mA×60;熔接时间:0.1s×20;推进速度:1ms×10;熔接推进:1μm×20。需要注意:由于是手动调整两根待熔接光纤,光纤对准的精确度、以及手动调整的两根待熔接光纤间的间隔等对其熔接效果影响很大。
所述的光源为安捷伦81482A可调激光源,其输出的波长范围是1510nm~1640nm,最大输出功率为+7dBm。
所述的功率计为与该该光源配套的可以直接读取的数字式功率计。
下面结合附图进一步说明本发明。
本发明的具体实施方案体现在一种如图1所示的填充混合液的光子晶体光纤温度传感器结构示意图中,采用该装置可以实现在混合液配比为乙醇∶氯仿=0.3∶0.7,在-15~0.4℃范围内,工作波长为1600nm时,传感器的灵敏度达到11.2301dB/m/℃;在混合液配比为乙醇∶甲烷=0.45∶0.55,在-5~15℃范围内,工作波长为1600nm时,传感器的灵敏度达到20.5685dB/m/℃;在混合液配比为乙醇∶甲烷=0.6∶0.4,在-35~-20℃范围内,工作波长为1600nm时,传感器的灵敏度达到15.7543dB/m/℃。
本发明的具体技术方案如下:光源采用了安捷伦81482A可调激光源,其输出的波长范围是1510nm~1640nm,最大输出功率为+7dBm,然后将其与一根两端跟单模光纤熔接、内部填充了混合液的LMA-8 PCF连接,光纤另一端连接功率计,其中LMA-8 PCF的截面图如图2所示,其所采用的材料为纯石英,包层直径为125±5μm;包层空气孔直径为2.576μm,空气孔间的间隔为5.6μm;纤芯直径为8.5±0.3μm。将填充混合液的LMA-8 PCF置于所需检测的、温度发生变化的环境中,可以通过功率计所测得的功率变化求出环境温度的变化。
由于PCF基底材料石英对温度变化不敏感,而所填充的混合液体在外部温度作用下其折射率会发生改变,所以导致PCF的有效折射率、模场分布以及限制损耗随温度而变化,如图3和图4所示。而且可以通过改变混合液体的配比,改变传感器的工作温度范围,如图5和图6所示。
本发明的优点在于,能够实现高灵敏度、传感器工作温度范围可调谐的PCF温度传感器,可广泛应用于极低温度、恶劣环境等的检测中。
Claims (5)
1.一种填充混合液的光子晶体光纤温度测量方法,其特征是,包括下列步骤:
调制对温度敏感的混合液∶乙醇与氯仿按照0.3∶0.7的配比调配得到的混合液;或者乙醇与甲苯按照0.45∶0.55以及0.6∶0.4的配比调配得到的混合液;
将上述对温度敏感的混合液填充至光子晶体光纤;
光子晶体光纤的两端分别熔接一段单模光纤,将熔接完毕后的一段单模光纤连接到光源,另一段单模光纤连接功率计;
将填充混合液后的PCF置于所需检测的、温度会发生变化的环境中进行测试。
2.如权利要求1所述的方法,其特征是,光子晶体光纤所采用的材料为纯石英,包层直径为125±5μm;包层空气孔直径为2.576μm,空气孔间的间隔为5.6μm;纤芯直径为8.5±0.3μm;模场直径为7.0±1.0μm。
3.如权利要求1所述的方法,其特征是,所述的混合液填充至光子晶体光纤采用下列两种方法中的一种:(1)浸泡法,利用毛细浸润作用,使得混合液进入光纤内;(2)抽真空法,将光纤一端浸泡于混合液中,另一端与针管密封后抽真空。
4.一种填充混合液的光子晶体光纤温度测量传感器,其特征是,结构为:光子晶体光纤中填充有对温度敏感的混合液∶乙醇与氯仿按照0.3∶0.7的配比调配得到的混合液;或者乙醇与甲苯按照0.45∶0.55以及0.6∶0.4的配比调配得到的混合液;光子晶体光纤的两端分别熔接一段单模光纤。
5.如权利要求4所述的传感器,其特征是,光子晶体光纤的材料为纯石英,包层直径为125±5μm;包层空气孔直径为2.576μm,空气孔间的间隔为5.6μm;纤芯直径为8.5±0.3μm;模场直径为7.0±1.0μm。
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