CN102288326B

CN102288326B - 填充混合液的光子晶体光纤温度测量方法及传感器

Info

Publication number: CN102288326B
Application number: CN201110190078.0A
Authority: CN
Inventors: 姚建铨; 汪静丽; 陆颖; 王若琪; 周睿; 伏祥勇
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2011-07-07
Filing date: 2011-07-07
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2031-07-07
Also published as: CN102288326A

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

填充混合液的光子晶体光纤温度测量方法及传感器

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

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或者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；

将填充混合液后的光子晶体光纤置于所需检测的、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，使得混合液进入光子晶体光纤内；（2）抽真空法，将光子晶体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或者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。