CN102778306A - 光子晶体光纤折射率温度传感器、制作方法及测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开的光子晶体光纤折射率温度传感器、制作方法及测量系统，公开了一种以单模光纤为光信号输入输出光纤、光子晶体光纤为传感器探头以及由光子晶体光纤的包层空气孔塌陷形成的椭球空气腔与传感器探头本身组成复合法布里-珀罗腔的光子晶体光纤折射率温度传感器、制作方法及测量系统。本发明公开的光子晶体光纤折射率温度传感器及其测量系统，不需要对光纤进行腐蚀或光刻，制作方便，传感系统不受杂散光影响，可同时测量折射率和温度，信号噪声小，系统灵敏度高、可靠性好。

Description

光子晶体光纤折射率温度传感器、制作方法及测量系统

 

技术领域

    本发明涉及一种光纤传感器、制作方法及其测量系统，特别是光子晶体光纤折射率温度传感器、制作方法及测量系统。

背景技术

折射率是物质的一种基本属性，随着外界温度、浓度、密度、压力等的变化而变化，因此折射率的测量具有重要的实际意义。传统的测量方法有阿贝折射率仪，激光照射法以及杨氏干涉法等。但这些传统的折射率仪不适合远距离、小体积领域使用。光纤纤芯和包层的折射率差决定了数值孔径，从而影响光纤的损耗。光纤的数值孔径受温度的调制，即光纤的集光能力受环境温度的调制，经光电检测系统解调后，即可得到被测物的温度值。光纤折射率温度传感器就是根据光纤包层折射率随温度变化会引起传输光能损耗变化的原理制成的。光纤传感器具有不易受电磁干扰、结构简单、尺寸小、适用于易燃易爆等恶劣环境……，这些优点使其逐渐替代了传统的大体积折射率仪。

光纤法布里-珀罗（F-P）干涉传感器，凭借其抗电磁干扰能力强、精度高、稳定性好可靠性好、分辨率高等优势,在应变、压力、振动、加速度、温度、折射率测量等领域得到广泛应用。非本征型光纤法珀干涉传感器是应用最为广泛的一种光纤法珀干涉仪，其干涉腔由空气或其它非光纤的固体介质（如中空的石英玻璃管）构成，光纤仅起到光传输介质的作用。它不仅具有光纤传感器的所有优点，而且能克服本征型光纤法珀传感器对各方向应变敏感和受温度影响较大的缺点。

当非本征型光纤F-P传感器的干涉腔的折射率发生变化时，其相位就会发生变化从而引起干涉条纹的漂移，因此通过检测波长的偏移量测量气体或液体的折射率，进而实现对待检测环境的温度探测传感。然而这种传感器的F-P腔易受污染，这给应用其准确测量带来一定困难。近来出现了一种利用157nm激光器加工的光纤F-P折射率传感器，这种传感器克服了温度交叉敏感的问题。但是其制作过程复杂，且在解调过程中需要去掉低频调制信号，降低了测量精度。另一种基于光子晶体光纤的折射率和温度传感器的F-P腔由光子晶体光纤两端与普通单模光纤熔接构成，并用飞秒激光器切割一端单模光纤形成约20μm的盖子防止被测液体进入F-P腔，这种传感器干涉条纹没有低频调制，使得测量更加精确。但是飞秒激光器的使用增加了制作成本和制作复杂性，而且因为2.3mm的长腔长限制了利用直接测波长偏移来测量温度的测量范围。

 

发明内容

为解决上述问题，本发明公开的光子晶体光纤折射率温度传感器、制作方法及测量系统，结构简单、微型化、制作方便、适用于易燃易爆等恶劣环境，同时还具有信号噪声小，系统灵敏度高、可靠性好的优点。

本发明公开的光子晶体光纤折射率温度传感器，包括单模光纤制作的光信号输入输出光纤、光子晶体光纤制作的传感器探头以及两者间的空气腔，所述的光信号输入输出光纤一端与传感器探头一端通过光纤熔接机同轴连接，并且通过光子晶体光纤的包层的空气孔塌陷在光信号输入输出光纤与传感器探头的连接面处形成椭球形的空气腔，空气腔的前后两表面与切割研磨后形成的传感器探头的前端面形成复合法布里-珀罗腔的三个反射面，所述的空气腔的前后两表面的距离L₁为10-20μm，所述的空气腔的前端面与传感器探头的前端面的距离L₂为100-250μm，所述的空气腔的前后两表面的曲率半径均大于L₁。

本发明公开的光子晶体光纤折射率温度传感器的一种改进，空气腔的前后两表面的距离L1为10-15μm。

本发明公开的光子晶体光纤折射率温度传感器又一种改进，空气腔的前端面与传感器探头的前端面的距离L2为100-150μm。

本发明公开的光子晶体光纤折射率温度传感器又一种改进，空气腔的前后两表面的距离L1为10-15μm，空气腔的前端面与传感器探头的前端面的距离L2为100-150μm。

本发明公开的光子晶体光纤折射率温度传感器的制作方法，包括如下步骤：（1）、用光纤切割刀切割单模光纤和光子晶体光纤，保护好切割端面；（2）、用光纤熔接机将已切割好端面的一端进行熔接，熔接时光子晶体光纤应稍远离电极；第一次放电后，熔接点处边缘首先熔接上，而中心由于光子晶体光纤包层空气孔的塌陷排出的空气被捕获形成空气腔；（3）、追加2次放电，形成椭球型空气腔，使得空气腔的反射面曲率半径大于空气腔腔长，即大于L1；（4）、将光子晶体光纤未塌陷部分切割及研磨成平滑的反射面，形成复合法布里-珀罗腔。

本发明公开的光子晶体光纤折射率温度传感器的制作方法的一种改进，步骤（2）和（3）中放电的熔接参数: 间隙50μm，预熔时间0.2s,预熔电流5mA,熔接电流7.5mA，熔接时间650ms，z轴推进量15μm，追加放电电流7.5mA, 单次追加放电时间650ms。

本发明公开的光子晶体光纤折射率温度传感器的测量系统，包括传感分析仪、光子晶体光纤折射率温度传感器、环行器和计算机，传感分析仪连接环行器F端口并且输出扫描激光，环行器的G端口与所述的光子晶体光纤折射率温度传感器的传感器探头连接，环行器的H端口与传感分析仪输入端口连接，传感分析仪的输出端连接到计算机，传感器探头置于被测液体中。

通过本发明公开的光子晶体光纤折射率温度传感器、制作方法及测量系统，通过利用普通单模光纤和光子晶体光纤形成复合法布里-珀罗腔，提高了传感器的检测效果和检测的准确率。

 

附图说明

图1是本传感器使用的光子晶体光纤端面图；

图2是基于光子晶体光纤的折射率及温度传感器探头的结构图；

图3是基于光子晶体光纤的折射率及温度传感器探头的显微图；

图4是基于光子晶体光纤的折射率及温度传感系统的结构示意图；

图5是本传感器在空气、水、乙醇及丙三醇中的反射光谱图；

图6是本传感器在空气、水、乙醇及丙三醇中的反射光谱经频域转换后的频谱图；

图7是本传感器测量的液体折射率与参数AR的关系图；

图8是本传感器在空气中，温度分别为24℃、66℃和95℃时的反射光谱图；

图9是本传感器测量的温度与波谷波长的关系图；

图10是本传感器测量的温度与参数AR的关系图。

附图标记列表：

2-1、入射光源；                2-2、光信号输入输出光纤；      2-3、传感器探头；

2-4、连接面；                  2-5、空气腔；                  1、传感分析仪；

2、环行器；                    3、计算机

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图1至图10所示，本发明公开的光子晶体光纤折射率温度传感器，包括单模光纤制作的光信号输入输出光纤2-2、光子晶体光纤制作的传感器探头2-3以及两者间的空气腔2-5，所述的光信号输入输出光纤2-2一端与传感器探头2-3一端通过光纤熔接机同轴连接，并且通过光子晶体光纤的包层的空气孔塌陷在光信号输入输出光纤与传感器探头的连接面2-4处形成椭球形的空气腔2-5，空气腔2-5的前后两表面与切割研磨后形成的传感器探头2-3的前端面形成复合法布里-珀罗腔的三个反射面，所述的空气腔2-5的前后两表面的距离L₁为10-20μm，所述的空气腔2-5的前端面与传感器探头2-3的前端面的距离L₂为100-250μm，所述的空气腔2-5的前后两表面的曲率半径均大于L₁。作为一种优选光信号输入输出光纤2-2和传感器探头2-3的连接面2-4为垂直于光纤轴向的。

作为一种优选，空气腔2-5的前后两表面的距离L1为10-15μm。

作为一种优选，空气腔2-5的前端面与传感器探头2-3的前端面的距离L2为100-150μm。

作为一种优选，空气腔2-5的前后两表面的距离L1为10-15μm，空气腔2-5的前端面与传感器探头2-3的前端面的距离L2为100-150μm。

本发明公开的光子晶体光纤折射率温度传感器的制作方法，包括如下步骤：（1）、用光纤切割刀切割单模光纤和光子晶体光纤，保护好切割端面；（2）、用光纤熔接机将已切割好端面的一端进行熔接，熔接时光子晶体光纤应稍远离电极；第一次放电后，熔接点处边缘首先熔接上，而中心由于光子晶体光纤包层空气孔的塌陷排出的空气被捕获形成空气腔2-5；（3）、追加2次放电，形成椭球型空气腔2-5，使得空气腔2-5的反射面曲率半径大于空气腔2-5腔长，即大于L1；（4）、将光子晶体光纤未塌陷部分切割及研磨成平滑的反射面，形成复合法布里-珀罗腔。

作为一种优选，步骤（2）和（3）中放电的熔接参数: 间隙50μm，预熔时间0.2s,预熔电流5mA,熔接电流7.5mA，熔接时间650ms，z轴推进量15μm，追加放电电流7.5mA, 单次追加放电时间650ms。

本发明公开的光子晶体光纤折射率温度传感器的测量系统，包括传感分析仪1、光子晶体光纤折射率温度传感器、环行器2和计算机3，传感分析仪1连接环行器2的F端口并且输出扫描激光，环行器2的G端口与所述的光子晶体光纤折射率温度传感器的传感器探头2-3连接，环行器2的H端口与传感分析仪1输入端口连接，传感分析仪1的输出端连接到计算机3，传感器探头2-3置于被测液体中。

本发明的原理是基于传感器探头末端菲涅耳反射以及石英的热膨胀和热光效应，本传感器可以通过测量复合法布里-珀罗腔干涉信号的频域分量比例参数AR以及波谷波长的偏移同时测量折射率和温度。

参见图2，本发明的光子晶体光纤折射率温度传感器由一根普通单模光纤（如SMF）和一根光子晶体光纤（如SM-7.0，端面图参见图1）分别制作的光信号输入输出光纤2-2和传感器探头2-3构成，两根光纤的一端用光纤熔接机以一定参数熔接连接。熔接参数为: 间隙50μm，预熔时间0.2s,预熔电流5mA,熔接电流7.5mA，熔接时间650ms，z轴推进量15μm，追加放电电流7mA, 追加放电时间650ms，追加放电2次。由于部分光子晶体光纤包层空气孔塌陷，两根光纤间形成微椭球型空气腔2-5，切割及研磨掉光子晶体光纤未塌陷的部分，形成复合F-P腔；光子晶体光纤和普通单模光纤的两个端面即空气腔的前后表面以及研磨形成反射面为复合F-P腔的三个反射面，这三个反射面构成两个腔长分别为L1和L2的物理腔。入射光源的入射光由光信号输入输出光纤2-2进入传感器再经过空气腔2-5以及传感器探头2-3的另一端反射后，由光信号输入输出光纤2-2返回。

图3为SMF与SM-7.0型光子晶体光纤在前文所述的熔接条件下形成的折射率及温度传感器探头的显微照片。这种基于光子晶体光纤的折射率及温度传感器的制作方法包括以下步骤： 

(1)用光纤切割刀切割普通单模光纤和光子晶体光纤，本实验中用到的光子晶体光纤为长飞光纤光缆有限公司提供的光子晶体光纤SM-7.0型，其端面如图1所示，纤芯直径为7.0μm，模场直径3.9μm1550nm，保护好切割端面； 

(2)用光纤熔接机为古河FITEL S176，将已切割好端面的一端进行熔接，熔接时光子晶体光纤应稍远离电极。熔接参数: 间隙50μm，预熔时间0.2s,预熔电流5mA,熔接电流7.5mA，熔接时间650ms，z轴推进量15μm，追加放电电流7mA, 追加放电时间650ms，追加放电2次。放电后熔接点边缘处熔接上，而中心由于部分光子晶体光纤包层空气孔的塌陷排出的空气形成椭球型空气腔，如图3中所示； 

(3)将光子晶体光纤未塌陷部分切割及研磨成平滑的反射面，形成复合双重F-P干涉。

具体实验中所制成的光子晶体光纤折射率温度传感器的复合法布里-珀罗腔腔长L1为10μm或者13μm或者15μm以及10-15μm中的任一值，L2为100μm或者120μm或者135μm或者150μm以及100-150μm中的任一值。

光子晶体光纤折射率温度传感器的测量系统的构成如图4所示。传感分析仪1Si720输出波长1510nm-1590nm的扫描激光源从输出端口A通过光纤F1输入环行器2的F端口，波长分辨率和精度分别为0.25pm 和1pm。传感分析仪1发出的光经过环行器2的G端口和一段光纤F2，到达光子晶体光纤折射率温度传感器的传感器探头2-3。在传感器探头2-3中，发生复合法布里-珀罗干涉,返回的干涉信号光通过环行器2的H端口和光纤F3被传输到传感分析仪1输入端口D。传感分析仪1获取的干涉信号光谱数据送入计算机3，由计算机3处理干涉信号光谱数据得到频谱分量的比例参数AR和波谷波长的偏移,并显示被测液体的折射率和温度。

图5是在室温为24℃时，本传感器探头在空气、水、乙醇及丙三醇中的反射光谱图，其折射率在1550nm分别为：1.000、1.318、1.3539及1.4604。每测完一种溶液都用蒸馏水清洗并吹干后测量另一种待测溶液。从图中可以看出，所制作的传感器干涉条纹对比度随被测液体折射率的增加而减小，但是干涉条纹的相位并没有改变。

图6是室温为24℃时，本传感器探头在空气、水、乙醇及丙三醇中的反射光谱经频域转换后的频谱图。从图中可以看出，peak2的值随被测液体折射率的增加明显减小，但是peak1的值基本没有改变。频谱分量的比例参数AR定义为peak2和peak1的幅值比。

在室温为24℃时，将所制作的传感器探头2-3置于不同浓度的蔗糖溶液中，并重复测量3次。用阿贝折射率仪对蔗糖溶液折射率进行标定。图7是本传感器测量的液体折射率与频谱分量的比例参数AR的关系图。从图中可以看出，折射率在1.332 到 1.45范围内, 参数AR随被测液体折射率的增加而减小，灵敏度为5.68/RI，分辨率为1.2×10-5，重复性为±0.5%FS。在折射率为1.45处有一转折点, 频谱分量的比例参数AR随被测液体折射率的增加而增加，这是由于当被测液体折射率等于石英折射率时干涉条纹存在半波损失。

实验过程中, 将传感器探头2-3置于恒温箱中，改变恒温箱的温度使其从24℃逐渐升到95℃，再冷却到24℃，重复两次。通过光谱仪实时监测干涉条纹的变化，并记录不同温度时的数据，图8是传感器探头2-3在空气中，温度分别为24℃、66℃和95℃时的反射光谱图，图9是本传感器测量的温度与波谷波长的关系图，图10是本传感器测量的温度与参数AR的关系图。从图中可以看出，当温度升高，波谷波长向长波长方向以灵敏度为15pm/℃偏移，重复性±0.1%FS，而频谱分量的比例参数AR基本没有改变。

基于传感器探头末端菲涅耳反射以及石英的热膨胀热光效应，本传感器可以通过测量复合法布里-珀罗腔干涉信号的频谱分量的比例参数AR以及波谷波长的偏移同时测量折射率和温度。具体实验中所制成传感器折射率灵敏度为5.68/RI，折射率分辨率为1.2×10-5，重复性±0.5%FS；温度灵敏度为15pm/℃，重复性±0.1%FS。

本发明公开的传感器具有一般光纤传感器的优越性，不易受电磁干扰，传感器全光纤化、结构简单、微型化，制作方便、适用于易燃易爆等恶劣环境。除此之外，还有很多独特的优点如：（1）利用频域转换解调被测折射率,由于传感器反射谱的高对比度使得该传感器实现高分辨率折射率传感;（2）传感解调系统不受杂散光的影响。因为本传感系统测量的是干涉光谱信号，而杂散光与信号光不满足相干条件。因此，杂散光不影响测量结果。（3）通过测量干涉相位偏移,可以同时测量温度。因为温度的变化不会影响频域分量比例参数AR,所以其对折射率的测量没有影响。

本发明公开的光子晶体光纤折射率温度传感器的测量系统，包括传感分析仪、光子晶体光纤折射率温度传感器、环行器和计算机，传感分析仪连接环行器F端口并且输出扫描激光，环行器的G端口与所述的光子晶体光纤折射率温度传感器的传感器探头连接，环行器的H端口与传感分析仪输入端口连接，传感分析仪的输出端连接到计算机，传感器探头置于被测液体中。

通过本发明公开的光子晶体光纤折射率温度传感器、制作方法及测量系统，通过利用普通单模光纤和光子晶体光纤形成复合法布里-珀罗腔，提高了传感器的检测效果和检测的准确率。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (7)

1.光子晶体光纤折射率温度传感器，其特征在于：所述的光子晶体光纤折射率温度传感器包括单模光纤制作的光信号输入输出光纤、光子晶体光纤制作的传感器探头以及两者间的空气腔，所述的光信号输入输出光纤一端与传感器探头一端通过光纤熔接机同轴连接，并且通过光子晶体光纤的包层的空气孔塌陷在光信号输入输出光纤与传感器探头的连接面处形成椭球形的空气腔，空气腔的前后两表面与切割研磨后形成的传感器探头的前端面形成复合法布里-珀罗腔的三个反射面，所述的空气腔的前后两表面的距离L₁为10-20μm，所述的空气腔的前端面与传感器探头的前端面的距离L₂为100-250μm，所述的空气腔的前后两表面的曲率半径均大于L₁。

2.根据权利要求1所述的光子晶体光纤折射率温度传感器，其特征在于：所述的空气腔的前后两表面的距离L1为10-15μm。

3.根据权利要求1所述的光子晶体光纤折射率温度传感器，其特征在于：所述的空气腔的前端面与传感器探头的前端面的距离L2为100-150μm。

4.根据权利要求1所述的光子晶体光纤的折射率温度传感器，其特征在于：所述的空气腔的前后两表面的距离L1为10-15μm，所述的空气腔的前端面与传感器探头的前端面的距离L2为100-150μm。

5.根据权利要求1所述的光子晶体光纤折射率温度传感器的制作方法，其特征在于：包括如下步骤：（1）、用光纤切割刀切割单模光纤和光子晶体光纤，保护好切割端面；（2）、用光纤熔接机将已切割好端面的一端进行熔接，熔接时光子晶体光纤应稍远离电极；第一次放电后，熔接点处边缘首先熔接上，而中心由于光子晶体光纤包层空气孔的塌陷排出的空气被捕获形成空气腔；（3）、追加2次放电，形成椭球型空气腔，使得空气腔的反射面曲率半径大于空气腔腔长，即大于L1；（4）、将光子晶体光纤未塌陷部分切割及研磨成平滑的反射面，形成复合法布里-珀罗腔。

6.根据权利要求5所述的光子晶体光纤折射率温度传感器的制作方法，其特征在于：所述的步骤（2）和（3）中放电的熔接参数: 间隙50μm，预熔时间0.2s,预熔电流5mA,熔接电流7.5mA，熔接时间650ms，z轴推进量15μm，追加放电电流7.5mA, 单次追加放电时间650ms。

7.根据权利要求1所述的光子晶体光纤折射率温度传感器的测量系统，其特征在于：包括传感分析仪、光子晶体光纤折射率温度传感器、环行器和计算机，所述的传感分析仪连接环行器F端口并且输出扫描激光，所述的环行器的G端口与所述的光子晶体光纤折射率温度传感器的传感器探头连接，所述的环行器的H端口与传感分析仪输入端口连接，所述的传感分析仪的输出端连接到计算机，所述的传感器探头置于被测液体中。

Images