CN102944328A - 折射率不敏感的温度传感器的制备方法及测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种对折射率不敏感的温度传感器的制备方法及测量装置。制备过程如下：首先用光纤切割刀将单模光纤和高折射率软玻璃光纤的端面切平；然后采用熔接方法将单模光纤和高折射率软玻璃光纤的端面熔接起来，并且使得熔接处产生一个或两个空气孔，或者不产生空气孔。本发明利用高折射率软玻璃光纤既可制作反射型折射率不敏感的温度传感器，也可制作传输型折射率不敏感的温度传感器，由于这种光纤热膨胀系数比普通光纤大一个数量级，因此其波长漂移温度灵敏度很高，且由于这种光纤折射率大（~1.8），对低折射率液体的敏感性很低，因而可以精确测量溶液中的温度。
Description
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，具体涉及光纤传感器的研究与制备。更具体而言，是通过将高折射率软玻璃光纤与单模光纤熔接从而制备出反射型和传输型的折射率不敏感的温度传感器。
背景技术
光纤传感是20世纪70年代问世的一门新技术，它是以光作为信息载体，以光纤作为信息传输介质的一种传感技术。由于光纤传感器相对于传统传感器而言具有体积小重量轻，不受电磁干扰，高灵敏度等优点，因而自20世纪70年代低损耗光纤问世以来，它逐步成为新一代传感器的研发方向之一，展现出非常好的应用前景。近几年来，随着科技的进步和研究的深入，各式各样的光纤传感器（诸如温度，压力，应力，折射率，电流，电压，气体传感器等）不断被研制出来，尤其是自物联网的概念提出以来，光纤传感更是成为一个热门的研究领域。
光纤干涉型温度传感器在电力系统、航空航天、石油化工、建筑等领域有非常大的应用前景。然而，普通的光纤干涉型温度传感器受制于二氧化硅本身较小的热膨胀系数，温度敏感性低，且二氧化硅的折射率低（~1.45），对低折射率液体（<1.45）很敏感，因而会对溶液中的温度测量造成严重的干扰。此外，也正因为普通二氧化硅光纤折射率低，利用它制备的光纤干涉型传感器往往无法检测高折射率的液体（如高折射率液晶等），这在很大程度上限制了这类光纤干涉型传感器的应用。
发明内容
本发明的目的是：利用高折射率软玻璃光纤制备折射率不敏感的温度传感器，包括反射型折射率不敏感的温度传感器和传输型折射率不敏感的温度传感器。由于这类软玻璃光纤折射率高，热膨胀系数高，因此对低折射率液体（<1.45）不敏感但对温度变化很敏感，因而可以精确测量溶液中的温度。
本发明的技术方案是：
折射率不敏感的温度传感器的制备方法，包括如下步骤：首先用光纤切割刀将单模光纤和高折射率软玻璃光纤的端面切平；然后采用熔接方法将单模光纤和高折射率软玻璃光纤的一个端面熔接起来，并且使得熔接处产生一个或两个空气孔，即为反射型折射率不敏感的温度传感器，或者采用熔接方法将两段单模光纤分别和高折射率软玻璃光纤的两个端面熔接起来，并且使得熔接处不产生空气孔，即为传输型折射率不敏感的温度传感器。
所述高折射率软玻璃光纤采用其折射率比二氧化硅的折射率高，其热膨胀系数比二氧化硅的热膨胀系数高，其软化点比二氧化硅的软化点低的非二氧化硅光纤，为硅酸铅玻璃光纤、碲酸盐玻璃光纤或锗酸盐玻璃光纤等。所述高折射率软玻璃光纤的长度一般为1毫米到20毫米之间。高折射率软玻璃光纤为由固体芯和空气包层组成的光纤，也可以使用空心软玻璃光纤，对传输型折射率不敏感的温度传感器还可以使用全固体的软玻璃光纤。
本发明所用软玻璃光纤由于其软化点（<600℃）比单模光纤(>1600℃)低很多，因此当用电弧熔接时需采用不对称的熔接方法，也可以采用其他的熔接方法（如铱加热丝，石墨加热丝等）进行熔接。
本发明的高折射率软玻璃光纤既可制作反射型折射率不敏感的温度传感器，也可制作传输型折射率不敏感的温度传感器，其测量方法也包括两种：
第一种针对反射型折射率不敏感的温度传感器的测量装置，包括超连续光源、光纤环形器、光谱仪、普通单模光纤和所述反射型折射率不敏感的温度传感器，其中熔接处的空气孔形成法布里珀罗腔；超连续光源发出的入射光通过普通单模光纤输入到光纤环形器的第1端口，环形器的第3端口通过普通单模光纤连接所述温度传感器的单模光纤，环形器的第2端口通过普通单模光纤与光谱仪连接；
第二种针对传输型折射率不敏感的温度传感器的测量装置，包括超连续光源、光谱仪、普通单模光纤和所述传输型折射率不敏感的温度传感器；超连续光源通过普通单模光纤连接所述温度传感器一端的单模光纤，所述温度传感器的另一端单模光纤再通过普通单模光纤与光谱仪连接。
本发明的有益效果是：
（1）由于高折射率软玻璃光纤热膨胀系数比普通光纤大一个数量级，因此其波长漂移温度灵敏度很高，且由于这种光纤折射率大（~1.8），对低折射率液体的敏感性很低，因而可以精确测量溶液中的温度。实验中在检测溶液中的温度时，其测量误差率不到1%。
（2）相比其它传感原理的传感器，本发明无需复杂的工艺，光路简单，制作成本低，所需高折射率软玻璃光纤很短（传输型传感器：软玻璃光纤一般几毫米到十几毫米，反射型传感器：软玻璃光纤长度可比传输型的更短）。
（3）由于本发明所用软玻璃光纤折射率高，它在检测高折射率的液体（如高折射率液晶等）方面也有很大的应用前景。此外可以在软玻璃光纤孔洞内灌入液晶或把软玻璃光纤插入灌满液晶的液晶盒内制作液晶调控的电场传感器。
附图说明
图1反射型折射率不敏感的温度传感器的光路图；
图2传输型折射率不敏感的温度传感器的光路图；
图3硅酸铅软玻璃光纤扫描电子显微镜的截面图；
图4软玻璃光纤和单模光纤熔接区显微镜图（有两个空气孔，作反射型传感器）；
图5软玻璃光纤和单模光纤熔接区显微镜图(没有空气孔，作传输型传感器)；
图6反射型折射率不敏感的温度传感器共振波长随温度变化的拟合图,插图是该传感器在不同温度下的反射光谱图；
图7传输型折射率不敏感的温度传感器共振波长随温度变化的拟合图,插图是该传感器在不同温度下的透射光谱图；
图8传输型折射率不敏感的温度传感器共振波长随折射率变化的拟合图,插图是该传感器室温下在不同折射率液体中的透射光谱图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，以使本发明的特点得以清楚展现。
图1是反射型折射率不敏感的温度传感器的光路图，包括一台超连续光源，一个光纤环形器，一台光谱仪，普通单模光纤和一小段高折射率软玻璃光纤。从超连续光源发出的光先入射到光纤环形器第1端口，然后光从环形器第3端口出来入射到高折射率软玻璃光纤的两个空气孔4处产生反射，反射光从环形器第2端口出来被光谱仪接收。
实验中首先用光纤切割刀将单模光纤和软玻璃光纤端面切平，然后用熔接机熔接单模光纤和软玻璃光纤。由于高折射率软玻璃光纤软化点（<600℃）比单模光纤(>1600℃)低很多，因此当用电弧熔接时需采用不对称的熔接方法。具体方法是使高折射率软玻璃光纤端面远离放电电极中心几百微米，单模光纤端面超过放电电极中心几百微米，然后通过适当减小熔接强度和时间使熔接处产生一个或两个空气孔（如图4所示，熔接处产生两个空气孔4），形成法布里珀罗腔。这样从超连续光源发出的光经过环形器入射到熔接处的空气孔时会发生反射，反射光之间相互干涉被光谱仪接收。因此光谱仪会呈现出干涉条纹（如图6的插图所示）。此外，软玻璃光纤一段置于一个热台上，并将一个温度计的探头紧靠软玻璃光纤放置（但不接触）从而更准确的测量软玻璃光纤实时的温度，最后通过调节热台的温度进行温度传感测量。
图2是传输型折射率不敏感的温度传感器的光路图，包括一台超连续光源，一台光谱仪，普通单模光纤和一小段高折射率软玻璃光纤。输入输出导光利用普通单模光纤，单模光纤中间采用电弧方法熔接一小段高折射率软玻璃光纤，通过调节熔接参数使软玻璃光纤和单模光纤熔接处不产生空气孔。高折射率软玻璃光纤长几毫米到十几毫米。因为软玻璃光纤和单模光纤熔接处空气孔塌缩了，所以光传播到软玻璃光纤处会激发出基模和高阶模传输，因此在软玻璃光纤里面存在多种模式干涉。
实验中也是首先用光纤切割刀将单模光纤和软玻璃光纤端面切平，然后用熔接机熔接单模光纤和软玻璃光纤。熔接方法和反射型折射率不敏感的温度传感器制作方法类似，只不过通过适当增加熔接强度和时间使熔接处不产生空气孔（如图5所示）。熔接的软玻璃光纤长度可以几毫米到十几毫米，实验中用的软玻璃光纤长14mm。因为软玻璃光纤和单模光纤熔接处空气孔塌缩了，所以光传播到软玻璃光纤处会激发出基模和高阶模传输，因此在软玻璃光纤里面存在多种模式干涉，最终光谱仪上会呈现出干涉条纹（如图7的插图所示）。此外，单模光纤两端用夹具固定好以避免光纤弯曲导致损耗。软玻璃光纤一段置于一个热台上，并将一个温度计的探头紧靠软玻璃光纤放置（但不接触）从而更准确的测量软玻璃光纤实时的温度，最后通过调节热台的温度进行温度传感测量。
图3是硅酸铅软玻璃光纤扫描电子显微镜的截面图，该软玻璃光纤由英国南安普顿大学制造。
图4和图5是软玻璃光纤和单模光纤熔接区显微镜图，其中图4熔接区有两个空气孔4，可制作反射型传感器，图5熔接区没有空气孔，可制作传输型传感器。
图6是反射型折射率不敏感的温度传感器共振波长随温度变化的拟合图,插图是该传感器在不同温度下的反射光谱图。从插图中可以看出随温度升高，反射光谱向右移动，这是因为当温度升高时，空气孔会膨胀，软玻璃光纤折射率会增大的缘故。图6所示的温度灵敏度达到24pm/℃，而普通光子晶体光纤(纯二氧化硅材料)传感器温度灵敏度一般不到8pm/℃，这主要是因为软玻璃光纤热膨胀系数高。另外因为本传感原理是基于软玻璃光纤内部空气孔形成的法布里珀罗腔干涉，所以显然这种反射型传感器对外部液体折射率不敏感。
图7是传输型折射率不敏感的温度传感器共振波长随温度变化的拟合图,插图是该传感器在不同温度下的透射光谱图。从插图中可以看出随温度升高，透射光谱向右移动，这是因为当温度升高时，软玻璃光纤会膨胀，基模和高阶模的有效折射率也会改变的缘故。图7所示的温度灵敏度达到17 pm/℃，比反射型传感器灵敏度低的原因是热光系数对基模和高阶模的作用会有部分相互抵消，但该灵敏度还是比普通光子晶体光纤(纯二氧化硅材料)传感器温度灵敏度大2倍以上。另外，此图中测量温度范围不大是因为自由光谱范围太小。如果通过减小软玻璃光纤长度来增大自由光谱范围，则能测量更大的温度范围。
图8是传输型折射率不敏感的温度传感器共振波长随折射率变化的拟合图,插图是该传感器室温下在不同折射率液体中的透射光谱图。从插图中可以看出当外部液体折射率改变时，透射光谱变化很小，这是因为该软玻璃光纤折射率很大（~1.8），模场直径小，因此该传感器对外界低折射率液体不敏感，图8所示的折射率灵敏度仅为-1nm/RIU，比普通光子晶体光纤(纯二氧化硅材料)传感器折射率灵敏度低两个数量级。
由图7和图8我们可以分析这种传感器检测溶液温度的误差率。比如水溶液温度改变1℃，由于水的热光系数约-10-4，因此水溶液的折射率将改变10-4。因为该传感器折射率灵敏度仅为-1nm/RIU，因此该折射率变化将引起光谱共振波长转移0.1pm。又因为该传感器温度灵敏度达到17 pm/℃，因此0.1pm的共振波长转移引起的温度测量误差不到0.01℃，所以水溶液中的温度测量误差率不到1%，这是其他普通二氧化硅光纤制作的干涉型温度传感器所不能比拟的。
Claims (6)
1.折射率不敏感的温度传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）用光纤切割刀将单模光纤和高折射率软玻璃光纤的端面切平；
（2）采用熔接方法将单模光纤和高折射率软玻璃光纤的一个端面熔接起来，并且使得熔接处产生一个或两个空气孔，即为反射型折射率不敏感的温度传感器；或者采用熔接方法将两段单模光纤分别和高折射率软玻璃光纤的两个端面熔接起来，并且使得熔接处不产生空气孔，即为传输型折射率不敏感的温度传感器。
2.根据权利要求1所述的折射率不敏感的温度传感器的制备方法，其特征在于，所述高折射率软玻璃光纤采用其折射率比二氧化硅的折射率高，其热膨胀系数比二氧化硅的热膨胀系数高，其软化点比二氧化硅的软化点低的非二氧化硅光纤；所述高折射率软玻璃光纤的长度为1毫米到20毫米。
3.根据权利要求2所述的折射率不敏感的温度传感器的制备方法，其特征在于，所述高折射率软玻璃光纤为硅酸铅玻璃光纤、碲酸盐玻璃光纤或锗酸盐玻璃光纤。
4.根据权利要求2或3所述的折射率不敏感的温度传感器的制备方法，其特征在于，所述高折射率软玻璃光纤为由固体芯和空气包层组成的光纤，或者为空心软玻璃光纤或全固体的软玻璃光纤。
5.根据权利要求1所述的折射率不敏感的温度传感器的制备方法，其特征在于，所述熔接采用电弧熔接、铱加热丝熔接或石墨加热丝熔接的方法；当为电弧熔接时，采用不对称的熔接方法。
6.由权利要求1所述制备方法得到的折射率不敏感的温度传感器的测量装置，包括以下两种：
第一种所述反射型折射率不敏感的温度传感器的测量装置包括超连续光源、光纤环形器、光谱仪、普通单模光纤和所述反射型折射率不敏感的温度传感器，温度传感器熔接处的空气孔形成法布里珀罗腔；超连续光源发出的入射光通过普通单模光纤输入到光纤环形器的第1端口，环形器的第3端口通过普通单模光纤连接所述温度传感器的单模光纤，环形器的第2端口通过普通单模光纤与光谱仪连接；
第二种所述传输型折射率不敏感的温度传感器的测量装置包括超连续光源、光谱仪、普通单模光纤和所述传输型折射率不敏感的温度传感器；超连续光源通过普通单模光纤连接所述温度传感器一端的单模光纤，所述温度传感器另一端的单模光纤再通过普通单模光纤与光谱仪连接。
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