CN110132894A - 一种温度补偿的光子晶体光纤甲烷传感装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种温度补偿的光子晶体光纤甲烷传感装置，其光纤包层由石英和正六边形规则排列的空气孔组成，最内层为6个涂覆甲烷敏感薄膜的大孔，第二层空气孔中选择上、下两气孔并填充特定负折射率温度系数材料。其测量相关装置包括光源部分、甲烷传感器部分及解调部分。该传感器结合气敏薄膜等效折射率方法与定向耦合技术，显著提高了甲烷传感灵敏度。通过在光纤包层选择填充液体材料引入的缺陷通道导致纤芯模损耗光谱上形成左、右两个损耗峰，有效增加了传感的自由度。利用双参量矩阵方法，可解决甲烷‑温度交叉敏感难题，实现温度补偿的甲烷检测。结果显示：随着甲烷浓度的增加，Y偏振纤芯模损耗峰发生明显蓝移，左峰的甲烷灵敏度高达‑22.78nm/%，右峰的甲烷灵敏度可达‑20.63nm/%。该传感装置由于其灵敏度高、尺寸小、无交叉敏感、易于实现等优点，适用于多领域的甲烷浓度精确测量。

Description

一种温度补偿的光子晶体光纤甲烷传感装置
技术领域
本发明涉及一种光纤传感方法及传感装置，尤其涉及一种温度补偿的光子晶体光纤甲烷传感装置。本发明利用填充型光子晶体光纤灵活的设计自由度和独特的光谱响应特性，结合气敏薄膜等效折射率方法及定向耦合技术，设计一种温度补偿的光子晶体光纤甲烷传感装置，从而实现甲烷浓度的精确检测。
背景技术
光子晶体光纤(PCF, Photonic Crystal Fiber)传感器由于其独特的光学特性，逐渐成为光纤领域的研究热点。随着微结构光纤制造工艺的进步和选择填充技术的发展，研究学者在不同应用领域对PCF传感器进行了广泛研究。由于甲烷易燃易爆，因此对甲烷浓度的监测至关重要。研究学者已经提出多种用于甲烷浓度检测的传感器，然而，如何增大甲烷检测的灵敏度，提高测量精度成为需要解决的热点问题。另外，在甲烷传感过程中，外界温度会对其检测结果产生干扰。因此，迫切需要提出并设计一种基于光子晶体光纤的温度补偿型甲烷传感装置。本发明通过研究纤芯模和缺陷模的耦合特性，对纤芯模损耗光谱随甲烷浓度及温度的漂移特性进行分析。通过在内层引入6个涂覆有甲烷敏感薄膜的大孔，增强PCF传感器对甲烷浓度的光谱响应灵敏度。在包层第二层空气孔中分别选择上、下两气孔并填充特定负折射率温度系数的材料引入缺陷通道，增加传感的自由度，并利用双参数矩阵方法解决甲烷浓度-温度交叉敏感难题。因此，可实现一种温度补偿的光子晶体光纤甲烷传感装置。
发明内容
本发明提供了一种基于温度补偿的光子晶体光纤甲烷传感装置。该传感器基于光子晶体光纤，利用气敏薄膜等效折射率方法和定向耦合技术，通过在内层引入6个大孔并涂覆甲烷气敏薄膜，实现了甲烷浓度的高灵敏测量。另外，通过在包层中选择填充两气孔，利用耦合模理论，有效地解决了温度和甲烷浓度的交叉敏感难题。具有灵敏度高、无交叉敏感、结构简单、易于实现等特点。
本发明的技术方案如下：
一种温度补偿的光子晶体光纤甲烷传感装置，其特征在于：包层空气孔呈正六边形分布(5)，内层大尺寸气孔(6)涂覆甲烷敏感薄膜(7)，第二层中选择上孔(8)和下孔(9)填充特定负折射率温度系数材料。
一种温度补偿的光子晶体光纤甲烷传感装置，其特征在于：传感器直径为29μm，其包层空气孔直径为1.4μm，晶格周期为3.2μm。内层大孔直径为2.8μm，大孔内侧涂覆甲烷敏感薄膜，厚度为300nm。当甲烷浓度为0%时，甲烷敏感薄膜折射率为1.448，且其折射率-甲烷浓度系数为-0.0046RIU/%。在第二层空气孔中选择上、下两气孔并填充特定负折射率温度系数材料，上、下填充孔直径分别为1.2μm和1.45μm。在温度为20℃时，功能材料的折射率为1.4153，其折射率-温度系数为-0.337e-4RIU/℃。传感器长度为5~10cm。基底材料为石英，其折射率由Sellimeier方程给出。
一种温度补偿的光子晶体光纤甲烷传感装置，其特征在于：由光源部分(1)、甲烷传感器部分(2)、解调部分(3)组成。光源部分利用单模光纤将宽带光源的光波信号导入甲烷传感器中，甲烷传感器部分用于对光信号进行调制，解调部分采用光谱分析仪输出经甲烷传感器调制后的光波信号。光源部分采用的光纤为第一段单模光纤，甲烷传感器部分所用光纤为特殊设计的光子晶体光纤，解调部分采用的光纤为第二段单模光纤。
一种温度补偿的光子晶体光纤甲烷传感装置，其特征在于：通过在纤芯附近引入涂覆有甲烷敏感薄膜的大孔影响模式间的耦合，增大甲烷的传感灵敏度。在包层中选择上、下两气孔并填充功能材料引入缺陷通道，增加传感自由度，实现一种温度补偿的高灵敏甲烷传感装置。纤芯模损耗光谱分别在1301.7nm和1529.5nm处形成损耗峰。
光纤包层由石英和正六边形排列的空气孔组成，结合气敏薄膜等效折射率方法和定向耦合技术，可实现甲烷的传感检测。通过在光纤内层引入6个大孔并涂覆甲烷敏感薄膜，可有效提高传感器的甲烷检测灵敏度。在第二层空气孔中选择上、下两气孔并填充特定负折射率温度系数材料形成缺陷通道，可增加传感的自由度。根据耦合模理论，纤芯模和上缺陷模及下缺陷模发生耦合时，纤芯模损耗光谱在满足相位匹配的特定波长处分别出现损耗峰。通过对上、下缺陷通道的优化设计，可实现两损耗峰中心波长分别处于通讯波长1301.7nm和1529.5nm处。当外界甲烷浓度和温度条件发生变化时，纤芯模与缺陷模的耦合特性受到影响，因此，左、右两损耗峰发生漂移。利用双参量矩阵法，可有效解决温度与甲烷浓度的交叉敏感难题。从而，可以实现一种温度补偿的光子晶体光纤甲烷传感装置。
本发明的有益效果在于：
1．本发明实现了一种温度补偿的光子晶体光纤甲烷传感装置，结合气敏薄膜等效折射率方法和定向耦合技术，通过引入内层镀膜大孔并优化传感器结构，提高了甲烷浓度传感的灵敏度，具有灵敏度高、结构简单的特点。
2．本发明实现了一种温度补偿的光子晶体光纤甲烷传感装置，利用选择填充技术引入缺陷通道，导致纤芯模损耗光谱具有两个损耗峰，可以同时检测甲烷浓度与温度，并且解决了温度与甲烷浓度的交叉敏感难题。
附图说明
图1为本发明的结构示意图：1.宽带光源、2.甲烷传感部分、3.光谱分析仪、4.传感器截面结构。
图2为Y偏振方向传感器纤芯模与两缺陷模耦合特性示意图。
图3为Y偏振纤芯模损耗光谱与甲烷浓度关系示意图。
图4为甲烷浓度变化时纤芯模两损耗峰漂移量示意图。
图5为Y偏振纤芯模损耗光谱与温度关系示意图。
图6为温度变化时纤芯模两损耗峰漂移量示意图。
具体实施方式
下面结合附图1-6对本发明的具体结构、方法原理以及实验过程进行进一步详细地描述。
本发明提出一种温度补偿的光子晶体光纤甲烷传感装置，结构示意图如图1所示，包括宽带光源部分(1)、甲烷传感部分(2)、光谱分析仪(3)、传感器截面结构(4)。甲烷传感部分由传感器和两端熔接的两根单模光纤组成。下面结合传感实验装置对本发明提出的一种温度补偿的光子晶体光纤甲烷传感装置的实验过程进行描述：宽带光源发出的光波经单模光纤传导输入到本PCF传感器中，经PCF调制的光波信号由单模光纤输入光谱分析仪中。由光谱分析仪得到在1301.7nm和1529.5nm处光谱分别出现损耗峰。通过调节温度加热片可改变PCF所处的温度环境，通过调节进气口的甲烷输入可调节气室内甲烷的浓度。当甲烷浓度及外界温度发生变化时，光谱损耗峰中心波长发生漂移。记录左、右两谐振峰的漂移量，并结合双参量矩阵法，解调出甲烷浓度和外界温度，实现温度补偿的甲烷测量。
本传感装置甲烷传感特性的研究主要采用有限元仿真的方法，首先研究了本传感器的特性。通过对截面结构进行特殊设计，传感器光谱中出现了两个损耗峰，并实现了左、右峰中心波长的分离。通过在PCF内层引入6个附有甲烷敏感薄膜的大孔，提高了传感器对甲烷浓度变化的响应灵敏度。第二层空气孔中，选择上、下两气孔并填充特定负折射率温度系数的功能材料引入缺陷通道，增加传感的自由度。通过对两填充空尺寸的优化，在纤芯模损耗光谱中出现左、右两个谐振峰，并且两峰间的自由光谱范围约为230nm。如图2所示，在1301.7nm和1529.5nm处分别出现损耗峰，其中1301.7nm处损耗峰为Y偏振方向纤芯基模与上缺陷通道耦合产生，1529.5nm处损耗峰为Y偏振方向纤芯基模与下缺陷通道耦合产生。利用左、右两损耗峰受甲烷浓度及温度影响产生的漂移情况不同可达到传感目的。
根据以上的研究，本传感器两损耗峰及中心波长分离的光谱特性非常适合温度补偿的甲烷传感。接下来利用有限元法对本传感器的光场特性进行研究，计算甲烷浓度对纤芯模损耗光谱左、右两损耗峰漂移特性的影响。图3为Y偏振纤芯模损耗光谱随甲烷浓度变化而漂移的关系示意图。由图3可得，随着甲烷浓度由0%增加到4%，因纤芯模与上缺陷通道耦合引起的纤芯模损耗光谱中左损耗峰发生明显的蓝移，因纤芯模与下缺陷通道耦合引起的光谱右损耗峰亦明显蓝移。但是，两损耗峰受甲烷浓度影响下的漂移量不同。以甲烷浓度为0%时左、右损耗峰中心波长为参考点，可计算出纤芯模光谱两损耗峰随甲烷浓度漂移的灵敏度曲线，如图4所示。根据图4，左峰的甲烷灵敏度为-22.78nm/%，右峰的甲烷灵敏度为-20.63nm/%。
为了在甲烷传感过程中对温度的影响进行补偿，我们改变受温度影响的因素，如填充材料的折射率、光纤基底材料的折射率等再进行有限元计算。图5所示为Y偏振纤芯模损耗光谱与温度的关系示意图。由图5可知，随着外界温度的升高，纤芯模损耗光谱中左、右损耗峰均发生红移。并且，两个损耗峰受温度影响下的漂移量不同。根据图5可计算得不同温度下的基模损耗峰漂移情况，从而得到该传感器的温度灵敏度。以温度为20℃时左、右损耗峰中心波长为参考点，可得纤芯模损耗光谱中两峰随温度变化的灵敏度，如图6所示。由图6中数据，可计算出左峰的温度灵敏度为0.47nm/℃，右峰的温度灵敏度为0.57nm/℃。
根据上述计算与分析，便可得到不同外界参量的灵敏度：左、右峰的甲烷灵敏度分别为-22.78nm/%和-20.63nm/%，温度灵敏度分别为0.47nm/℃和0.57nm/℃。从中可以看出本传感装置对甲烷灵敏度颇高，将灵敏度系数代入如下双参数解调公式，即可在排除温度干扰的情况下得到甲烷的浓度。

Claims (5)

1.一种温度补偿的光子晶体光纤甲烷传感装置，其特征在于：包层空气孔呈正六边形分布(5)，内层大尺寸气孔(6)涂覆甲烷敏感薄膜(7)，第二层中选择上孔(8)和下孔(9)填充特定负折射率温度系数材料。
2.根据权利要求1所述的一种温度补偿的光子晶体光纤甲烷传感装置，其特征在于：由光源部分(1)、甲烷传感器部分(2)、解调部分(3)组成；光源部分利用单模光纤将宽带光源的光波信号导入甲烷传感器中，甲烷传感器部分用于对光信号进行调制，解调部分采用光谱分析仪输出经甲烷传感器调制后的光波信号；光源部分采用的光纤为第一段单模光纤，甲烷传感器部分所用光纤为特殊设计的光子晶体光纤，解调部分采用的光纤为第二段单模光纤。
3.根据权利要求1所述的一种温度补偿的光子晶体光纤甲烷传感装置，其特征在于：传感器直径为29μm，其包层空气孔直径为1.4μm，晶格周期为3.2μm；内层大孔直径为2.8μm，大孔内侧涂覆甲烷敏感薄膜，厚度为300nm；第二层中上填充孔直径为1.2μm，下填充孔直径为1.45μm；传感器长度为5~10cm。
4.根据权利要求1所述的一种温度补偿的光子晶体光纤甲烷传感装置，其特征在于：通过在纤芯附近引入涂覆有甲烷敏感薄膜的大孔影响模式间的耦合，增大甲烷的传感灵敏度；在包层中选择上、下两气孔并填充功能材料引入缺陷通道，增加传感自由度，实现一种温度补偿的高灵敏甲烷传感器；纤芯模损耗光谱中分别在1301.7nm和1529.5nm处形成损耗峰。
5.根据权利要求1所述的一种温度补偿的光子晶体光纤甲烷传感装置，其特征在于：其内层空气孔涂覆甲烷敏感薄膜，当甲烷浓度为0%时，折射率为1.448；第二层空气孔中选择上、下两气孔并填充特定负折射率温度系数材料，其在温度为20℃时折射率为1.4153。
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