CN112729377B - 粗锥干涉结构、制备方法及温度浓度双参数测量方法 - Google Patents
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Abstract
为了实现对液体温度和折射率双参数同时测量,本发明提出一种粗锥干涉结构、制备方法及温度浓度双参数测量方法。本发明采用光纤熔接放电的方法制备。先将两段单模光纤通过熔接机扩径光锥熔接模式大功率瞬时放电,形成具有拼接狭缝的扩径光锥,再对锥形结构多次放电,制成所需的内空腔粗锥干涉结构温度浓度双参数光纤传感器。本发明的有益效果:可实现三光束干涉结构,从而实现光谱细分,提高测量精确度;本发明的器件结构机械强度较好,稳定性可靠;采用熔接放电的方法制备的干涉型传感器,制备简便,重复性高,易于实现器件的批量加工。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤器件,特别涉及一种粗锥干涉结构、制备方法及温度浓度双参数测量方法。
背景技术
光纤传感器具有诸多优良特性,可实现复杂环境下的测量工作具有非常广泛的应用价值。它具有抗电磁干扰、抗辐射、灵敏度高、重量轻、绝缘防爆、耐腐蚀等特点,且光纤尺寸微小,具有良好的光传输性能。在各种类型的光纤传感器中,目前精度最高的是干涉型光纤传感器。其中光纤FP和MZI传感器因只用一根光纤且结构简单体积小、动态范围大,在生物医学、磁场、微机电系统中收到广泛关注。
传统干涉型光纤传感器件形式多样,制备过程往往比较复杂,不能实现温度和折射率传感的精度需求,灵敏度低,成本较高,光纤传感器的适用性不高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点,提供一种粗锥干涉结构、制备方法及温度浓度双参数测量方法,突破了传统加工方法的局限,实现温度和折射率传感的精度需求。结构简单,成本低廉,灵敏度高,可靠性好,在光纤双参数检测方面有显著的优势。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:一种具有内部空气细腔的粗锥干涉结构,包括第一单模光纤和第二单模光纤,所述第一单模光纤与所述第二单模光纤之间通过扩径光锥熔接方式熔接;在第一单模光纤与第二单模光纤的熔接处,形成内部含有空气狭缝和空气细腔的粗锥结构,其中,所述空气狭缝和所述空气细腔轴向均与所述粗锥结构的纵向截面平行,并且所述空气细腔的轴向长度6~7μm;当光依次经过所述空气狭缝和所述空气细腔在后,在所述粗锥结构内形成三束光,使经过所述粗锥结构的光实现三光束干涉。
优选的,为了增加装置的适用性,所述粗锥锥区径向长241um。
优选的,为了增加装置的实用性,所述粗锥干涉结构光谱图为大包络叠小包络形状。
本发明还公开了一种具有内部空气狭缝的粗锥干涉结构制备方法,具体包括以下步骤:
步骤1、将两段单模光纤放在熔接机中通过扩径光锥熔接方式熔接,熔接形成粗锥;步骤2、对所述粗锥处进行大功率瞬时放电,使所述粗锥内部形成空气狭缝;步骤3、在所述粗锥区域进行多次放电,使其形成含有内部空气细腔的粗锥结构;步骤4、所得光纤将为所需的三光束干涉温度折射率双参数传感器结构。
优选的,为了增加装置的适用性,所述单模光纤型号为SFM-28的普通单模光纤,包层直径125um,纤芯直径9um。
优选的,为了增加装置的适用性,所述熔接机为日本Fujikura公司的80S高精度单芯熔接机。
本发明还公开了一种利用光纤内空腔粗锥干涉结构温度浓度双参数测量方法,具体包括以下步骤:
步骤1、进行温度测量时,将所述三束干涉光纤通过聚酰亚胺胶带固定在加热平台上,通过环行器连接宽带光源和光谱仪;步骤2、将温度控制由20摄氏度上升到100摄氏度,每隔十度记录光谱;步骤3、进行折射率测量时,将所述三束干涉光纤固定在第一二维位移平台上,将毛细管固定在第二二维位移平台上,并将所述第一二维位移平台和所述第二二维位移平台固定于光学平台上;步骤4、所述毛细管内溶液刚好与所述三束干涉光纤端面接触时,在20摄氏度时,将所述毛细管内溶液折射率由1.3317上升至1.3339,记录8个点的光谱图线。
优选的,为了增加装置的实用性,所述三束干涉光纤对温度测量具有良好的线性度,且对折射率在1.3317~1.3350范围具有良好的线性度和灵敏度。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
1、本发明可实现三光束干涉结构,从而实现光谱细分,提高测量精确度;
2、本发明的器件结构机械强度较好,稳定性可靠;
3、采用熔接放电的方法制备的干涉型传感器,制备简便,重复性高,易于实现器件的批量加工。
干涉型光纤传感器件形式多样,本发明所选用的空气细腔粗锥端面反射式结构,突破了传统加工方法的局限,通过FP干涉腔结合MZI干涉的方法,实现温度和折射率传感的精度需求。结构简单,成本低廉,灵敏度高,可靠性好,在光纤双参数检测方面有显著的优势。
应当理解,前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释,并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图,本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明,其中:
图1示意性示出了本发明内空腔粗锥光纤结构示意图;
图2示意性示出了本发明内空腔粗锥干涉结构传感器光谱示意图;
图3示意性示出了本发明光纤内空腔粗锥干涉结构温度传感测试系统图;
图4示意性示出了本发明光纤内空腔粗锥干涉结构折射率传感测试系统图;
图5示意性示出了温度传感测试光谱图;
图6示意性示出了折射率传感测试光谱图;
图7示意性示出了波长漂移量随温度变化的拟合结果示意图;
图8示意性示出了波长漂移量随折射率变化的拟合结果示意图。
图中:
1、包层 2、空气狭缝 3、纤芯
4、扩径光锥 5、光谱仪 6、宽带光源
7、环行器 8、加热平台 9、第一二维位移平台
10、三束干涉光纤 11、毛细管 12、第二二维位移平台
13、空气细腔
具体实施方式
通过参考示范性实施例,本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而,本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例;可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中,将参考附图描述本发明的实施例。在附图中,相同的附图标记代表相同或类似的部件,或者相同或类似的步骤。
如图1至图2所示,本实施例提供一种内空腔粗锥干涉结构,包括第一单模光纤和第二单模光纤,第一单模光纤与第二单模光纤之间通过扩径光锥熔接方式熔接;在第一单模光纤与第二单模光纤的熔接处,形成内部含有空气狭缝2和空气细腔13的粗锥结构,其中,空气狭缝2和空气细腔13轴向均与粗锥结构的纵向截面平行,并且空气细腔13的轴向长度6~7μm,粗锥锥区径向长241um;当光依次经过空气狭缝8和空气细腔13在后,在粗锥结构内形成三束光,使经过粗锥结构的光实现三光束干涉;粗锥干涉结构光谱图为大包络叠小包络形状。
本发明还公开了一种具有内部空气狭缝的粗锥干涉结构制备方法,具体包括以下步骤:
步骤1、将两段单模光纤放在熔接机中通过扩径光锥熔接方式熔接,熔接形成粗锥;步骤2、对粗锥处进行大功率瞬时放电,使粗锥内部形成空气狭缝2;步骤3、在粗锥区域进行多次放电,使其形成含有内部空气细腔13的粗锥结构;步骤4、所得光纤将为所需的三光束干涉温度折射率双参数传感器结构。
单模光纤型号为SFM-28的普通单模光纤,包层1直径125um,纤芯3直径9um;熔接机为日本Fujikura公司的80S高精度单芯熔接机。
如图3至图8所示,一种利用光纤内空腔粗锥干涉结构温度浓度双参数测量方法,具体包括以下步骤:
步骤1、进行温度测量时,将三束干涉光纤10通过聚酰亚胺胶带固定在加热平台8上,通过环行器7连接宽带光源6和光谱仪5;步骤2、将温度控制由20摄氏度上升到100摄氏度,每隔十度记录光谱;步骤3、进行折射率测量时,将三束干涉光纤10固定在第一二维位移平台9上,将毛细管11固定在第二二维位移平台12上,并将第一二维位移平台9和第二二维位移平台12固定于光学平台上;步骤4、毛细管11内溶液刚好与三束干涉光纤10端面接触时,在20摄氏度时,将毛细管11内溶液折射率由1.3317上升至1.3339,记录8个点的光谱图线。
三束干涉光纤10对温度测量具有良好的线性度,且对折射率在1.3317~1.3350范围具有良好的线性度和灵敏度。
实施例一。
本发明所采用的光纤为型号为SFM-28的普通单模光纤,包层1直径125um,纤芯3直径9um,将其放置于日本Fujikura公司的80S高精度单芯熔接机于另一根SFM-28普通单模光纤在熔接机中,使用扩径光锥熔接模式,进行大功率瞬时放电,使粗锥内部形成空气狭缝2,并在粗锥区域进行多次放电,使其形成含有内部空气细腔的粗锥结构,形成的内部细腔轴向腔长为6~7um,粗锥锥区径向长241um。即制成所需的三光束干涉10温度折射率双参数传感器结构。光谱图为大包络叠小包络形状,如图2所示。
一种内空腔粗锥干涉结构如图1所示;光纤内空腔粗锥干涉结构温度浓度双参数光纤传感器测试方法如图3、4所示。
进行温度测量时,由聚酰亚胺胶带将三束干涉光纤10固定于加热平台8,通过环行器7连接宽带光源6和光谱仪5,将温度由20摄氏度,上升到100摄氏度,每个十度记录光谱。
进行折射率测量时,将三束干涉光纤10固定在第一二维位移平台9上,将毛细管11固定在第二二维位移平台12上,并将第一二维位移平台9和第二二维位移平台12固定于光学平台上。测试时精确控制毛细管11内溶液刚好与三束干涉光纤10端面接触,使毛细管11内液体折射率在20度时由1.3317上升至1.3339,记录8个点的光谱曲线。
实验中所得反射光谱如图5、6所示。
同时,该传感器对温度测量具有良好的线性度,且对折射率在1.3317~1.3350范围具有良好的线性度和灵敏度。如图7、8所示。
本发明的有益效果是:本发明可实现三光束干涉结构,从而实现光谱细分,提高测量精确度;本发明的器件结构机械强度较好,稳定性可靠;采用熔接放电的方法制备的干涉型传感器,制备简便,重复性高,易于实现器件的批量加工。
结合这里披露的本发明的说明和实践,本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的,本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。
Claims (9)
1.一种具有内部空气细腔的粗锥干涉结构,其特征在于,所述内部空气细腔的粗锥干涉结构包括:
第一单模光纤和第二单模光纤,所述第一单模光纤与所述第二单模光纤之间通过扩径光锥熔接方式熔接;
在第一单模光纤与第二单模光纤的熔接处,形成内部含有空气狭缝和空气细腔的粗锥结构,其中,所述空气狭缝和所述空气细腔轴向均与所述粗锥结构的纵向截面平行,并且所述空气细腔的轴向长度6~7μm;
当光依次经过所述空气狭缝和所述空气细腔之后,在所述粗锥结构内形成三束光,使经过所述粗锥结构的光实现三光束干涉。
2.根据权利要求1所述的粗锥干涉结构,其特征在于,所述粗锥结构的锥区径向长241um。
3.根据权利要求1所述的粗锥干涉结构,其特征在于,所述粗锥干涉结构光谱图为大包络叠小包络形状。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的具有内部空气细腔的粗锥干涉结构的制备方法,其特征在于,具体包括以下步骤:
步骤1、将两段单模光纤放在熔接机中通过扩径光锥熔接方式熔接,熔接形成粗锥;
步骤2、对粗锥处进行大功率瞬时放电,使所述粗锥内部形成空气狭缝;
步骤3、在粗锥区域进行多次放电,使其形成含有内部空气细腔的粗锥结构;
步骤4、所得光纤将为所需的三光束干涉温度折射率双参数传感器结构。
5.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于,所述单模光纤型号为SFM-28的普通单模光纤,包层直径125um,纤芯直径9um。
6.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于,所述熔接机为日本Fujikura公司的80S高精度单芯熔接机。
7.一种利用如权利要求1-3任一项所述的具有内部空气细腔的粗锥干涉结构的温度浓度双参数测量方法,其特征在于,具体包括以下步骤:
步骤1、进行温度测量时,将三光束干涉光纤(粗锥干涉结构)通过聚酰亚胺胶带固定在加热平台上,通过环行器连接宽带光源和光谱仪;
步骤2、将温度控制由20摄氏度上升到100摄氏度,每隔十度记录光谱;
步骤3、进行折射率测量时,将三光束干涉光纤固定在第一二维位移平台上,将毛细管固定在第二二维位移平台上,并将所述第一二维位移平台和所述第二二维位移平台固定于光学平台上;
步骤4、所述毛细管内溶液刚好与所述三光束干涉光纤端面接触时,在20摄氏度时,将所述毛细管内溶液折射率由1.3317上升至1.3339,记录8个点的光谱图线。
8.根据权利要求7所述的测量方法,其特征在于,所述三光束干涉光纤对温度测量具有良好的线性度。
9.根据权利要求7所述的测量方法,其特征在于,所述三光束干涉光纤对折射率在1.3317~1.3350范围具有良好的线性度和灵敏度。
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