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方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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20 μ m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。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术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。本专利技术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10-20 μ m，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100-250 μ m，所述的空气腔的前后两表面的曲率半径均大于本专利技术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LI为10-15 μ m。本专利技术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100-150 μ m。本专利技术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LI为10-15 μ m,空气腔的前端面与传感器探头的前端面的距离L2为100-150 μ m。本专利技术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(I)、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LI ; (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。本专利技术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50 μ m，预熔时间O. 2s，预熔电流5mA，熔接电流7.5mA，熔接时间650ms, ζ轴推进量15 μ m,追加放电电流7. 5mA,单次追加放电时间650ms。本专利技术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。通过本专利技术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I是本传感器使用的光子晶体光纤端面 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7是本传感器测量的液体折射率与参数AR的关系 图8是本传感器在空气中，温度分别为24°C、66°C和95°C时的反射光谱 图9是本传感器测量的温度与波谷波长的关系 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；I、传感分析仪； 2、环行器；3、计算机具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本专利技术，应理解下述具体实施方式仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。如图I至图10所示，本专利技术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 —端与传感器探头2-3 —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10-20 u m,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100-250 ii m,所述的空气腔2-5的前后两表面的曲率半径均大于Lp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LI为10-15 V- m。作为一种优选，空气腔2-5的前端面本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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10-20 μ m，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100-250 μ m，所述的空气腔的前后两表面的曲率半径均大于U。2.根据权利要求I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LI为10-15 μ m。3.根据权利要求I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100-150 μ m。4.根据权利要求I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LI为10-15 μ m，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100-150 μ m。5.根据权利要求I所述的光子晶体光纤折射率温度传感器的制作方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王婷婷，王鸣，常建华，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：