[發明專利]光子晶體光纖折射率溫度傳感器、制作方法及測量系統

無效

• 申請號: 201210242071.3
• 申請日: 2012-07-13
• 公開（公告）號: CN102778306A
• 公開（公告）日: 2012-11-14
• 發明（設計）人: 王婷婷;王鳴;常建華
• 申請（專利權）人: 南京信息工程大學
• 主分類號: G01K11/32
• 分類號: G01K11/32
• 代理公司: 南京眾聯專利代理有限公司 32206
• 代理人: 顧進

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技術領域

????本發明涉及一種光纖傳感器、制作方法及其測量系統，特別是光子晶體光纖折射率溫度傳感器、制作方法及測量系統。

背景技術

折射率是物質的一種基本屬性，隨著外界溫度、濃度、密度、壓力等的變化而變化，因此折射率的測量具有重要的實際意義。傳統的測量方法有阿貝折射率儀，激光照射法以及楊氏干涉法等。但這些傳統的折射率儀不適合遠距離、小體積領域使用。光纖纖芯和包層的折射率差決定了數值孔徑，從而影響光纖的損耗。光纖的數值孔徑受溫度的調制，即光纖的集光能力受環境溫度的調制，經光電檢測系統解調后，即可得到被測物的溫度值。光纖折射率溫度傳感器就是根據光纖包層折射率隨溫度變化會引起傳輸光能損耗變化的原理制成的。光纖傳感器具有不易受電磁干擾、結構簡單、尺寸小、適用于易燃易爆等惡劣環境……，這些優點使其逐漸替代了傳統的大體積折射率儀。

光纖法布里-珀羅（F-P）干涉傳感器，憑借其抗電磁干擾能力強、精度高、穩定性好可靠性好、分辨率高等優勢,在應變、壓力、振動、加速度、溫度、折射率測量等領域得到廣泛應用。非本征型光纖法珀干涉傳感器是應用最為廣泛的一種光纖法珀干涉儀，其干涉腔由空氣或其它非光纖的固體介質（如中空的石英玻璃管）構成，光纖僅起到光傳輸介質的作用。它不僅具有光纖傳感器的所有優點，而且能克服本征型光纖法珀傳感器對各方向應變敏感和受溫度影響較大的缺點。

當非本征型光纖F-P傳感器的干涉腔的折射率發生變化時，其相位就會發生變化從而引起干涉條紋的漂移，因此通過檢測波長的偏移量測量氣體或液體的折射率，進而實現對待檢測環境的溫度探測傳感。然而這種傳感器的F-P腔易受污染，這給應用其準確測量帶來一定困難。近來出現了一種利用157nm激光器加工的光纖F-P折射率傳感器，這種傳感器克服了溫度交叉敏感的問題。但是其制作過程復雜，且在解調過程中需要去掉低頻調制信號，降低了測量精度。另一種基于光子晶體光纖的折射率和溫度傳感器的F-P腔由光子晶體光纖兩端與普通單模光纖熔接構成，并用飛秒激光器切割一端單模光纖形成約20μm的蓋子防止被測液體進入F-P腔，這種傳感器干涉條紋沒有低頻調制，使得測量更加精確。但是飛秒激光器的使用增加了制作成本和制作復雜性，而且因為2.3mm的長腔長限制了利用直接測波長偏移來測量溫度的測量范圍。

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發明內容

為解決上述問題，本發明公開的光子晶體光纖折射率溫度傳感器、制作方法及測量系統，結構簡單、微型化、制作方便、適用于易燃易爆等惡劣環境，同時還具有信號噪聲小，系統靈敏度高、可靠性好的優點。

本發明公開的光子晶體光纖折射率溫度傳感器，包括單模光纖制作的光信號輸入輸出光纖、光子晶體光纖制作的傳感器探頭以及兩者間的空氣腔，所述的光信號輸入輸出光纖一端與傳感器探頭一端通過光纖熔接機同軸連接，并且通過光子晶體光纖的包層的空氣孔塌陷在光信號輸入輸出光纖與傳感器探頭的連接面處形成橢球形的空氣腔，空氣腔的前后兩表面與切割研磨后形成的傳感器探頭的前端面形成復合法布里-珀羅腔的三個反射面，所述的空氣腔的前后兩表面的距離L₁為10-20μm，所述的空氣腔的前端面與傳感器探頭的前端面的距離L₂為100-250μm，所述的空氣腔的前后兩表面的曲率半徑均大于L₁。

本發明公開的光子晶體光纖折射率溫度傳感器的一種改進，空氣腔的前后兩表面的距離L1為10-15μm。

本發明公開的光子晶體光纖折射率溫度傳感器又一種改進，空氣腔的前端面與傳感器探頭的前端面的距離L2為100-150μm。

本發明公開的光子晶體光纖折射率溫度傳感器又一種改進，空氣腔的前后兩表面的距離L1為10-15μm，空氣腔的前端面與傳感器探頭的前端面的距離L2為100-150μm。

本發明公開的光子晶體光纖折射率溫度傳感器的制作方法，包括如下步驟：（1）、用光纖切割刀切割單模光纖和光子晶體光纖，保護好切割端面；（2）、用光纖熔接機將已切割好端面的一端進行熔接，熔接時光子晶體光纖應稍遠離電極；第一次放電后，熔接點處邊緣首先熔接上，而中心由于光子晶體光纖包層空氣孔的塌陷排出的空氣被捕獲形成空氣腔；（3）、追加2次放電，形成橢球型空氣腔，使得空氣腔的反射面曲率半徑大于空氣腔腔長，即大于L1；（4）、將光子晶體光纖未塌陷部分切割及研磨成平滑的反射面，形成復合法布里-珀羅腔。