[發明專利]折射率不敏感的溫度傳感器的制備方法及測量裝置

有效

• 申請號: 201210548818.8
• 申請日: 2012-12-17
• 公開（公告）號: CN102944328A
• 公開（公告）日: 2013-02-27
• 發明（設計）人: 徐飛;邱孫杰;陸延青;胡偉
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G01K11/32
• 分類號: G01K11/32
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 李媛媛

技術領域

本發明涉及光電子技術領域，具體涉及光纖傳感器的研究與制備。更具體而言，是通過將高折射率軟玻璃光纖與單模光纖熔接從而制備出反射型和傳輸型的折射率不敏感的溫度傳感器。

背景技術

光纖傳感是20世紀70年代問世的一門新技術，它是以光作為信息載體，以光纖作為信息傳輸介質的一種傳感技術。由于光纖傳感器相對于傳統傳感器而言具有體積小重量輕，不受電磁干擾，高靈敏度等優點，因而自20世紀70年代低損耗光纖問世以來，它逐步成為新一代傳感器的研發方向之一，展現出非常好的應用前景。近幾年來，隨著科技的進步和研究的深入，各式各樣的光纖傳感器（諸如溫度，壓力，應力，折射率，電流，電壓，氣體傳感器等）不斷被研制出來，尤其是自物聯網的概念提出以來，光纖傳感更是成為一個熱門的研究領域。

光纖干涉型溫度傳感器在電力系統、航空航天、石油化工、建筑等領域有非常大的應用前景。然而，普通的光纖干涉型溫度傳感器受制于二氧化硅本身較小的熱膨脹系數，溫度敏感性低，且二氧化硅的折射率低（~1.45），對低折射率液體（<1.45）很敏感，因而會對溶液中的溫度測量造成嚴重的干擾。此外，也正因為普通二氧化硅光纖折射率低，利用它制備的光纖干涉型傳感器往往無法檢測高折射率的液體（如高折射率液晶等），這在很大程度上限制了這類光纖干涉型傳感器的應用。

發明內容

本發明的目的是：利用高折射率軟玻璃光纖制備折射率不敏感的溫度傳感器，包括反射型折射率不敏感的溫度傳感器和傳輸型折射率不敏感的溫度傳感器。由于這類軟玻璃光纖折射率高，熱膨脹系數高，因此對低折射率液體（<1.45）不敏感但對溫度變化很敏感，因而可以精確測量溶液中的溫度。

本發明的技術方案是：?

折射率不敏感的溫度傳感器的制備方法，包括如下步驟：首先用光纖切割刀將單模光纖和高折射率軟玻璃光纖的端面切平；然后采用熔接方法將單模光纖和高折射率軟玻璃光纖的一個端面熔接起來，并且使得熔接處產生一個或兩個空氣孔，即為反射型折射率不敏感的溫度傳感器，或者采用熔接方法將兩段單模光纖分別和高折射率軟玻璃光纖的兩個端面熔接起來，并且使得熔接處不產生空氣孔，即為傳輸型折射率不敏感的溫度傳感器。

所述高折射率軟玻璃光纖采用其折射率比二氧化硅的折射率高，其熱膨脹系數比二氧化硅的熱膨脹系數高，其軟化點比二氧化硅的軟化點低的非二氧化硅光纖，為硅酸鉛玻璃光纖、碲酸鹽玻璃光纖或鍺酸鹽玻璃光纖等。所述高折射率軟玻璃光纖的長度一般為1毫米到20毫米之間。高折射率軟玻璃光纖為由固體芯和空氣包層組成的光纖，也可以使用空心軟玻璃光纖，對傳輸型折射率不敏感的溫度傳感器還可以使用全固體的軟玻璃光纖。

本發明所用軟玻璃光纖由于其軟化點（<600℃）比單模光纖(>1600℃)低很多，因此當用電弧熔接時需采用不對稱的熔接方法，也可以采用其他的熔接方法（如銥加熱絲，石墨加熱絲等）進行熔接。

本發明的高折射率軟玻璃光纖既可制作反射型折射率不敏感的溫度傳感器，也可制作傳輸型折射率不敏感的溫度傳感器，其測量方法也包括兩種：

第一種針對反射型折射率不敏感的溫度傳感器的測量裝置，包括超連續光源、光纖環形器、光譜儀、普通單模光纖和所述反射型折射率不敏感的溫度傳感器，其中熔接處的空氣孔形成法布里珀羅腔；超連續光源發出的入射光通過普通單模光纖輸入到光纖環形器的第1端口，環形器的第3端口通過普通單模光纖連接所述溫度傳感器的單模光纖，環形器的第2端口通過普通單模光纖與光譜儀連接；

第二種針對傳輸型折射率不敏感的溫度傳感器的測量裝置，包括超連續光源、光譜儀、普通單模光纖和所述傳輸型折射率不敏感的溫度傳感器；超連續光源通過普通單模光纖連接所述溫度傳感器一端的單模光纖，所述溫度傳感器的另一端單模光纖再通過普通單模光纖與光譜儀連接。

本發明的有益效果是：

（1）由于高折射率軟玻璃光纖熱膨脹系數比普通光纖大一個數量級，因此其波長漂移溫度靈敏度很高，且由于這種光纖折射率大（~1.8），對低折射率液體的敏感性很低，因而可以精確測量溶液中的溫度。實驗中在檢測溶液中的溫度時，其測量誤差率不到1%。

（2）相比其它傳感原理的傳感器，本發明無需復雜的工藝，光路簡單，制作成本低，所需高折射率軟玻璃光纖很短（傳輸型傳感器：軟玻璃光纖一般幾毫米到十幾毫米，反射型傳感器：軟玻璃光纖長度可比傳輸型的更短）。