[發明專利]一種光子晶體光纖溫度傳感器及其測量方法

在審

• 申請號: 202111474321.1
• 申請日: 2021-12-02
• 公開（公告）號: CN114001843A
• 公開（公告）日: 2022-02-01
• 發明（設計）人: 張克非;郭慧杰;葉婷;郜洋;廖秋雨;劉維光
• 申請（專利權）人: 西南科技大學
• 主分類號: G01K11/32
• 分類號: G01K11/32
• 代理公司: 成都方圓聿聯專利代理事務所(普通合伙) 51241
• 代理人: 鄧永紅

本發明提供一種光子晶體光纖溫度傳感器及其測量方法，寬譜光源發出的光經3dB耦合器分為兩束相干光，在光子晶體光纖中沿著相反的光路傳輸后，經過相干疊加進入光譜分析儀，得出輸出光譜，再根據透射譜的共振峰峰值位置隨溫度的移動變化關系得出溫度傳感器的靈敏度。本發明采用光子晶體光纖，其具有無限截至單模傳輸特性、色散特性、大模場面積、高非線性和雙折射特性等優越特性。在纖芯中摻入乙醇液體，提高溫度傳感靈敏度，在較小的傳感長度下即能達到較好的溫度傳感效果，易于集成化與微型化。

技術領域

本發明屬于傳感器技術領域，具體涉及一種光子晶體光纖溫度傳感器及其測量方法。

背景技術

光纖溫度傳感器因體積小、測量精度高、不受電磁干擾等優點而受到廣泛關注，但其結構單一、雙折射和熱敏系數較低，限制了溫度靈敏度的進一步提高。光纖溫度傳感器分為分布式，干涉型和光纖光柵溫度傳感器。由光源、敏感元件、光探測器、信號處理系統等部分組成。其基本原理是：

(1)光源入射的光進入調制區。

(2)光在通過調制區的光纖時與外界被測參數相互作用，使入射光的某些光學性質(如強度、波長、頻率、相位、偏正態等)發生變化而成為被調制的信號光。

(3)被調制的信號光出射進入光探測器、解調器而獲得被測參數，從而得出溫度的變化情況。

上述傳統技缺點是：

1.光纖物理特性隨溫度變化小，其溫度靈敏度較低。

2.存在結構單一、雙折射和熱敏系數較低、保偏性能差等問題，影響溫度測量。

導致原因：

1.普通光纖材料與結構的單一性，導致光纖中傳輸光的強度、波長、相位或偏振態等待測物理量隨溫度的變化量較小；

2.對于傳統光纖由摻雜纖芯和純石英包層組成，較難通過改善光纖結構提升傳感性能。

發明內容

針對上述技術問題，本發明提供一種光子晶體光纖溫度傳感器及其測量方法，目的在于：

采用光子晶體光纖(Photonic crystal fiber；PCF)作為傳感材料，解決如下問題：

(1)采用光子晶體光纖作為結構單元，通過靈活設計包層結構可實現結構多元化，解決傳統光纖結構單一問題；通過破壞包層結構對稱性有效提高PCF的高雙折射率和熱敏系數。

(2)通過優化設計新型PCF結構，并在填充纖芯周圍的一個大橢圓空氣孔33中選擇性填充乙醇溫敏性材料，可實現高靈敏度﹑更寬范圍的溫度傳感。

具體的技術方案為：

光子晶體光纖溫度傳感器，包括寬譜光源，所述的寬譜光源連接3dB耦合器，3dB耦合器還分別連接光子晶體光纖和光譜分析儀。

光子晶體光纖內縱向分布空氣孔，空氣孔包括圓空氣孔、大橢圓空氣孔、小橢圓空氣孔，空氣孔外填充石英；

在橫截面上，空氣孔分為上下對稱兩部分，中間通過一排小橢圓空氣孔隔離開；

圓空氣孔按照三角陣列排布；

在光纖中心處，靠近小橢圓空氣孔兩側的一排的空氣孔中各設有一個大橢圓空氣孔；

在光纖中心處周圍至少有一個空氣孔內填充有乙醇液體。

在纖芯附近的一個大橢圓空氣孔中填充乙醇液體，或者在纖芯附近的兩個大橢圓空氣孔中填充乙醇液體，或者在纖芯附近的兩個小橢圓空氣孔中填充乙醇液體，或者在纖芯附近的兩大橢圓空氣孔、四個圓空氣孔一共六個空氣孔中填充乙醇液體。