一種光子晶體光纖溫度傳感探頭及其測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)公開(kāi)了一種光子晶體光纖溫度傳感探頭及其測(cè)量系統(tǒng)，涉及光子晶體光纖傳感器件領(lǐng)域，包括：LMA-8全內(nèi)反射型光子晶體光纖，后端面鍍有銀膜；光子晶體光纖的包層內(nèi)填充氯仿、甲苯和乙醇溫度敏感混合溶液，其中，所述氯仿、甲苯和乙醇的熱敏系數(shù)分別為-6.328×10-4/K、-5.273×10-4/K和-3.940×10-4/K，比所述純石英高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)。該反射式光纖探頭的制作只需要一次熔接，降低了熔接損耗，簡(jiǎn)化了制作工藝；并且，傳感光信號(hào)經(jīng)過(guò)反射兩次通過(guò)溫度敏感區(qū)域，增強(qiáng)了作用效應(yīng)，提高了傳感靈敏度；此外，利用具有很低熔點(diǎn)的甲苯和乙醇混合溶液，通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)溶液配比可以制作用于超低溫環(huán)鏡的溫度傳感探頭裝置。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及光子晶體光纖傳感器件領(lǐng)域，尤其涉及ー種光子晶體光纖溫度傳感探頭及其測(cè)量系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)并稱為當(dāng)今信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，低損耗光纖的問(wèn)世掀起了傳感器領(lǐng)域的ー場(chǎng)革命。光纖纖芯-包層的折射率差可以有效的控制數(shù)值孔徑和損耗特性，當(dāng)包層有效折射率受到外界環(huán)境溫度的調(diào)制吋，光纖的導(dǎo)光特性會(huì)發(fā)生改變，從而可以通過(guò)測(cè)量光信號(hào)強(qiáng)度的變化有效的獲得外界溫度信 o光子晶體光纖靈活的空氣孔結(jié)構(gòu)為包層折射率調(diào)制型光纖溫度傳感器的實(shí)現(xiàn)提供了良好的平臺(tái)。向光子晶體光纖空氣孔填充對(duì)外場(chǎng)敏感的液體材料，可以大大增強(qiáng)光信號(hào)同填充物質(zhì)的作用強(qiáng)度，從而獲得高靈敏度的外場(chǎng)傳感裝置。目前已有報(bào)道向光子晶體光纖空氣孔中填充溫度敏感液體，利用外界溫度影響其折射率變化，從而調(diào)制光子晶體光纖的限制損耗，實(shí)現(xiàn)溫度傳感的目的。例如公開(kāi)號(hào)CN 102288326A，公開(kāi)日2011年12月21日的專利技術(shù)專利中記載了一種填充混合液的光子晶體光纖。專利技術(shù)人在實(shí)現(xiàn)本專利技術(shù)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中至少存在以下缺點(diǎn)和不足現(xiàn)有技術(shù)中的方案屬于透射式傳感，具有光路復(fù)雜、光子晶體光纖與普通單模光纖需要多次熔接、光源和探測(cè)裝置分立于傳感單元兩側(cè)等缺點(diǎn)，尤其在工程上不適合極端惡劣環(huán)境下的外場(chǎng)檢測(cè)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)提供了ー種光子晶體光纖溫度傳感探頭及其測(cè)量系統(tǒng)，本專利技術(shù)實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、且易應(yīng)用于工程實(shí)踐特別是極端惡劣環(huán)境(超低溫)下的外場(chǎng)溫度檢測(cè)，詳見(jiàn)下文描述—種光子晶體光纖溫度傳感探頭，包括LMA-8全內(nèi)反射型光子晶體光纖，所述LMA-8全內(nèi)反射型光子晶體光纖的后端面鍍有銀膜；所述LMA-8全內(nèi)反射型光子晶體光纖的包層內(nèi)填充氯仿、甲苯和こ醇溫度敏感混合溶液，其中，所述氯仿、甲苯和こ醇的熱敏系數(shù)分別為-6. 328 X 10_4/K、-5. 273 X 10_4/K和-3. 940X 10^4/K,比所述純石英高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)。采用毛細(xì)現(xiàn)象或真空抽壓的方法將所述氯仿、甲苯和こ醇溫度敏感混合溶液填充進(jìn)所述LMA-8全內(nèi)反射型光子晶體光纖。ー種光路測(cè)量系統(tǒng)，所述光路測(cè)量系統(tǒng)包括光子晶體光纖溫度傳感探頭和溫度控制裝置，所述溫度控制裝置調(diào)節(jié)所述光子晶體光纖溫度傳感探頭內(nèi)的溫度敏感混合溶液的溫度，所述光子晶體光纖溫度傳感探頭通過(guò)單模光纖熔接點(diǎn)耦合到第一單模光纖跳線的一端；所述第一單模光纖跳線的另一端連接光纖環(huán)形器；所述光纖環(huán)形器的一端通過(guò)第二單模光纖跳線連接功率計(jì)；所述光纖環(huán)形器的另一端通過(guò)第三單模光纖跳線連接半導(dǎo)體激光光源；所述半導(dǎo)體激光光源發(fā)射光信號(hào)，經(jīng)過(guò)所述光纖環(huán)形器耦合入所述光子晶體光纖溫度傳感探頭；所述光信號(hào)經(jīng)過(guò)所述銀膜反射后重新經(jīng)過(guò)所述光子晶體光纖溫度傳感探頭進(jìn)入所述光纖環(huán)形器，下端ロ耦合輸出，所述功率計(jì)探測(cè)輸出光信號(hào)的強(qiáng)度。所述第一單模光纖跳線、第二單模光纖跳線和第三單模光纖跳線為1550nm的單模光纖跳線，相應(yīng)的，所述半導(dǎo)體激光光源為1550nm的半導(dǎo)體激光光源。本專利技術(shù)提供的技術(shù)方案的有益效果是本專利技術(shù)采用反射式光纖傳感探頭結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)的透射式光纖傳感器結(jié)構(gòu)，使得光源和探測(cè)裝置位于光纖探頭同側(cè)，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊、利于集成，光纖探頭更加容易伸入被測(cè)環(huán)鏡；該種反射式光纖探頭的制作只需要一 次熔接，降低了熔接損耗，簡(jiǎn)化了制作工藝；并且，傳感光信號(hào)經(jīng)過(guò)反射兩次通過(guò)溫度敏感區(qū)域，增強(qiáng)了作用效應(yīng)，提高了傳感靈敏度；此外，利用具有很低熔點(diǎn)的甲苯和こ醇混合溶液，通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)溶液配比可以制作用于超低溫環(huán)鏡的溫度傳感探頭裝置。附圖說(shuō)明圖I為選用的丹麥NKT Photonic公司生產(chǎn)的LMA-8全內(nèi)反射型光子晶體光纖的橫截面實(shí)物圖；圖2a為氯仿-こ醇體積比為9:1時(shí)，(TC時(shí)LMA-8全內(nèi)反射型光子晶體光纖中傳輸?shù)幕９庑盘?hào)的模場(chǎng)分布圖；圖2b為氯仿-こ醇體積比為9:1時(shí)，15°C時(shí)LMA-8全內(nèi)反射型光子晶體光纖中傳輸?shù)幕９庑盘?hào)的模場(chǎng)分布圖；圖3為氯仿-こ醇體積比為9:1時(shí)，LMA-8全內(nèi)反射型光子晶體光纖限制損耗和有效模場(chǎng)面積隨溫度的變化曲線；圖4為氯仿-こ醇體積比為9:1時(shí)，溫度從4°C升高到15°C時(shí)LMA-8全內(nèi)反射型光子晶體光纖限制損耗隨溫度的變化曲線和ー階線性擬合曲線； 圖5為甲苯-こ醇體積比為3:7吋，溫度從-80で升高到-70°C時(shí)LMA-8全內(nèi)反射型光子晶體光纖限制損耗隨溫度的變化曲線和ー階線性擬合曲線；圖6為光路測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。附圖中，各標(biāo)號(hào)所代表的部件列表如下I :半導(dǎo)體激光光源；2 :光纖環(huán)形器；3 :溫度控制裝置；4 :功率計(jì)；5 :第一單模光纖跳線； 6 :光子晶體光纖溫度傳感探頭；7 :單模光纖熔接點(diǎn)；8 :銀膜；9 :第二單模光纖跳線； 10 :第三單模光纖跳線。具體實(shí)施例方式為使本專利技術(shù)的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本專利技術(shù)實(shí)施方式作進(jìn)ー步地詳細(xì)描述。為了實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、且易應(yīng)用于工程實(shí)踐特別是極端惡劣環(huán)境(超低溫)下的外場(chǎng)溫度檢測(cè)，本專利技術(shù)實(shí)施例提供了ー種光子晶體光纖溫度傳感探頭及其測(cè)量系統(tǒng)，參見(jiàn)圖I和圖6，詳見(jiàn)下文描述ー種光子晶體光纖溫度傳感探頭，包括LMA_8全內(nèi)反射型光子晶體光纖，LMA-8全內(nèi)反射型光子晶體光纖的后端面鍍有銀膜8 ;采用的材料為純石英，包層直徑為125±5微米；包層空氣孔直徑為2. 7微米，空氣孔間距為5. 6微米；模場(chǎng)直徑為8. 5±0. 3微米；LMA-8全內(nèi)反射型光子晶體光纖的包層內(nèi)填充氯仿、甲苯和こ醇溫度敏感混合溶液，其中，氯仿、甲苯和こ醇的熱敏系數(shù)分別為-6. 328X 10—VK、_5. 273X 10_4/K和-3. 940X 10^4/K,比純石英高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)。 該LMA-8全內(nèi)反射型光子晶體光纖填充溫度敏感混合溶液后，一端與光纖環(huán)形器2的單模光纖熔接點(diǎn)7耦合，另一端采用鍍銀膜8増加其反射率。參見(jiàn)圖I為選用的丹麥NKT Photonic公司生產(chǎn)的LMA-8光纖橫截面。該種LMA-8全內(nèi)反射型光子晶體光纖由7層均勻三角排列的空氣孔構(gòu)成，其中第7層空氣孔不完整。所采用的材料為純石英，包層直徑為125±5微米；包層空氣孔直徑為2. 7微米，空氣孔間距為5. 6微米；模場(chǎng)直徑為8. 5±0. 3微米。填充入包層的液體為氯仿、甲苯和こ醇溫度敏感液體，其熱敏系數(shù)分別為-6. 328X 10—VK、-5. 273X 10_4/K和-3. 940X 10_4/K，比光子晶體光纖的背景材料純石英高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)。其中，本專利技術(shù)實(shí)施例采用毛細(xì)現(xiàn)象或真空抽壓的方法將氯仿、甲苯和こ醇溫度敏感混合溶液填充進(jìn)LMA-8全內(nèi)反射型光子晶體光纖。通過(guò)外界溫度影響液體的折射率，從而引起LMA-8全內(nèi)反射型光子晶體光纖包層等效折射率的變化，進(jìn)而影響LMA-8全內(nèi)反射型光子晶體光纖中傳導(dǎo)光信號(hào)的有效模場(chǎng)面積和限制損耗，最終通過(guò)測(cè)量輸出光信號(hào)的強(qiáng)度變化實(shí)現(xiàn)溫度傳感的目的。當(dāng)溫度升高時(shí)，包層等效折射率減小，纖芯-包層折射率差増大，LMA-8全內(nèi)反射型光子晶體光纖對(duì)光的束縛增強(qiáng)，限制損耗減小，輸出的光信號(hào)增強(qiáng)，從而可以實(shí)現(xiàn)基于強(qiáng)度調(diào)制的LMA-8全內(nèi)反射型光子晶體光纖溫度傳感器。溶液的種類和配比比例決定了該種光子晶體光纖溫度傳感探頭的工作范圍，可以根據(jù)實(shí)際需求選擇不同的本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種光子晶體光纖溫度傳感探頭，其特征在于，包括：LMA？8全內(nèi)反射型光子晶體光纖，所述LMA？8全內(nèi)反射型光子晶體光纖的后端面鍍有銀膜；所述LMA？8全內(nèi)反射型光子晶體光纖的包層內(nèi)填充氯仿、甲苯和乙醇溫度敏感混合溶液，其中，所述氯仿、甲苯和乙醇的熱敏系數(shù)分別為？6.328×10？4/K、？5.273×10？4/K和？3.940×10？4/K，比所述純石英高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：姚建銓，王然，陸穎，苗銀萍，趙曉蕾，溫午麒，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：天津大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：