一种光纤光栅腐蚀与液体折射率测试装置及测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光纤传感技术领域，具体设及一种光纤布拉格光栅腐蚀与液体折射 率测试装置。该装置具备自动温度调节与补偿功能，可用于制作微纳光纤光栅折射率传感 器，并实现对液体折射率和热光系数的准确测量。
【背景技术】
[0002] 伴随光纤技术的发展，基于光纤光栅的新型光电子器件被广泛应用于光通信与传 感领域，不仅拓展了现代通信器件的功能，而且在传感领域的应用得到了前所未有的发展。 基于光纤光栅的传感器由于自身的小型化、多功能化W及易于网络化的特点，在传感检测 的各领域发挥了巨大的作用，而且还具有潜在的发展空间。
[0003] 特别是微纳光纤技术与光纤光栅传感技术的有效结合，使光纤光栅应用与液体折 射率的传感检测成为可能。普通的光纤光栅对环境折射率变化并不敏感，但当其外径尺寸 减小到几微米甚至纳米尺度时，就成为所谓的微纳光纤光栅，它不仅结合了普通光纤光栅 的波长选择特性，还具备光传输时的强倏逝场特性，其反射谱的中屯、波长与功率对外境环 境折射率的变化非常敏感，由于具有体积小、感测量准确、可靠性高等原因，在生化领域被 用于物质特性参数如浓度、糖度、折射率、含粒度等量的传感测量，具有其它电学传感器无 法比拟的优势。
[0004] 目前，微纳光纤光栅的制作途径有两种；一种是先制作微纳米直径的光纤，然后采 用紫外光相位掩膜法或飞秒激光写入法制作成微纳光栅；另一种就先制作常规尺寸的光纤 光栅，然后利用氨氣酸腐蚀光纤光栅至微米直径尺寸。相比之下，前者虽能保持微纳光纤光 栅的强机械柔初性，但需要复杂、昂贵的微纳光纤拉制系统。而后者虽然制作的微纳光纤光 栅机械初性没有前者高，但所需腐蚀装置制作简单，能够有效降低成本。因此，在非特殊需 求情况下，腐蚀方法在实验室研究中得到广泛应用，同时提出了多种制作微纳光纤光栅的 腐蚀装置与方法，并将微纳光纤光栅用于液体折射率的传感检测，只不过由于加工和测量 过程持续时间不是太长而忽略了温度对腐蚀程度和液体折射率测量的影响问题。事实上， 无论是腐蚀过程还是测量过程，温度的变化会影响测量的准确度的，不同环境温度条件下， 同种腐蚀液的腐蚀速率相差是比较大的，比如温度对20%浓度HF的腐蚀速度的影响达到了 0. 02ym/min，而对液体折射率测量的影响可达到l(T3-l(r4RIU(折射率单位）/°C。
【发明内容】
[0005] 为了克服上述现有技术的不足，在腐蚀和测量过程中保持环境温度的恒定、有效 的控制腐蚀程度、解决光栅制作过程和液体折射率测量过程中光栅易断问题、实现温度的 调节与自动控制，我们设计了此种光纤光栅腐蚀与液体折射率测量装置，将光纤光栅腐蚀 装置和液体折射率测量装置集成为一体，具有结构简单、易操作、测量准确和信噪比高的特 点。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种光纤光栅腐蚀与液体折射率 测试装置，包括有支撑架和支撑架上的横杆；横杆上夹持有双层管壁的工作容器；工作容 器的一侧上端、下端的管内壁和管外壁上均设有通孔a和通孔b，通孔a和通孔b内设置柱 状管a和柱状管b;工作容器的另一侧管外壁的上端、下端设有通孔C和通孔山通孔C和通 孔d内分别设有柱状管C和柱状管d;工作容器的管内壁与管外壁之间的空腔内设有温度 传感器，温度传感器与可调恒温水域控制器相连；柱状管C通过保温橡胶管a与可调恒温水 域控制器相连，柱状管d通过保温橡胶管b与可调恒温水域控制器相连；工作容器的上管口 与下管口分别接橡胶塞a和橡胶塞b;光纤光栅波长检测器与穿过工作容器内管的光纤光 栅的一端相连。
[0007] -种光纤光栅腐蚀与液体折射率测试装置的制造方法，包括W下步骤： 步骤1，制作工作容器，工作容器是本发明的核屯、部分，具体做法是： 首先，将管壁厚度均为3mm，内经分别为20mm和60mm的有机玻璃管裁取两段长度为 100mm的内管与外管，将内管置于外管中屯、，用厚度为3mm的有机玻璃封堵内管口与外管 口，用环氧胶密封接口处，并将内管的管口处理光滑； 其次，在制作好的双层管一侧设有穿透内外管壁的通孔a和通孔b，另一侧设有只穿透 外管壁的通孔C和通孔d，在封堵双层管两端的有机玻璃片上开设直径孔； 将柱状管a和柱状管b分别插入内外管壁均开的通孔a和通孔b内；将柱状管C和柱 状管d分别插入只在外管壁开的通孔C和通孔d内，并用环氧胶密封柱状管a、柱状管b、柱 状管C、柱状管d与内外管壁的所有接缝； 最后，用聚醋型热烙胶封堵柱状管a、柱状管b的柱状接口，完成工作容器的制作。
[0008] -种光纤光栅的腐蚀和液体折射率的测量方法，包括W下步骤： 第一步，将清洗干净的光纤光栅的尾纤穿过工作容器的内管，让光纤光栅的栅区基本 处于内管的中央，将光纤光栅两端尾纤分别用两个由聚醋型材料制作的橡胶塞a和橡胶塞 b夹住，先封堵工作容器内管一端，再封堵工作容器内管另一端，在封堵的同时向外拉动光 纤使管内的光纤光栅保持平直，将尾纤与光纤光栅波长检测器连接； 第二步，将工作容器竖直固于支撑架上，光纤光栅尾纤的一端与光纤光栅波长检测器 连接，温度探测器与可调恒温水域控制器的温度探测端连接，工作容器的上下端接口分别 与可调恒温水域控制器的输出输入端连接，构成水循环，调控内管的温度； 第=步，用注射器取四氯化碳溶液注入工作容器内管，让液面达到光纤光栅准备腐蚀 区域的下限位置；再另取氨氣酸注入工作容器内管，让氨氣酸的液面达到光纤光栅准备腐 蚀区域的上限位置，即通过注入腐蚀液的多少控制腐蚀区域的长度；最后通过工作容器的 上端接口给内管注入少量液态石蜡，阻止腐蚀液在液体表面张力作用下向上运动； 第四步，开启光纤光栅波长检测器，监测光纤光栅的反射波长的变化，通过已有的腐蚀 程度或腐蚀时间与波长漂移量的关系，确定腐蚀停止时刻，一旦达到要求，即刻用注射器抽 空工作容器内层管内部的全部液体，进行酸碱中和清洗即可成为所需的微纳光纤光栅； 第五步，用注射器吸取待测液体并由工作容器端口充入其内管，调节可调恒温水域控 制器的温度至所需温度，设定恒温保持功能，观察光纤光栅波长检测器，待波长漂移稳定 后，记录光纤光栅波长漂移量，根据已有波长漂移量与环境折射率的定标关系可推算出液 体折射率。
[0009] 本发明的有益效果是； 本发明具备不同温度液体折射率测试功能，可应用于液体热光系数的测量。若将工作 容器的与内管内部空间相通的接口与外界待测液体相通，让待测液体从一接口进另一接口 出，构成循环，便可实现待测液体的实时在线测量。
[0010] 本发明的装置兼备光纤光栅腐蚀和液体折射率测量功能，具有温度调节、恒温控 制和光纤光栅保护功能。
[0011] 腐蚀过程中，通过先注入四氯化碳，再注入腐蚀液，最后注入液态石蜡，并根据注 入的四氯化碳和腐蚀液的多少实现光纤光栅腐蚀位置和腐蚀长度的确定。
[0012] 本发明通过在工作容器内注S种不同液体，控制注入腐蚀液的量，实现了光纤光 栅的腐蚀长度与腐蚀位置的控制，具备局部定位腐蚀功能，同时兼备不同温度液体折射率 测量功能，将光纤光栅腐蚀装置与液体折射率