一种温度自补偿的光纤珐珀气体折射率传感器及其制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种温度自补偿的光纤珐珀气体折射率传感器及其制作方法，该传感器包括单模光纤、石英连接管和石英毛细管，光纤一端插入石英连接管一端，石英毛细管的一端插入石英连接管另一端，光纤和石英毛细管之间形成法珀腔气室；光纤与石英连接管一端通过熔接点熔接，石英连接管另一端通过熔接点与石英毛细管熔接；所述石英毛细管的内径小于光纤的纤芯直径。本发明通过温度补偿，降低了光纤珐珀气体折射率传感器的温度漂移，使传感器可以应用于高温环境下的折射率测试；信号耦合情况好，灵敏度高；所得光纤珐珀气体折射率传感器采用全石英结构，具有良好的耐高温性能，适于高温环境下应用。
【专利说明】
一种温度自补偿的光纤珐珀气体折射率传感器及其制作方法
技术领域
[0001]本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种温度自补偿的光纤珐珀气体折射率传感器及其制作方法。
【背景技术】
[0002]折射率是描述气体的一项重要参数，可以反映气体的浓度、色散等特性。精密测量气体的折射率在光学仪器、激光技术和高能物理等方面都有重要的意义。基于传统光学干涉仪的气体折射率测量存在测量仪器体积庞大、精度低、不易操作等问题。
[0003]光纤传感器具有体积小、结构紧凑、抗电磁干扰、精度高等优点，在气体折射率测量方面被广泛开发利用。目前，光纤珐珀气体折射率传感器的研究较多，该类型的传感器灵敏度基本相同，但由于结构、材料等原因，传感器的温度漂移相对于响应灵敏度比较大，限制了该种类型传感器在高温环境下的应用。
【发明内容】
[0004]为解决上述问题，本发明提供了一种温度自补偿的光纤珐珀气体折射率传感器及其制作方法，通过温度补偿，传感器的温度漂移极低，理论上可以达到零或负温度漂移；而且传感器耐高温性能好、加工方法简单、成本低，适于高温环境下应用。
[0005]为实现上述目的，本发明采取的技术方案为:
[0006]—种温度自补偿的光纤珐珀气体折射率传感器，包括光纤、石英连接管和石英毛细管，光纤一端插入石英连接管一端，石英毛细管的一端插入石英连接管另一端，光纤和石英毛细管之间形成法珀腔气室;光纤与石英连接管一端通过熔接点熔接，石英连接管另一端通过熔接点与石英毛细管熔接;所述石英毛细管的内径小于光纤的纤芯直径;所述石英毛细管外端面通过氢氟酸溶液、激光刻蚀等方法进行粗糙化处理;光纤内端面距离熔接点的长度大于珐珀腔的长度，为实现温度补偿效果，所述光纤内端面及石英毛细管内端面距离熔接点的长度和与气室长度的比值根据光纤和石英毛细管材料的热膨胀系数变化而变化。
[0007]其中，所述光纤为单模光纤、多模光纤或其他种类的光纤。
[0008]其中，所述石英毛细管可替换为双孔光纤、边孔光纤、光子晶体光纤等。
[0009]上述的一种温度自补偿的光纤珐珀气体折射率传感器的制造方法，包括如下步骤:
[0010]S1、将光纤和石英连接管两端切平，然后利用光纤熔接机的手动模式将光纤插入石英连接管中；
[0011]S2、在石英连接管端部放电，使光纤与石英连接管熔接固定，利用光纤熔接机的步进电机记录光纤端面至熔接点之间的距离；
[0012]S3、利用光纤切割刀在距离光纤端面适当长度处将石英连接管切断；
[0013]S4、将端面切平的石英毛细管相对地插入石英连接管中，控制并记录石英毛细管内端面与光纤内端面的距离即法珀腔气室的长度，并将石英毛细管和石英连接管熔接在一起，使光纤内端面及石英毛细管内端面距离熔接点的长度和大于珐珀腔的长度；
[0014]S5、保留适当长度的石英毛细管，利用光纤切割刀将石英毛细管切断；
[0015]S6、将石英毛细管外端面进行粗糙化处理。
[0016]本发明具有以下有益效果:
[0017]通过温度补偿，降低了光纤珐珀气体折射率传感器的温度漂移，使传感器可以应用于高温环境下的折射率测试;信号耦合情况好，灵敏度高;所得光纤珐珀气体折射率传感器采用全石英结构，具有良好的耐高温性能，适于高温环境下应用。
【附图说明】
[0018]图1为本发明实施例一种温度自补偿的光纤珐珀气体折射率传感器的结构示意图。
【具体实施方式】
[0019]为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0020]如图1所示，本发明实施例提供了一种温度自补偿的光纤珐珀气体折射率传感器，包括光纤1、石英连接管3和石英毛细管5，光纤I 一端插入石英连接管3—端，石英毛细管5的一端插入石英连接管3另一端，光纤I和石英毛细管5之间形成法珀腔气室4;光纤I与石英连接管3—端通过熔接点2熔接，石英连接管3另一端通过熔接点2与石英毛细管5熔接;所述石英毛细管5的内径小于光纤I的纤芯直径;所述石英毛细管5外端面通过氢氟酸溶液腐蚀、激光刻蚀等方法进行粗糙化处理;为实现温度补偿效果，光纤I内端面及石英毛细管5内端面距离熔接点2的长度和大于珐珀腔气室4的长度，比值根据光纤材料及石英毛细管的热膨胀系数变化而变化。
[0021]所述光纤I为单模光纤、多模光纤或其他种类的光纤。所述石英毛细管5可替换为双孔光纤、边孔光纤以及光子晶体光纤等。
[0022]本发明实施例还提供了一种温度自补偿的光纤珐珀气体折射率传感器的制造方法，包括如下步骤:
[0023]S1、将光纤I和石英连接管3两端切平，然后利用光纤熔接机的手动模式将光纤I插入石英连接管3中；
[0024]S2、在石英连接管3端部放电，使光纤I与石英连接管3熔接固定，利用光纤熔接机的步进电机记录光纤I端面至熔接点2之间的距离；
[0025]S3、利用光纤切割刀在距离光纤I端面适当长度处将石英连接管3切断；
[0026]S4、将端面切平的石英毛细管5相对地插入石英连接管3中，控制并记录石英毛细管内5端面与光纤I内端面的距离即法珀腔气室4的长度，并将石英毛细管5和石英连接管3熔接在一起，使光纤I内端面及石英毛细管内端面距离熔接点2的长度和大于珐珀腔4的长度，具体比值根据光纤和石英毛细管的热膨胀系数不同而变化；
[0027]S5、保留适当长度的石英毛细管5，利用光纤切割刀将石英毛细管5切断；
[0028]S6、将石英毛细管5外端面进行粗糙化处理。
[0029]其中，步骤S6中石英毛细管外端面的粗糙化方法可以使用飞秒激光等其他方法，所示石英连接管与光纤和石英毛细管的熔接可以采用激光等其他高温热源。
[0030]本具体实施的原理为:光在光纤中传播时，在光纤I内端面以及毛细石英管5内表面反射，两部分反射光形成干涉信号。当外界气体的折射率因为浓度、温度等原因发生变化时，气室内的气体折射率也发生相应变化，从而引起干涉光谱变化。通过解调干涉光谱，可以得知外界气体折射率的变化。由于石英的热膨胀系数为5.5X10—6/°C，而光纤由于在纤芯掺杂锗等元素热膨胀系数略大于石英热膨胀系数，当光纤长度与气室长度为一特定比值时，光纤内向的热膨胀与石英连接管外向的热膨胀相互抵消，从而实现整个珐珀腔气室的热膨胀为零，达到传感器温度补偿的目的。
[0031]实施例1
[0032]—种温度自补偿的光纤法珀折射率传感器的制作步骤包括:I)将外径为125um的康宁单模光纤和内径126um、外径200um的石英连接管3端部切平，然后利用型号FITEL S183Vers1n〗光纤熔接机的手动模式将单模光纤I插入石英连接管3中，插入长度为1100个步长。2)调整光纤熔接机放电参数为放电强度100，放电时间80ms，在石英连接管3端部放电I次，使单模光纤I与石英连接管3熔接固定，利用光纤熔接机的步进电机记录单模光纤I内端面至熔接点2之间的距离，长度约为1000个步长。3)利用光纤切割刀在距离单模光纤I端面约200um处将石英连接管3切断;4)将端面切平的外径125um、内径5um的石英毛细管5相对地插入石英连接管3中，控制并记录石英毛细管5内端面与单模光纤I内端面的距离即珐珀腔4腔长为100个步长，并调整光纤熔接机放电参数为强度70，时间50ms，放电I次，将石英毛细管5和石英连接管3熔接在一起。5)保留石英毛细管5的长度约为200um，利用光纤切割刀将石英毛细管5切断。6)将石英毛细管5外端面伸入氢氟酸溶液中腐蚀8min，使外端面变粗糙。此时传感器的温度系数约为4.42X10—5nm/°C，传感器可应用于高温下折射率的测量。
[0033]实施例2
[0034]—种温度自补偿的光纤法珀折射率传感器的制作步骤包括:I)将外径为125um的康宁单模光纤I和内径126um、外径200um的石英连接管3端部切平，然后利用型号FITELS183 Vers1n2光纤熔接机的手动模式将单模光纤I插入石英连接管3中，插入长度为1500个步长。2)调整光纤熔接机放电参数为放电强度100，放电时间80ms，在石英连接管3端部放电I次，使单模光纤I与石英连接管3熔接固定，利用光纤熔接机的步进电机记录单模光纤I内端面至熔接点2之间的距离，长度约为1400个步长。3)利用光纤切割刀在距离单模光纤I端面约10um处将石英连接管3切断;4)将端面切平的外径125um、内径3um的石英毛细管5相对地插入石英连接管3中，控制并记录石英毛细管5内端面与单模光纤I内端面的距离即珐珀腔4腔长为300个步长，并调整光纤熔接机放电参数为强度70，时间45ms，放电I次，将石英毛细管5和石英连接管3熔接在一起。5)保留石英毛细管5的长度约为150um，利用光纤切割刀将石英毛细管5切断。6)将石英毛细管5外端面伸入氢氟酸溶液中腐蚀8min，使外端面变粗糙。此时由于过度补偿，传感器的温度系数为负值，约为-1.36X10—4pm/°C。
[0035]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种温度自补偿的光纤珐珀气体折射率传感器，其特征在于，包括光纤(I)、石英连接管(3)和石英毛细管(5)，光纤(I)一端插入石英连接管(3) —端，石英毛细管(5)的一端插入石英连接管(3)另一端，光纤(I)和石英毛细管(5)之间形成法珀腔气室(4);光纤(I)与石英连接管(3) —端通过熔接点(2)熔接，石英连接管(3)另一端通过熔接点(2)与石英毛细管(5)熔接;所述石英毛细管(5)的内径小于光纤(I)的纤芯直径;所述石英毛细管(5)外端面进行粗糙化处理。2.如权利要求1所述的一种温度自补偿的光纤珐珀气体折射率传感器，其特征在于，所述光纤(I)为单模光纤、多模光纤或其他种类的光纤。3.如权利要求1所述的一种温度自补偿的光纤珐珀气体折射率传感器，其特征在于，所述石英毛细管(5)可替换为双孔光纤、边孔光纤、光子晶体光纤等其他种类光纤。4.如权利要求3所述的一种温度自补偿的光纤珐珀气体折射率传感器，其特征在于，光纤(I)内端面及石英毛细管(5)内端面距离熔接点(2)的长度和大于珐珀腔(4)的长度，具体比值根据光纤(I)和石英毛细管(5)的热膨胀系数不同而变化。5.如权利要求1所述的一种温度自补偿的光纤珐珀气体折射率传感器，其特征在于，石英毛细管(5)外端面通过氢氟酸溶液腐蚀、激光刻蚀进行粗糙化处理。6.如权利要求1所述的一种温度自补偿的光纤珐珀气体折射率传感器的制造方法，其特征在于，包括如下步骤: S1、将光纤(I)和石英连接管(3)两端切平，然后利用光纤熔接机的手动模式将光纤(I)插入石英连接管(3)中； S2、在石英连接管(3)端部放电，使光纤(I)与石英连接管(3)熔接固定，利用光纤熔接机的步进电机记录光纤(I)端面至熔接点(2)之间的距离； S3、利用光纤切割刀在距离光纤(I)端面适当长度处将石英连接管(3)切断； S4、将端面切平的石英毛细管(5)相对地插入石英连接管(3)中，控制并记录石英毛细管内(5)端面与光纤(I)内端面的距离(即法珀腔气室(4)的长度)，并将石英毛细管(5)和石英连接管(3)熔接在一起，使光纤(I)内端面及石英毛细管(5)内端面距离熔接点(2)的长度和大于珐珀腔(4)的长度； S5、保留适当长度的石英毛细管(5)，利用光纤切割刀将石英毛细管(5)切断； S6、将石英毛细管(5)外端面进行粗糙化处理。
【文档编号】G01N21/45GK105842198SQ201610398747
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年6月8日
【发明人】贾平岗, 熊继军, 房国成, 梁庭, 洪应平, 陈晓勇, 谭秋林, 刘文怡
【申请人】中北大学