用于对温度和应变同时测量的双芯光子晶体光纤传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及光纤传感器，尤其涉及一种用于对温度和应变同时测量的双芯光 子晶体光纤传感器。
【背景技术】
[0002] 光纤温度传感器和应变传感器涉及的范围非常广泛，包括在建筑物健康状况监 测、工业环境监测方面具有较多的应用。目前的温度和应变传感器有很多种，包括光纤布拉 格光栅、光纤长周期光栅等。这两者都是利用温度或者应变对光纤材料的影响，从而造成光 栅谐振峰的漂移，来对物理量的变化进行测量的。以上探测方式，由于器件光谱一般为单 峰，因此当温度和应变同时对器件施加影响时，则会产生交叉传感，此时无法由光谱的漂移 量判定每个物理量的变化。此外在单独测量一个物理量时，另外一个物理量的微扰也会给 测量造成误差，影响传感器的测量精度。对于这种情况，一般需要采取措施进行误差补偿处 理，增加了系统的复杂度和成本。
[0003] 随着各行业对传感探测需求的增加，以及传感应用环境的不断变化，业界对传感 器的性能要求逐渐提高。传感器的测量精度、分辨率、灵敏度等成为重要的技术指标。传统 的基于单一石英材料的光纤器件，受限于其材料低的温光特性及弹光特性，在传感灵敏度 上很难取得较理想的指标。 【实用新型内容】
[0004] 本实用新型要解决的技术问题在于针对现有技术中当温度和应变同时对器件施 加影响时，则会发生交叉传感，容易产生多参数交叉敏感的缺陷，提供一种可解决多参数交 叉敏感问题的用于对温度和应变同时测量的双芯光子晶体光纤传感器。
[0005] 本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006] 提供一种用于对温度和应变同时测量的双芯光子晶体光纤传感器，包括探头以及 连接在该探头两侧的单模光纤，该探头为纤芯呈对称分布的双芯光子晶体光纤，其中一根 纤芯周围的空气孔填充折射率匹配液。
[0007] 本实用新型所述的用于对温度和应变同时测量的双芯光子晶体光纤传感器中，该 双芯光子晶体光纤的横截面为周期性分布的空气孔阵列，该双芯光子晶体光纤正中央的两 侧的对称的两个空气孔被移除，形成两个石英纤芯。
[0008] 本实用新型所述的用于对温度和应变同时测量的双芯光子晶体光纤传感器中，该 双芯光子晶体光纤的空气孔阵列中，空气孔直径为3M1，空气孔间距为4μπι。
[0009] 本实用新型产生的有益效果是:本实用新型将双芯光子晶体光纤作为传感器的探 头，且将其中一个纤芯的内部填充折射率匹配液，从而可以实现一个探头集成检测光谱中 的两套机制，可以对多个物理量作出不同响应，通过相应的解调方法，则可以计算单个参数 的变化量。该传感器在复杂的物理环境下，可以取得良好的应用性能，可解决实际生产环境 中所遇到的多参数交叉敏感的问题。
【附图说明】
[0010] 下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：
[0011] 图1是本实用新型实施例双芯光子晶体光纤传感器中双芯光子晶体光纤的横截面 示意图；
[0012] 图2是本实用新型实施例双芯光子晶体光纤传感器的结构示意图。
[0013] 图3是本实用新型实施例的传感器的光谱图；
[0014]图4a是本实用新型实施例的温度传感响应图；
[0015] 图4b是本实用新型实施例的应变的传感响应图。
【具体实施方式】
[0016] 为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施 例，对本实用新型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用以解释本 实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0017]图1为传感器所用的双芯光子晶体光纤的横截面示意图，图2为整个传感器的结构 示意图。本实用新型实施例用于对温度和应变同时测量的双芯光子晶体光纤传感器，包括 探头10以及连接在该探头10两侧的单模光纤20,该探头10为纤芯呈对称分布的双芯光子晶 体光纤，其中一根纤芯周围空气孔11内部填充折射率匹配液。另一根纤芯周围空气孔12内 则不填充。
[0018] 本实用新型的一个实施例中，所采用的双芯光子晶体光纤横截面为周期性分布的 空气孔阵列，空气孔直径为3M1，空气孔间距为4μπι。光纤正中央的两侧的对称的两个空气孔 被移除，形成两个石英纤芯。所用单模光纤为标准单模光纤，外包层直径125μπι，纤芯直径8μ m〇
[0019] 本实用新型实施例用于对温度和应变同时测量的双芯光子晶体光纤传感器的制 作过程为：
[0020] 一、双芯光子晶体光纤预处理。选取一段双芯光子晶体光纤，使用刀片去除掉光纤 的涂覆保护层，并用酒精擦拭光纤表面以除去涂覆层残留物。使用光纤切割刀将光纤的一 端切平整，然后在离该端面一段距离处切出另外一个平整的端面，具体的距离根据实际需 要而定。
[0021] 二、双芯光子晶体光纤的选择性填充。将上述处理过的光纤一端放置在显微镜下 观察，使用另外一根单模光纤蘸取少量胶体，在双芯光纤的端面，将纤芯之一的一侧的空气 孔封住。等到胶体固化之后，将该纤芯的另一头浸没在折射率匹配液中，由于受到毛细作 用，折射率匹配液会被吸到光纤的空气孔中，从而实现光纤的填充，浸泡时间在2分钟以内 即可实现较好的填充效果。
[0022] 三、和普通单模光纤的熔接。填充过的双芯光子晶体光纤最后需要和单模光纤熔 接起来完成整个器件的制作。熔接使用光纤熔接机的手动操作功能来完成。由于单模光纤 和双芯光子晶体光纤熔接时要避免填充液体的大量蒸发，以及空气孔的塌陷等，需要采用 优化了的熔接参数。熔接参数设置为放电强度20单位，放电时间700ms，保证双芯光子晶体 光纤空气孔不塌缩。将填充过的双芯光子晶体光纤两端都按上述要求熔接上单模光纤即完 成传感器的制作，如图2所示。
[0023] 本实用新型的传感器可用于测量温度和应变量。将传感器两端的单模光纤分别接 上光源(ALS-1550-20)和光谱仪(Yokogawa AQ6370B)就会得到图3的光谱。将光纤传感器用 于温度测量时，只需将填充的双芯光子晶体光纤（即探头)整个置于变化温度的环境内部， 通过监测器件的光谱的漂移即可。同样，在测量应变量的变化时，则将填充光纤（即探头）的 两端固定在施加应变的受力点，并对这一段光纤施加应力，通过观察光谱的漂移得到应变 量大小。
[0024] 由于光谱中包含两组干涉条纹，且这两组条纹分别对应不同的温度和应变响应特 性。图4a和图4b是光谱中大小周期的干涉条纹在实验中取得的温度和应变灵敏度。光谱中 的大包络干涉条纹的温度灵敏度为5.42nm/°C，应变灵敏度为-1.49ρπι/μ ε。相比之下，小周 期的温度灵敏度为〇. 283nm/°C，应变灵敏度为-1.55ρπι/με。由于其温度和应变传感响应都 为线性的，因此，当将这两组条纹的传感响应特性分别测得以后，即可以采用矩阵解调法， 对温度和应变量进行同时的测量。也就是说，在温度和应变同时影响传感器时，可以通过测 量光谱中两组干涉条纹的波长漂移量，带入到以下公式，就可以同时得到温度和应力的变 化量。
[0025]
[0026] 应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换， 而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。
【主权项】
1. 一种用于对温度和应变同时测量的双芯光子晶体光纤传感器，其特征在于，包括探 头以及连接在该探头两侧的单模光纤，该探头为纤芯呈对称分布的双芯光子晶体光纤，其 中一根纤芯周围的空气孔填充折射率匹配液。2. 根据权利要求1所述的用于对温度和应变同时测量的双芯光子晶体光纤传感器，其 特征在于，该双芯光子晶体光纤的横截面为周期性分布的空气孔阵列，该双芯光子晶体光 纤正中央的两侧的对称的两个空气孔被移除，形成两个石英纤芯。3. 根据权利要求1所述的用于对温度和应变同时测量的双芯光子晶体光纤传感器，其 特征在于，该双芯光子晶体光纤的空气孔阵列中，空气孔直径为3 mm，空气孔间距为4 mm。
【专利摘要】本实用新型公开了一种用于对温度和应变同时测量的双芯光子晶体光纤传感器，包括探头以及连接在该探头两侧的单模光纤，该探头为纤芯呈对称分布的双芯光子晶体光纤，其中一根纤芯周围的空气孔填充折射率匹配液。本实用新型的传感器集成了检测光谱中的两套机制，可以对多个物理量作出不同响应，通过相应的解调方法，则可以计算单个参数的变化量。
【IPC分类】G01B11/16, G01K11/32
【公开号】CN205262638
【申请号】CN201521019120
【发明人】刘书辉, 陆培祥, 王哲, 田婕
【申请人】武汉工程大学
【公开日】2016年5月25日
【申请日】2015年12月10日