专利名称：填充混合液的光子晶体光纤温度测量方法及传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤温度传感器，具体讲涉及填充混合液的光子晶体光纤温度测量方法及传感器。
背景技术：
传感器技术是当代科学技术发展的一个重要标志，已与通信技术、计算机技术构成了信息产业的三大支柱。其中的光纤传感技术是从七十年代后期迅速发展起来的，并与光纤通信技术一起成为光纤技术的两个重要领域。所谓光纤传感就是将被测量的变化转化为光纤中传输光参数(如光强、波长、相位以及偏振态)的变化，通过测量光纤的输出光来确定被测量的大小。与传统的传感器相比，光纤传感器本身不带电，具有抗电磁干扰、电绝缘、防爆性能好、耐腐蚀、导光性能好、本质安全、多参量测量(温度、应力、振动、位移、转动、电磁场、化学量和生物量等)、灵敏度高、质量轻、体积小、可嵌入(物体)等特点，容易组成光纤传感网络并可接入因特网和无线网。由于普通光纤存在偏振态漂移、模间干扰和交叉敏感等若干问题，使光纤传感器的应用受到了限制。光子晶体光纤(PCF)作为一种新型光纤，结构设计灵活、性能优越，且在其中的传输光和气体或者液体的作用长度能够大大增加，故而使得基于PCF的传感器有望克服上述缺点，同时此类传感器还能兼具多维结构、调谐范围宽、模场面积大、可实现多参数测量等一系列优良特性，正逐渐成为传感领域的又一个研究方向。但尚无成熟技术、产品报道。
发明内容
为克服现有技术的不足，提供一种高灵敏度、工作温度范围可调的光纤温度测量方法及传感器，为达到上述目的，本发明采用的技术方案是填充混合液的光子晶体光纤温度测量方法，包括下列步骤调制对温度敏感的混合液乙醇与氯仿按照0. 3 0.7的配比调配得到的混合液；或者乙醇与甲苯按照0.45 0.55以及0.6 0.4的配比调配得到的混合液；将上述对温度敏感的混合液填充至光子晶体光纤；光子晶体光纤的两端分别熔接一段单模光纤，将熔接完毕后的一段单模光纤连接到光源，另一段单模光纤连接功率计；将填充混合液后的PCF置于所需检测的、温度会发生变化的环境中进行测试。光子晶体光纤所采用的材料为纯石英，包层直径为125士5 μ m;包层空气孔直径为2. 576 μ m,空气孔间的间隔为5.6μπι;纤芯直径为8. 5 士 0. 3 μ m ；模场直径为 7. 0士 1. Ομ 。所述的混合液填充至光子晶体光纤采用下列两种方法中的一种(1)浸泡法，利用毛细浸润作用，使得混合液进入光纤内；( 抽真空法，将光纤一端浸泡于混合液中，另一端与针管密封后抽真空。
填充混合液的光子晶体光纤温度测量传感器，结构为光子晶体光纤中填充有对温度敏感的混合液乙醇与氯仿按照0. 3 0.7的配比调配得到的混合液；或者乙醇与甲苯按照0.45 0.55以及0.6 0.4的配比调配得到的混合液；光子晶体光纤的两端分别熔接一段单模光纤。光子晶体光纤的材料为纯石英，包层直径为125士5 μ m;包层空气孔直径为 2. 576 μ m，空气孔间的间隔为5. 6 μ m ；纤芯直径为8. 5 士0. 3 μ m ；模场直径为7. 0 士 1. 0 μ m。本发明可带来如下效果由于本发明采用将对温度敏感的混合液填充至PCF中，所以可根据实际需要，通过调整混合液的配比，调整传感器工作的温度范围，更加灵活、实用。由于本发明采用将对温度敏感的混合液填充至PCF中，所以可以通过调整混合液的配比，提高灵敏度。由于本发明采用了安捷伦81482A可调激光源，所以可以通过调整波长，提高灵敏度。
图1为填充混合液的光子晶体光纤温度传感器结构示意图。图2为LMA-8 PCF的横截面示意图。其中包层空气孔直径包层空气孔直径d = 2. 576 μ m，空气孔间的间隔A = 5. 6 μ m，包层空气孔的层数为6层。图3为混合液是乙醇氯仿=0. 3 0.7的配比调配而来，工作波长λ = 1550nm 时，LMA-8光纤基模的有效折射率及模场面积随温度的变化。图4为混合液是乙醇氯仿=0.3 0.7的配比调配而来，工作波长分别为λ = 1600nm和1550nm时，LMA-8光纤基模的限制损耗随温度的变化。图5为混合液由乙醇甲烷=0. 45 0. 55的配比调配而来，工作波长分别为λ =1600nm和1550nm时，LMA-8光纤基模的限制损耗随温度的变化。图6为混合液由乙醇甲烷=0.6 0.4的配比调配而来，工作波长分别为λ = ieOOnm时，LMA-8光纤基模的限制损耗随温度的变化。插图_35 _20°C范围内，限制损耗与温度的一阶线性拟合(实线限制损耗随温度的一阶线性拟合图，空心圈理论计算值)。
具体实施例方式本发明的目的在于提供一种高灵敏度、工作温度范围可调的PCF温度传感器，采用该装置及方法可在混合液配比为乙醇氯仿=0.3 0.7，在-15 0.4°C范围内，工作波长为ieOOnm时，传感器的灵敏度达到11.2301dB/m/°C ；在混合液配比为乙醇甲烷= 0.45 0. 55，在-5 15°C范围内，工作波长为1600nm时，传感器的灵敏度达到20. 5685dB/ m/°C;在混合液配比为乙醇甲烷=0.6 0.4，在_；35 -20°C范围内，工作波长为1600nm 时，传感器的灵敏度达到15. 7543dB/m/°C。本发明通过下列技术方案加以实现的，一种高灵敏度的、传感器工作温度范围可调谐的PCF温度传感器。其技术特征在于，该PCF传感器包括一个可调激光源(安捷伦 81482A)，一根两端与单模光纤熔接、其内部填充了混合液的LMA-8 PCF，一个功率计。采用上述填充混合液的PCF温度传感器实现高灵敏度、工作温度范围可调的方法，其特征在于包括以下过程由于PCF基底材料石英对温度变化不敏感，而所填充的混合液体在外部温度作用下其折射率会发生改变，所以导致PCF的有效折射率、模场分布以及限制损耗随温度而变化。可以通过测量经过此光纤后光功率的变化，推断外部温度的变化， 从而达到传感的目的。而且还可根据实际需要调整混合液的配比，从而调整传感器工作的温度范围。本发明所采用的具体技术方案为调配对温度敏感的混合液，将其填充至PCF包层的空气孔内，并将填充混合液后的PCF置于所需检测的、温度会发生变化的环境中；然后在PCF的两端分别熔接一段单模光纤，将熔接完毕后的光纤一端连接到光源，另一端连接功率计。所述的对温度敏感的混合液为(1)乙醇与氯仿按照0.3 0.7的配比调配得到的混合液，由于乙醇的熔点为-114. 1°C，沸点为78. ^TC,折射率导热系数dn/ dT = -4X 10-4K-1，氯仿的熔点为-63. 6 °C，沸点为61. 17 °C，折射率导热系数dn/dT =-6. 3^X10-4K-1，所以该混合液的熔点 沸点为-63.6°C 61. 17°C ； (2)乙醇与甲苯按照0.45 0.55以及0.6 0.4的配比调配得到的混合液，由于甲苯的熔点-94. 99°C， 沸点为110. 63°C，折射率导热系数dn/dT = -5. 273X 10-4K-1，所以该混合液的熔点 沸点为-94. 99 °C 78. 29 0C ο所述的PCF为丹麦NKT Wiotonic公司生产的LMA-8光纤，其所采用的材料为纯石英，包层直径为125士5 μ m;包层空气孔直径为2. 576 μ m，空气孔间的间隔为5.6μπι;纤芯直径为8. 5士0. 3μπι ；模场直径为7. 0士 1. Ομπι。所述的单模光纤为G652单模光纤，包层直径为125 μ m 士 2 μ m ；模场直径为 9. 3μ 士 10%。所述的混合液填充至PCF时采用了两种方法⑴浸泡法，利用毛细浸润作用，使得混合液进入光纤内；( 抽真空法，将光纤一端浸泡于混合液中，另一端与针管密封后抽真空。所述的单模光纤与填充混合液的PCF熔接时，采用了南京吉隆公司生产的KL-280 光纤熔接机，选择手动方式熔接，其中“熔接程序”的各个参数设置如下熔接电流: 0. ImAX60 ；预熔时间10msX6 ；熔接电流0. ImAX60 ；熔接时间0. lsX20 ；推进速度 ImsXlO ；熔接推进1μπιΧ20。需要注意由于是手动调整两根待熔接光纤，光纤对准的精确度、以及手动调整的两根待熔接光纤间的间隔等对其熔接效果影响很大。所述的光源为安捷伦81482Α可调激光源，其输出的波长范围是1510nm 1640nm， 最大输出功率为+7daii。所述的功率计为与该该光源配套的可以直接读取的数字式功率计。下面结合附图进一步说明本发明。本发明的具体实施方案体现在一种如图1所示的填充混合液的光子晶体光纤温度传感器结构示意图中，采用该装置可以实现在混合液配比为乙醇氯仿=0.3 0.7， 在-15 0. 4°C范围内，工作波长为1600nm时，传感器的灵敏度达到11. 2301dB/m/°C ；在混合液配比为乙醇甲烷=0.45 0. 55，在-5 15°C范围内，工作波长为1600nm时，传感器的灵敏度达到20. 5685dB/m/°C ；在混合液配比为乙醇甲烷=0. 6 0. 4，在-35 _20°C 范围内，工作波长为1600nm时，传感器的灵敏度达到15. 7543dB/m/°C。
本发明的具体技术方案如下光源采用了安捷伦81482A可调激光源，其输出的波长范围是1510nm 1640nm，最大输出功率为+7dBm，然后将其与一根两端跟单模光纤熔接、 内部填充了混合液的LMA-8 PCF连接，光纤另一端连接功率计，其中LMA-8 PCF的截面图如图2所示，其所采用的材料为纯石英，包层直径为125 士 5 μ m ；包层空气孔直径为2. 576 μ m, 空气孔间的间隔为5. 6μπι ；纤芯直径为8. 5 士 0. 3μπι。将填充混合液的LMA-8 PCF置于所需检测的、温度发生变化的环境中，可以通过功率计所测得的功率变化求出环境温度的变化。由于PCF基底材料石英对温度变化不敏感，而所填充的混合液体在外部温度作用下其折射率会发生改变，所以导致PCF的有效折射率、模场分布以及限制损耗随温度而变化，如图3和图4所示。而且可以通过改变混合液体的配比，改变传感器的工作温度范围， 如图5和图6所示。本发明的优点在于，能够实现高灵敏度、传感器工作温度范围可调谐的PCF温度传感器，可广泛应用于极低温度、恶劣环境等的检测中。
权利要求
1.一种填充混合液的光子晶体光纤温度测量方法，其特征是，包括下列步骤调制对温度敏感的混合液乙醇与氯仿按照0. 3 0. 7的配比调配得到的混合液；或者乙醇与甲苯按照0.45 0.55以及0.6 0.4的配比调配得到的混合液；将上述对温度敏感的混合液填充至光子晶体光纤；光子晶体光纤的两端分别熔接一段单模光纤，将熔接完毕后的一段单模光纤连接到光源，另一段单模光纤连接功率计；将填充混合液后的PCF置于所需检测的、温度会发生变化的环境中进行测试。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是，光子晶体光纤所采用的材料为纯石英，包层直径为125士5 μ m;包层空气孔直径为2. 576 μ m，空气孔间的间隔为5.6μπι;纤芯直径为 8. 5士0. 3μπι ；模场直径为 7. 0士 1. Ομπι。
3.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述的混合液填充至光子晶体光纤采用下列两种方法中的一种(1)浸泡法，利用毛细浸润作用，使得混合液进入光纤内；(2)抽真空法，将光纤一端浸泡于混合液中，另一端与针管密封后抽真空。
4.一种填充混合液的光子晶体光纤温度测量传感器，其特征是，结构为光子晶体光纤中填充有对温度敏感的混合液乙醇与氯仿按照0.3 0.7的配比调配得到的混合液； 或者乙醇与甲苯按照0.45 0.55以及0.6 0.4的配比调配得到的混合液；光子晶体光纤的两端分别熔接一段单模光纤。
5.如权利要求4所述的传感器，其特征是，光子晶体光纤的材料为纯石英，包层直径为125士5 μ m;包层空气孔直径为2. 576 μ m，空气孔间的间隔为5.6μπι;纤芯直径为 8. 5士0. 3μπι ；模场直径为 7. 0士 1. Ομπι。
全文摘要
本发明涉及光纤温度传感器。为提供一种高灵敏度、工作温度范围可调的光纤温度测量方法及传感器，本发明采用的技术方案是填充混合液的光子晶体光纤温度测量方法，包括下列步骤调制对温度敏感的混合液∶乙醇与氯仿按照0.3∶0.7的配比调配得到的混合液；或者乙醇与甲苯按照0.45∶0.55以及0.6∶0.4的配比调配得到的混合液；将上述对温度敏感的混合液填充至光子晶体光纤；光子晶体光纤的两端分别熔接一段单模光纤，将熔接完毕后的一段单模光纤连接到光源，另一段单模光纤连接功率计；将填充混合液后的PCF置于所需检测的、温度会发生变化的环境中进行测试。本发明主要应用于环境温度检测。
文档编号G01K11/32GK102288326SQ201110190078
公开日2011年12月21日 申请日期2011年7月7日 优先权日2011年7月7日
发明者伏祥勇, 周睿, 姚建铨, 汪静丽, 王若琪, 陆颖 申请人:天津大学