一种空心光子晶体光纤液位传感器及其制作、使用方法与流程

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及光纤测量环境液面高度的测量技术领域。

背景技术：

液位测量涉及的范围非常广泛，包括在工业上的液位测量以及在环境监测方面的应用。目前的液位计有很多种，包括射频电容式液位计、投入式液位计、磁致伸缩液位计、超声波液位计等。前两者是利用液压改变电容或者电阻值，从而将液压转化成电信号输出处理，后两者则是通过测量发射电脉冲之间的时间差来计算液位。以上基于电处理的液位传感器一般都包含了电信号的转换、电信号的传输以及处理等过程，在实际应用时则可能会受到电磁干扰的影响。此外电子器件易老化，或被特殊的液体腐蚀，需要相应的封装工艺来保证器件的使用寿命。

随着工业技术的发展，被测液体的品种越来越多，尤其是可燃的碳氢化合物、液体化学燃料以及生物化学方面的有毒液体等。基于电信号的传感器件在易燃易爆环境中使用时需要加很大的防爆装置，应用受到了很大的限制。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种使用寿命长、安全性好、应用范围广泛的基于空心光子晶体光纤的液位传感器。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种空心光子晶体光纤液位传感器，其特征在于：包括空心光子晶体光纤，空心光子晶体光纤的空气包层内填充有无水酒精，空心光子晶体光纤两端和单模光纤熔接。

优选地，所述空心光子晶体光纤由从内到外依次设置的空气纤芯、空气包层和石英框架组成。

优选地，所述空心光子晶体光纤的空气包层的横截面包含中央空气孔以及设于中央空气孔周围一圈的外围空气孔。

更优选地，所述中央空气孔以及至少一个外围空气孔内填充有所述无水酒精。

本发明还提供了上述空心光子晶体光纤液位传感器的制作方法，其特征在于，步骤为：

步骤1：将空心光子晶体光纤的两个端面切平整，然后将空心光子晶体光纤一端用胶水封住；待胶水干后，使用飞秒激光从光纤端面对准空气包层的指定空气孔进行烧蚀，从而将封住该空气孔的胶去除；

步骤2：将处理过的这一段空心光子晶体光纤浸泡在无水酒精中，利用空心光纤的空气孔的毛细作用将酒精吸入指定的空气孔中；

步骤3：酒精填充完成以后，将空心光子晶体光纤被烧蚀过的一端切平，然后将空心光子晶体光纤的两端与单模光纤熔接。

优选地，所述步骤1中，将空心光子晶体光纤的两个端面切平整的具体方法为：选取一段空心光子晶体光纤，去除掉空心光子晶体光纤的涂覆保护层，并用酒精擦拭空心光子晶体光纤表面以除去涂覆层残留物；将空心光子晶体光纤的一端切平整，然后在离该端面设定距离处切出另外一个平整的端面。

优选地，所述步骤3中，空心光子晶体光纤与单模光纤熔接时要注意：由于单模光纤和空心光子晶体光纤的直径不同，手动对准时要保证两者的纤芯正对着，防止错位造成多模干涉。

优选地，所述步骤3中，空心光子晶体光纤与单模光纤熔接时，熔接参数设置为放电强度20单位，放电时间700ms，保证空心光子晶体光纤的空气孔不塌缩。

本发明还提供了上述空心光子晶体光纤液位传感器的使用方法，其特征在于：所述空心光子晶体光纤液位传感器两端的单模光纤中，一端连接光源，另一端通过环形器用光谱仪接收反射光，将填充过无水酒精的光纤段作为探头垂直放置在被测的液位位置；当探头浸没到液体中时，由光源和光谱仪搜集到的光谱会随着浸没深度的增加而产生光谱深度变浅的现象，由此监测液位的变化。

优选地，一端的单模光纤作为输入器件，连接光源；另一端的单模光纤端面镀金，构成反射面，反射回来的光通过环路器连接到光谱仪；中间的被无水酒精填充过的空心光子晶体光纤作为探头垂直放置在要测量的液面区域；光源入射到空心光子晶体光纤的光在遇到填充的酒精时会扩散到空气包层外侧的石英包层，并在由石英包层和填充过的空气包层共同形成的f-p腔中产生f-p振荡，从而在一系列的波长处产生损耗峰；当被无水酒精填充过的空心光子晶体光纤浸没在液体环境中时，空心光子晶体光纤表面的反射率会降低，减弱振荡的强度，从而改变光谱反射峰的深度。

根据实际应用的需要，可以采用不同长度的空心光子晶体光纤作为传感器探头，以满足不同的测量范围。

本发明提供的装置克服了现有技术的不足，利用被无水酒精填充过的空心光子晶体光纤作为探头，测量精度高，使用寿命长，不会受电磁干扰的影响，即使在在易燃易爆的环境中也能安全使用，应用范围广泛。

附图说明

图1为空心光子晶体光纤液位传感器主视图；

图2为空心光子晶体光纤液位传感器横截面示意图；

图3为空心光子晶体光纤液位传感器进行液位测量时使用示意图；

图4为空心光子晶体光纤液位传感器进行液位测量的结果示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1和图2所示，空心光子晶体光纤液位传感器包括空心光子晶体光纤1、普通单模光纤3和无水酒精2，空心光子晶体光纤1的空气包层在填充无水酒精2后两端和单模光纤3熔接构成传感器。

空心光子晶体光纤为长飞光纤光缆有限公司生产，空心光子晶体光纤横截面包含中央的正六边形空气孔以及周围一圈六个皇冠型的空气孔。空心光子晶体光纤外径为140μm，空气包层的直径为70μm，空气纤芯的直径为22μm，石英框架的厚度为370μm。

单模光纤为长飞光纤光缆有限公司提供的标准单模光纤，外包层直径125μm，纤芯直径8μm。下面结合附图对传感器的制作做进一步说明，并以水位测量为例介绍本发明在液位测量方面的应用。

空心光子晶体光纤液位传感器的制作步骤如下：

一、空心光子晶体光纤预处理。选取一端空心光子晶体光纤，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。使用住友fc-6s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，本实施例中选取4cm。

二、空心光子晶体光纤的填充。将上述处理过的光纤一端用502胶水封住。待胶水干后，使用飞秒激光从光纤端面对准空气包层的空气孔进行烧蚀，从而将封住该空气孔的胶去除。然后将处理过的这一段浸泡在无水酒精中，利用空心光纤的空气孔的毛细作用将酒精吸入指定的空气孔中。浸泡时间在1分钟以内，即可实现较好的填充效果。实际情况下，一般不要求做到将周围所有空气孔都填充，因为只要有一个外围空气孔以及中央空气孔被填充即可产生效果。

三、普通单模光纤的熔接。填充过的空心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。首先，在酒精填充完成以后，将光纤处理过的一端用切割刀切平。熔接使用藤仓fsm-60s光纤熔接机的手动操作功能来完成。由于单模光纤和空心光子晶体光纤的直径不同，手动对准时要保证两者的纤芯正对着，防止错位造成多模干涉。熔接参数设置为放电强度20单位，放电时间700ms，保证空心光子晶体光纤空气孔不塌缩。将填充过的空心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。

利用制成的空心光子晶体光纤液位传感器进行水位测量，具体方法如下：

如图2所示，将空心光子晶体光纤液位传感器两端的单模光纤分别接上光源(als-1550-20)和光谱仪(yokogawaaq6370b)，将传感器的探头部分——填充过的空心光纤a，垂直放置在要测的液面部分。当水面开始浸没空心光纤时，传感器的光谱会相应的产生变化，光谱的深度会随着空心光纤浸没的深度的增加而减小，当该段光纤完全浸没在水中时，光谱深度减小为0。整个过程光谱的深度响应表现得很线性，如图3所示，可见空心光子晶体光纤液位传感器具有较好的线性响应和较高的灵敏度，测量精度可以到毫米量级。

一端的单模光纤作为输入器件，连接光源；另一端的单模光纤端面镀金，构成反射面，反射回来的光通过环路器连接到光谱仪；中间的被无水酒精填充过的空心光子晶体光纤作为探头垂直放置在要测量的液面区域；光源入射到空心光子晶体光纤的光在遇到填充的酒精时会扩散到空气包层外侧的石英包层，并在由石英包层和填充过的空气包层共同形成的f-p腔中产生f-p振荡，从而在一系列的波长处产生损耗峰；当被无水酒精填充过的空心光子晶体光纤浸没在液体环境中时，空心光子晶体光纤表面的反射率会降低，减弱振荡的强度，从而改变光谱反射峰的深度。