一种用于质子交换的液位探测夹具的制作方法

本发明涉及光电传感器技术领域，具体地涉及到一种用于质子交换的液位探测夹具，主要用于铌酸锂波导芯片制作的质子交换过程及对质子交换液的液位进行报警。

背景技术：

多功能集成光学调制器是闭环光纤陀螺的核心器件，目前的主流多功能集成光学调制器是基于质子交换退火工艺的铌酸锂波导调制器。质子交换过程是将铌酸锂基片装载到石英夹具上，先在恒温箱中预热至240℃，然后将芯片从恒温箱中拿出迅速放入到质子交换液中进行质子交换，通过h⁺置换铌酸锂中的li⁺，提高交换区的te模折射率同时降低tm模折射率形成单偏振传播区域。经过一定的交换时间后，再将芯片从质子交换液中取出进行退火处理。而目前这种预热方式会引起质子交换液的温度发生较大的波动，且每次温度波动大小受交换开始时铌酸锂基片与交换液之间的温度差影响而不相同，导致所制备的铌酸锂波导芯片的一致性较差。

为了提高所制备的铌酸锂波导芯片的一致性，可以在铌酸锂基片浸没在质子交换液中之前，让石英夹具的底面接触质子交换液进行热传导，铌酸锂基片不接触质子交换液，在液面处停留几分钟后再将铌酸锂基片浸没到质子交换液中进行质子交换，这样可以有效地减小质子交换过程中的温度波动。若要实现上述的利用热传导对基片进行二次预热，则装载铌酸锂基片的夹具需具有液面探测功能。

目前用于液位测量的传感器有很多种，其中浮子液位传感器结构简单，但存在可动部件会使其难以克服液面晃动，不适合动态液位测量；电容式液位传感器成本低，但易受温度、电磁波等外界因素的干扰，且液体上方蒸气的存在可能导致传感器虚警甚至失效；超声波液位传感器安全性能好，可用于高粘度、强腐蚀性液体的测量，但是存在测量盲区，当液面晃动时会误差较大。

随着光纤技术的飞速发展，因其具有较好的电气隔离特性、较强的抗电磁干扰能力、耐腐蚀、耐水等一系列优点，光纤式传感器在液位测量领域应用广泛。在点式光纤液位测量方面，主要有以下几种：基于受抑全内反射的光纤点式液位传感器，当探头处于不同介质时，由于折射率不同，发生全内反射的光量不同，通过测量反射光功率即可知道棱镜是否与液面接触，其关键在于光学折射检测元件结构的设计，检测元件形状有圆锥形、半圆形和三棱镜形；基于菲涅尔反射的光纤点式液位传感器，由于空气与被测液体的折射率不同，折射进入介质总的光量是不同的，被反射回来的光量也不同，通过检测光电探测器检测接收到的反射光量即可判断光纤是否接触到了液面；基于光散射的光纤点式液位传感器，其测量端为楔形，根据楔形端面处有无液体，端面接收到不同光强的信号的传递特性不同，接收光纤的差分信号放大后远大于零，利用探测器及相关电路检测接收光强的大小，即可判断光纤传感器的楔形端面处的传感探头是否接触到液面。

目前的质子交换过程无法实现对温度的精确控制，现有技术中有很多点式液位传感器，但没有和质子交换夹具设计结合在一起的，因此设计一款用于质子交换的液位探测夹具是解决质子交换温度波动大、实现温度精确控制问题的关键。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的不足，本发明为了解决上述不足之处，提出了一种用于质子交换的液位探测夹具，主要用于光纤陀螺用集成光学调制器制造的质子交换液位的探测。

质子交换液是一种苯甲酸和苯甲酸锂的混合熔液，苯甲酸锂含量较少，因此其折射率近似苯甲酸熔液的折射率，根据玻璃-空气界面处和玻璃-苯甲酸熔液液界面处光的反射率不同可得知液位信息。

在空气和质子交换液两种不同介质中，由于两者折射不同，光纤中的反射光功率不同，通过探测反射光功率可实现液位测量。

本发明所述一种用于质子交换的液位探测夹具是通过以下技术方案实现：

提供一种用于质子交换的液位探测夹具，包括基片卡槽块、夹持杆、导光棒和收发模块,所述夹持杆的下部设有基片卡槽块，所述导光棒设置于夹持杆的内部，所述基导光棒的顶部设有收发模块；所述夹持杆的底端设有底座，所述底座的下方设有底托板，所述底托板上设有用于渗透质子交换液的通孔b，所述底座用于对基片卡槽块进行定位，使基片卡槽块可以嵌套在夹持杆上。

进一步地，所述基片卡槽块包括第一安装板、第二安装板和安装块，所述安装块上设有中空的安装孔，所述第一安装板设置于安装块的上端，且所述第一安装板的中部设有与安装孔相通的通孔，所述第二安装板设置于安装块的下端，且所述第二安装板的中部设有与安装孔相通的通孔，所述第一安装板、安装块、第二安装板依次连接形成中部设有环状凹槽的基片卡槽块，所述基片卡槽块通过安装孔套设于夹持杆的下部。

所述第一安装板的下表面和第二安装板的上表面的靠近边沿位置设有用于装载铌酸锂基片的凹槽，所述第一安装板和第二安装板上均设有若干通孔a，通孔a用于减小夹具浸没时质子交换液对夹具的浮力作用。

进一步地，所述夹持杆内设有两端开口的空腔，所述空腔包括圆柱形空心柱空腔和月牙形空心柱空腔，所述月牙形空心柱空腔的设计可以减轻夹持杆的重量，节省材料；

所述导光棒设置于圆柱形空心柱空腔内，所述底托板与底座形成收容腔，且所述收容腔与夹持杆内部的空腔相通，所述导光棒的底端与收容腔底部抵接；所述通孔b和收容腔用于阻隔苯甲酸结晶并渗透质子交换液。

进一步地，所述收发模块包括准直led光源、分光棱镜、c-lens聚光透镜、光电探测器和信号处理电路，所述导光棒的上方设有分光棱镜，所述分光棱镜设置于准直led光源的下方，所述导光棒的顶部设有c-lens聚光透镜，所述分光棱镜的右侧设有光电探测器，所述光电探测器与信号处理电路单元连接，准直led光源经过分光棱镜给光源入射端提供入射光，所述光电探测器通过分光棱镜探测来自反射光探测端的反射光，所述c-lens聚光透镜用于会聚光线，然后通过信号处理电路探测反射光功率，即可知道探头是否探测到液面。

所述光电探测器将反射光的信号发送至光电转换电路，将光信号转变为电信号，然后将电信号发送至放大电路，将电信号放大，最后将放大的电信号发送至数据采集分析电路，将电信号从模拟量转变为数字量，分析信号得出是否探测到液面的信息。

进一步地，所述信号处理电路包括光电转换电路、放大电路和数据采集分析电路，所述光电转换电路、放大电路和数据采集分析电路依次连接，所述光电转换电路与光电探测器连接。

进一步地，所述c-lens聚光透镜靠近分光棱镜的端面设有7.5°～8.5°的倾斜角，所述倾斜角的设置用于防反射，所述分光棱镜为半反半透镜，所述导光棒的底端为平面，所述导光棒的底端紧贴在收容腔的底部，作为探头探测质子交换液的液位。

进一步地，所述导光棒上设有与光纤相同的纤芯加包层。

进一步地，所述基片卡槽块、夹持杆和导光棒的材质均采用石英玻璃。

(1)本发明所述用于质子交换的液位探测夹具，利用在玻璃-空气界面处和在玻璃-苯甲酸熔液液界面处光的反射率不同的原理设计，能够解决质子交换过程中温度波动大的问题，提高制造铌酸锂波导芯片的一致性。

(2)本发明所述用于质子交换的液位探测夹具，结构简单，易于组装，原理可靠，使用方便，用酒精清洗后可反复利用，包括基片卡槽块、夹持杆、导光棒和收发模块均可反复利用，降低了使用成本。

(3)本发明所述用于质子交换的液位探测夹具，可用于高温高压、易燃易爆、强磁场等恶劣环境，制作夹具的材料均不与苯甲酸熔液反应，使用过程中可全程参与质子交换。

(4)本发明所述探测夹具的使用方法可以减少芯片放入质子交换液中由于芯片和交换液之间温度差造成的温度波动，提高质子交换的控制精度。

附图说明

附图1为本发明所述用于质子交换的液位探测夹具的结构示意图。

附图2为本发明所述基片卡槽块的结构示意图。

附图3为本发明所述夹持杆的结构示意图。

附图4为本发明所述夹持杆的俯视结构示意图。

附图5为本发明所述导光棒中光线传输和收发模块的结构示意图。

附图6为本发明所述夹持杆的仰视结构示意图。

附图中：

1.基片卡槽块，2.夹持杆，3.导光棒，4.收发模块，5.准直led光源，6.入射光，7.c-lens聚光透镜，8.反射光，9.分光棱镜，10.光电探测器，11.信号处理电路；

101.第二安装板，102.凹槽，103.通孔a，104.第一安装板，105.安装孔，106.安装块；

201.通孔b，202.底座，203.收容腔，204.圆柱形空心柱空腔，205.月牙形空心柱空腔，206.底托板。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明提供一种用于质子交换的液位探测夹具，主要用于铌酸锂波导芯片制作的质子交换过程及对质子交换液的液位进行报警；

如图1～3所示，所述用于质子交换的液位探测夹具包括基片卡槽块1、夹持杆2、导光棒3和收发模块4,所述夹持杆2的下部设有基片卡槽块1，所述导光棒3设置于夹持杆2的内部，所述基导光棒3的顶部设有收发模块4；所述夹持杆2的底端设有底座202，所述底座202的下方设有底托板206，所述底托板206上设有用于渗透质子交换液的通孔b201，所述底座202用于对基片卡槽块1进行定位，使基片卡槽块1可以嵌套在夹持杆2上。

作为上述实施方式进一步地改进，所述基片卡槽块1包括第一安装板104、第二安装板101和安装块106，所述安装块106上设有中空的安装孔105，所述第一安装板104设置于安装块106的上端，且所述第一安装板104的中部设有与安装孔105相通的通孔，所述第二安装板101设置于安装块106的下端，且所述第二安装板101的中部设有与安装孔105相通的通孔，所述第一安装板104、安装块106、第二安装板101依次连接形成中部设有环状凹槽102的基片卡槽块1，所述基片卡槽块1通过安装孔105套设于夹持杆2的下部，所述安装孔105的直径比夹持杆2稍大一点，便于安装。

所述第一安装板104的下表面和第二安装板101的上表面的靠近边沿位置设有用于装载铌酸锂基片的凹槽102，所述第一安装板104和第二安装板101上均设有若干通孔a103，通孔a103用于减小夹具浸没时质子交换液对夹具的浮力作用。

作为上述实施方式进一步地改进，所述夹持杆2内设有两端开口的空腔，所述空腔包括圆柱形空心柱空腔204和月牙形空心柱空腔，所述月牙形空心柱空腔205的设计可以减轻夹持杆2的重量，节省材料；

所述导光棒3设置于圆柱形空心柱空腔204内，所述底托板206与底座202形成收容腔203，且所述收容腔203与夹持杆2内部的空腔相通，所述导光棒3的底端与收容腔203底部抵接；所述导光棒3的底端紧贴收容腔203的底部，苯甲酸蒸气会向上流动，不会在导光棒3的底端形成结晶对探测造成影响，所述通孔b201和收容腔203用于阻隔苯甲酸结晶并渗透质子交换液。

作为上述实施方式进一步地改进，所述收发模块4包括准直led光源5、分光棱镜9、c-lens聚光透镜7、光电探测器10和信号处理电路11，所述导光棒3的上方设有分光棱镜9，所述分光棱镜9设置于准直led光源5的下方，所述导光棒3的顶部设有c-lens聚光透镜7，所述分光棱镜9的右侧设有光电探测器10，所述光电探测器10与信号处理电路11单元连接，准直led光源5经过分光棱镜9给光源入射端提供入射光6，所述光电探测器10通过分光棱镜9探测来自反射光8探测端的反射光8，所述c-lens聚光透镜7用于会聚光线，然后通过信号处理电路11探测反射光8功率，即可知道探头是否探测到液面。

所述光电探测器10将反射光8的信号发送至光电转换电路，将光信号转变为电信号，然后将电信号发送至放大电路，将电信号放大，最后将放大的电信号发送至数据采集分析电路，将电信号从模拟量转变为数字量，分析信号得出是否探测到液面的信息。

作为上述实施方式进一步地改进，所述信号处理电路11包括光电转换电路、放大电路和数据采集分析电路，所述光电转换电路、放大电路和数据采集分析电路依次连接，所述光电转换电路与光电探测器10连接。所述光电转换电路、放大电路和数据采集分析电路均采用现有技术领域中常见的光电转换电路、放大电路和数据采集分析电路。

作为上述实施方式进一步地改进，所述c-lens聚光透镜7靠近分光棱镜9的端面设有8°的倾斜角，所述倾斜角的设置用于防反射，所述分光棱镜9为半反半透镜，所述导光棒3的底端为平面，所述导光棒3的底端紧贴在收容腔203的底部，作为探头探测质子交换液的液位。

如图4和图6所示，作为上述实施方式进一步地改进，所述导光棒3上设有与光纤相同的纤芯加包层，利用全反射的原理对光束进行传导，导光棒3上端c-lens聚光透镜7靠近分光棱镜9的端面有8°的倾斜角，用于防反射。

作为上述实施方式进一步地改进，所述基片卡槽块1、夹持杆2和导光棒3的材质均采用石英玻璃。

本发明所述用于质子交换的液位探测夹具的工作原理如下：

在探测夹具底端的基片卡槽块上的凹槽中安装芯片，将用于质子交换的液位探测夹具的下端缓慢放入装有质子交换液的交换炉中，当反射光功率发生明显变化时，夹具停止下移，表明此时夹具已接触到液面，通过热传导迅速均热，使芯片的温度接近交换液，但芯片并没有接触交换液，交换并不发生，等待芯片温度接近交换液时(大约1-3分钟，根据热模型估算及具体经验确定)，再缓慢移动夹具，将芯片缓慢泡入交换液中，上述操作流程可以在交换过程中，使温度波动的范围大大减小，提高交换量的控制精度。

收发模块4包括准直led光源5、分光棱镜9、c-lens聚光透镜7和光电探测器10，如图5所示，准直led光源5经由分光棱镜9给液位探测夹具提供入射光6，光电探测器10通过分光棱镜9探测来自导光棒3的反射光8；

在导光棒33的顶端和分光棱镜9之间会放置有c-lens聚光透镜7用于会聚光线，光电探测器10会将探测到的反射光8信号发送至光电转换电路。

当导光棒3的底端在空气中时，导光棒3中的一部分光会在端面发生全反射，返回探测器，产生信号；

当导光棒3的底端浸没在质子交换液中时，导光棒3中的光会在端面发生菲涅尔反射，部分光功率随着折射光透射至交换液中。空气折射率n0＝1.0，导光棒3材质为石英玻璃，石英玻璃折射率n1＝1.46，质子交换液是苯甲酸熔液，其折射率n2＝1.54。

对于正入射的光，在石英玻璃/空气界面上发生反射时，反射率计算公式由下式给出：

在石英玻璃/苯甲酸熔液界面上发生反射时，反射率计算公式由下式给出：

通过计算分析可知，光在石英玻璃/空气界面发生全反射时，反射率为3.5％，在石英玻璃/苯甲酸熔液界面发生菲涅尔反射时，反射率为0.07％，探测器接收的光功率降低了很多，通过探测导光棒3内的反射光8功率，即可知道是否探测到质子交换液的液面。

然后光电探测器10将反射光8的信号发送至光电转换电路，将光信号转变为电信号，然后将其发送至放大电路，将电信号放大，最后将其发送至数据采集分析电路，将电信号从模拟量转变为数字量，分析信号得出是否探测到液面的信息。

(1)本发明所述用于质子交换的液位探测夹具，利用在玻璃-空气界面处和在玻璃-苯甲酸熔液液界面处光的反射率不同的原理设计，配合使用方法，能够解决质子交换过程中温度波动大的问题，提高制造铌酸锂波导芯片的一致性。

(2)本发明所述用于质子交换的液位探测夹具，结构紧凑，组装简单，原理可靠，使用方便，用酒精清洗后可反复利用，包括基片卡槽块1、夹持杆2、导光棒3和收发模块4均可反复利用，降低了使用成本。

(3)本发明所述用于质子交换的液位探测夹具，可用于高温高压、易燃易爆、强磁场等恶劣环境，制作夹具的材料均不与苯甲酸熔液反应，使用过程中可全程参与质子交换。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。