基于椭球形空气腔的波长解调型折射率传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种传感器，特别是涉及一种基于椭球形空气腔的波长解调型折射率传感器，属于光纤传感技术领域。
【背景技术】
[0002]折射率(refractive-1ndex，RI)传感器主要有表面等离子体共振折射率传感器、光纤光栅折射率传感器、马赫-曾德干涉型折射率传感器和光纤法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)干涉型折射率传感器。表面等离子体共振折射率传感器精度高且能实时响应；但成本较高，对温度敏感且与光纤通信的波段不兼容。光纤光栅折射率传感器主要有基于短周期和基于长周期光纤光栅两类。前者必须对包层进行腐蚀，机械强度大大下降，且易受温度波动影响；后者传感性能受非线性特性限制，只对很小范围敏感。
[0003]传统F-P干涉型折射率传感器以反射谱相位变化引起的波长漂移作为对外界折射率的响应，通过检测波长偏移测量气体或液体折射率，理论上能提供对温度不敏感的绝对测量。这类传感器测量精度高，解调方法直接简单，适于实时测量，但由于都是开放性腔，可靠性受液体填充过程中沉积在腔内的污染物严重影响。另一种是将传感头没入待测介质，利用反射光谱的条纹对比度来测量折射率，这类传感器制作和测量过程都比较简单，但解调较前者麻烦，且存在折射率转折点，线性范围较窄。
[0004]饶云江等2011年在《物理学报》发表了《光纤法布里_珀罗复合结构折射率传感器的灵敏度分析》，利用化学腐蚀渐变折射率多模光纤制作了光纤F-P复合结构折射率传感器，并对折射率-对比度的灵敏度进行了分析，但不同波长处获得的的灵敏度不相同，这给解调带来了麻烦。邓明等2009年在《光学学报》发表了《基于光子晶体光纤法布里_珀罗干涉仪的温度自补偿折射率计》，提出另一种基于光子晶体光纤的折射率和温度传感器的F-P腔由光子晶体光纤两端与普通单模光纤熔接构成，并用飞秒激光器切割一端单模光纤形成约20 μ m的盖子防止被测液体进入F-P腔，这种传感器干涉条纹没有低频调制，测量更精确。但飞秒激光器增加了制作的成本和复杂性，且长腔长限制了利用直接测波长偏移来测温的范围。一篇申请号为201220338902.2的中国实用新型《光子晶体光纤折射率温度传感器及测量系统》，提出了一种基于封闭微椭球形空气腔的复合F-P结构折射率传感器，通过测量频率分量比例参数和波长偏移可同时测量折射率和温度。但上述这些封闭F-P结构折射率传感器在折射率为1.45处均有一转折点，限制了测量范围，且解调较复杂，无法实现实时检测。
【实用新型内容】
[0005]本实用新型所要解决的技术问题是:提供一种基于椭球形空气腔的波长解调型折射率传感器，能直接解调，实现实时检测。
[0006]本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案:
[0007]基于椭球形空气腔的波长解调型折射率传感器，包括光信号输入输出光纤、传感器探头以及两者之间的空气腔，所述光信号输入输出光纤一端与传感器探头一端通过光纤熔接机同轴连接，所述空气腔的前后两表面与传感器探头的前端面形成三个反射面，所述空气腔靠近传感器探头的一端为前表面，靠近光信号输入输出光纤的一端为后表面，所述空气腔的前后两表面间的距离为8-12 μπι，所述空气腔的前表面与传感器探头的前端面的距离为10-20 μπι，所述空气腔的反射凹面曲率半径等于空气腔前后两表面间的距离。
[0008]优选的，所述光信号输入输出光纤的制作材料为单模光纤。
[0009]优选的，所述传感器探头的制作材料为光子晶体光纤。
[0010]优选的，所述空气腔的前后两表面间的距离为8.64 μπι,空气腔的前表面与传感器探头的前端面的距离为16.7 μπι。
[0011]优选的，所述光纤熔接机的熔接参数为:预熔时间0.2s，预熔电流5mA，间隙50 μ m，熔接电流7mA，熔接时间650ms，z轴推进量15 μ m，追加放电电流7mA，追加放电时间650ms ο
[0012]本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果:
[0013]本实用新型基于椭球形空气腔的波长解调型折射率传感器，具有一般光纤传感器的优越性，不易受电磁干扰，传感器全光纤化、结构简单、微型化，制作方便、适用于易燃易爆等恶劣环境。除此之外，本实用新型还有很多独特的优点。(I)通过检测波长的偏移量测量气体或液体的折射率，且封闭的F-P腔不易受污染。(2)折射率-波谷波长关系为单调函数，没有折射率转折点，对比度随折射率变化无明显规律，可采用直接波长跟踪解调外界折射率，实现实时检测。(3)传感解调系统不受杂散光的影响。因为本传感系统测量的是干涉光谱信号，而杂散光与信号光不满足相干条件。因此，杂散光不影响测量结果。(4)通过优化结构参数，可在特定的折射率范围内获得高灵敏度，且对温度不敏感。
【附图说明】
[0014]图1是本实用新型折射率传感器使用的光子晶体光纤端面图。
[0015]图2是基于椭球形空气腔的波长解调型折射率传感器探头的结构图。
[0016]图3是本实用新型折射率传感器在不同浓度丙三醇溶液中的反射光谱图，折射率分别为 1、1.333、1.355、1.466。
[0017]图4是丙三醇溶液折射率和本实用新型折射率传感器三次实验测得的平均波谷波长的关系图。
[0018]图5是本实用新型折射率传感器在空气中，温度-平均波谷波长关系图。
[0019]其中:2-1为信号入射光，2-2为光信号输入输出光纤，2-3为传感器探头，2-4为恪接面，2-5为空气腔，L1为空气腔的前后两表面间的距离，L2S空气腔的前表面与传感器探头的前端面的距离。
【具体实施方式】
[0020]下面详细描述本实用新型的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。
[0021]本实用新型折射率传感器的传感原理是基于传感探头末端菲涅耳反射，通过测量复合法布里-珀罗腔干涉信号的波谷波长的偏移实现环境折射率测量，具有高灵敏度，既能保证可靠性又能直接解调，实现实时检测。
[0022]如图2所示，基于椭球形空气腔的波长解调型折射率传感器由一根普通通信单模光纤(SMF)和一根实芯光子晶体光纤(PCF)(端面如图1所示)构成。PCF包层外径与SMF包层外径同为1