专利名称：一种光子晶体光纤温度传感探头及其测量系统的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及光子晶体光纤传感器件领域，尤其涉及ー种光子晶体光纤温度传感探头及其測量系统。
背景技术：
传感器技术、通信技术和计算机技术并称为当今信息产业的三大支柱。自20世纪80年代以来，低损耗光纤的问世掀起了传感器领域的ー场革命。光纤纤芯-包层的折射率差可以有效的控制数值孔径和损耗特性，当包层有效折射率受到外界环境温度的调制吋，光纤的导光特性会发生改变，从而可以通过測量光信号強度的变化有效的获得外界温度信 o光子晶体光纤灵活的空气孔结构为包层折射率调制型光纤温度传感器的实现提供了良好的平台。向光子晶体光纤空气孔填充对外场敏感的液体材料，可以大大增强光信号同填充物质的作用強度，从而获得高灵敏度的外场传感装置。目前已有报道向光子晶体光纤空气孔中填充温度敏感液体，利用外界温度影响其折射率变化，从而调制光子晶体光纤的限制损耗，实现温度传感的目的。例如公开号CN 102288326A，
公开日2011年12月21日的发明专利中记载了一种填充混合液的光子晶体光纤。发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下缺点和不足现有技术中的方案属于透射式传感，具有光路复杂、光子晶体光纤与普通单模光纤需要多次熔接、光源和探測装置分立于传感单元两侧等缺点，尤其在工程上不适合极端恶劣环境下的外场检測。
发明内容
本发明提供了ー种光子晶体光纤温度传感探头及其測量系统，本发明实现了结构设计简单、且易应用于工程实践特别是极端恶劣环境(超低温)下的外场温度检测，详见下文描述—种光子晶体光纤温度传感探头，包括LMA-8全内反射型光子晶体光纤，所述LMA-8全内反射型光子晶体光纤的后端面镀有银膜；所述LMA-8全内反射型光子晶体光纤的包层内填充氯仿、甲苯和こ醇温度敏感混合溶液，其中，所述氯仿、甲苯和こ醇的热敏系数分别为-6. 328 X 10_4/K、-5. 273 X 10_4/K和-3. 940X 10^4/K,比所述纯石英高出两个数量级。采用毛细现象或真空抽压的方法将所述氯仿、甲苯和こ醇温度敏感混合溶液填充进所述LMA-8全内反射型光子晶体光纤。ー种光路測量系统，所述光路測量系统包括光子晶体光纤温度传感探头和温度控制装置，所述温度控制装置调节所述光子晶体光纤温度传感探头内的温度敏感混合溶液的温度，所述光子晶体光纤温度传感探头通过单模光纤熔接点耦合到第一单模光纤跳线的一端；所述第一单模光纤跳线的另一端连接光纤环形器；所述光纤环形器的一端通过第二单模光纤跳线连接功率计；所述光纤环形器的另一端通过第三单模光纤跳线连接半导体激光光源；所述半导体激光光源发射光信号，经过所述光纤环形器耦合入所述光子晶体光纤温度传感探头；所述光信号经过所述银膜反射后重新经过所述光子晶体光纤温度传感探头进入所述光纤环形器，下端ロ耦合输出，所述功率计探测输出光信号的強度。所述第一单模光纤跳线、第二单模光纤跳线和第三单模光纤跳线为1550nm的单模光纤跳线，相应的，所述半导体激光光源为1550nm的半导体激光光源。本发明提供的技术方案的有益效果是本发明采用反射式光纤传感探头结构取代传统的透射式光纤传感器结构，使得光源和探測装置位于光纤探头同侧，整个系统结构更加紧凑、利于集成，光纤探头更加容易伸入被测环镜；该种反射式光纤探头的制作只需要一 次熔接，降低了熔接损耗，简化了制作工艺；并且，传感光信号经过反射两次通过温度敏感区域，增强了作用效应，提高了传感灵敏度；此外，利用具有很低熔点的甲苯和こ醇混合溶液，通过适当调节溶液配比可以制作用于超低温环镜的温度传感探头装置。
图I为选用的丹麦NKT Photonic公司生产的LMA-8全内反射型光子晶体光纤的横截面实物图；图2a为氯仿-こ醇体积比为9:1时，(TC时LMA-8全内反射型光子晶体光纤中传输的基模光信号的模场分布图；图2b为氯仿-こ醇体积比为9:1时，15°C时LMA-8全内反射型光子晶体光纤中传输的基模光信号的模场分布图；图3为氯仿-こ醇体积比为9:1时，LMA-8全内反射型光子晶体光纤限制损耗和有效模场面积随温度的变化曲线；图4为氯仿-こ醇体积比为9:1时，温度从4°C升高到15°C时LMA-8全内反射型光子晶体光纤限制损耗随温度的变化曲线和ー阶线性拟合曲线； 图5为甲苯-こ醇体积比为3:7吋，温度从-80で升高到-70°C时LMA-8全内反射型光子晶体光纤限制损耗随温度的变化曲线和ー阶线性拟合曲线；图6为光路测量系统的结构图。附图中，各标号所代表的部件列表如下I :半导体激光光源；2 :光纤环形器；3 :温度控制装置；4 :功率计；5 :第一单模光纤跳线； 6 :光子晶体光纤温度传感探头；7 :单模光纤熔接点；8 :银膜；9 :第二单模光纤跳线； 10 :第三单模光纤跳线。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进ー步地详细描述。为了实现结构设计简单、且易应用于工程实践特别是极端恶劣环境(超低温)下的外场温度检测，本发明实施例提供了ー种光子晶体光纤温度传感探头及其測量系统，參见图I和图6，详见下文描述ー种光子晶体光纤温度传感探头，包括LMA_8全内反射型光子晶体光纤，LMA-8全内反射型光子晶体光纤的后端面镀有银膜8 ;采用的材料为纯石英，包层直径为125±5微米；包层空气孔直径为2. 7微米，空气孔间距为5. 6微米；模场直径为8. 5±0. 3微米；LMA-8全内反射型光子晶体光纤的包层内填充氯仿、甲苯和こ醇温度敏感混合溶液，其中，氯仿、甲苯和こ醇的热敏系数分别为-6. 328X 10—VK、_5. 273X 10_4/K和-3. 940X 10^4/K,比纯石英高出两个数量级。
该LMA-8全内反射型光子晶体光纤填充温度敏感混合溶液后，一端与光纤环形器2的单模光纤熔接点7耦合，另一端采用镀银膜8増加其反射率。參见图I为选用的丹麦NKT Photonic公司生产的LMA-8光纤横截面。该种LMA-8全内反射型光子晶体光纤由7层均匀三角排列的空气孔构成，其中第7层空气孔不完整。所采用的材料为纯石英，包层直径为125±5微米；包层空气孔直径为2. 7微米，空气孔间距为5. 6微米；模场直径为8. 5±0. 3微米。填充入包层的液体为氯仿、甲苯和こ醇温度敏感液体，其热敏系数分别为-6. 328X 10—VK、-5. 273X 10_4/K和-3. 940X 10_4/K，比光子晶体光纤的背景材料纯石英
高出两个数量级。其中，本发明实施例采用毛细现象或真空抽压的方法将氯仿、甲苯和こ醇温度敏感混合溶液填充进LMA-8全内反射型光子晶体光纤。通过外界温度影响液体的折射率，从而引起LMA-8全内反射型光子晶体光纤包层等效折射率的变化，进而影响LMA-8全内反射型光子晶体光纤中传导光信号的有效模场面积和限制损耗，最終通过测量输出光信号的强度变化实现温度传感的目的。当温度升高时，包层等效折射率减小，纤芯-包层折射率差増大，LMA-8全内反射型光子晶体光纤对光的束缚增强，限制损耗减小，输出的光信号增强，从而可以实现基于强度调制的LMA-8全内反射型光子晶体光纤温度传感器。溶液的种类和配比比例决定了该种光子晶体光纤温度传感探头的工作范围，可以根据实际需求选择不同的温度传感区间。此夕卜，甲苯和こ醇都具有很低的熔点，分别为-94. 99 °C和-114. TC，因此通过适当配比上述两种溶液可以制作超低温传感装置。当选取氯仿与こ醇溶液体积比为9:1时，数值模拟表明，光子晶体光纤温度传感探头在4°C到15°C范围内其限制损耗与温度之间近似满足线性关系；通过合理配置混合溶液可以实现超低温传感装置，当选取甲苯与こ醇溶液体积比为3:7时，光子晶体光纤温度传感探头在_85°C到_70°C范围内近似满足线性关系。图2a和图2b为氯仿-こ醇体积比为9:1时，(TC与15°C时LMA-8全内反射型光子晶体光纤中传输的基模光信号的模场分布图。由图2a和图2b中可以看出，当温度从(TC升高到15°C时，基模光信号的模场分布变化明显，因此该种填充温度敏感混合液体的LMA-8全内反射型光子晶体光纤可以有效应用于温度传感探头。图3是氯仿-こ醇体积比为9:1时，LMA-8全内反射型光子晶体光纤限制损耗和有效模场面积随温度的变化曲线。从图3中可以看出，在一定范围内，温度的改变会引起LMA-8全内反射型光子晶体光纤限制损耗和有效模场面积的剧烈变化，利用这ー性质可以制作光纤温度传感器。 图4为氯仿-こ醇体积比为9:1时，温度从4°C到15°C时LMA-8全内反射型光子晶体光纤限制损耗随温度的变化曲线，通过ー阶线性拟合得到其传感灵敏度为-6. 72653dB/m/°C。图5为甲苯-こ醇体积比为3:7时，温度从-80°C到-70 V时LMA-8全内反射型光子晶体光纤限制损耗随温度的变化曲线，通过ー阶线性拟合得到其传感灵敏度为-4. 82083dB/m/°C。具体实现时，根据实际所需的温度对温度敏感混合液体的配比进行调节，本发明实施例在此不做限制。ー种光路測量系统，參见图6，包括光子晶体光纤温度传感探头6和温度控制装置3，温度控制装置3调节光子晶体光纤温度传感探头6内的温度敏感混合溶液的温度，光子晶体光纤温度传感探头6通过单模光纤熔接点7耦合到第一单模光纤跳线5的一端；第一单模光纤跳线5的另一端连接光纤环形器2 ;光纤环形器2的一端通过第二单模光纤跳线9连接功率计4 ;光纤环形器2的另一端通过第三单模光纤跳线10连接半导体激光光源I ;半导体激光光源I发射光信号，经过光纤环形器2耦合入光子晶体光纤温度传感探头6 ;光信号经过银膜8反射后重新经过光子晶体光纤温度传感探头6进入光纤环形器2，下端ロ耦合输出，功率计4探测输出光信号的強度。其中，具体实现时，本发明实施例优选第一单模光纤跳线5、第二单模光纤跳线9和第三单模光纤跳线10为1550nm的单模光纤跳线，相应的，半导体激光光源I优选为1550nm的半导体激光光源。上述光子晶体光纤温度传感探头6 —端熔接至以普通单模光纤作为输出端ロ的光纤环形器2，另一端采用光纤端面镀银膜8实现传感光信号的高反射。本系统选用通信波长1550nm作为光学传感信号。综上所述，本发明实施例提供了ー种光子晶体光纤温度传感探头及其測量系统，本发明实施例采用反射式光纤传感探头结构取代传统的透射式光纤传感器结构，使得光源和探測装置位于光纤探头同侧，整个系统结构更加紧凑、利于集成，光纤探头更加容易伸入被测环镜；该种反射式光纤探头的制作只需要一次熔接，降低了熔接损耗，简化了制作エ艺；并且，传感光信号经过反射两次通过温度敏感区域，增强了作用效应，提高了传感灵敏度；此外，利用具有很低熔点的甲苯和こ醇混合溶液，通过适当调节溶液配比可以制作用于超低温环镜的温度传感探头装置。本领域技术人员可以理解附图只是ー个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.ー种光子晶体光纤温度传感探头，其特征在于，包括LMA-8全内反射型光子晶体光纤，所述LMA-8全内反射型光子晶体光纤的后端面镀有银膜；所述LMA-8全内反射型光子晶体光纤的包层内填充氯仿、甲苯和こ醇温度敏感混合溶液，其中， 所述氯仿、甲苯和こ醇的热敏系数分别为-6. 328X 10—VK、-5. 273X 10_4/K和-3. 940X 10^4/K,比所述纯石英高出两个数量级。
2.根据权利要求I所述的ー种光子晶体光纤温度传感探头，其特征在干， 采用毛细现象或真空抽压的方法将所述氯仿、甲苯和こ醇温度敏感混合溶液填充进所述LMA-8全内反射型光子晶体光纤。
3.ー种光路測量系统，其特征在于，所述光路測量系统包括光子晶体光纤温度传感探头和温度控制装置， 所述温度控制装置调节所述光子晶体光纤温度传感探头内的温度敏感混合溶液的温度，所述光子晶体光纤温度传感探头通过单模光纤熔接点耦合到第一单模光纤跳线的一端；所述第一单模光纤跳线的另一端连接光纤环形器；所述光纤环形器的一端通过第二单模光纤跳线连接功率计；所述光纤环形器的另一端通过第三单模光纤跳线连接半导体激光光源； 所述半导体激光光源发射光信号，经过所述光纤环形器耦合入所述光子晶体光纤温度传感探头；所述光信号经过所述银膜反射后重新经过所述光子晶体光纤温度传感探头进入所述光纤环形器，下端ロ耦合输出，所述功率计探测输出光信号的強度。
4.根据权利要求3所述的ー种光路測量系统，其特征在于，所述第一单模光纤跳线、第ニ单模光纤跳线和第三单模光纤跳线为l550nm的单模光纤跳线， 相应的，所述半导体激光光源为1550nm的半导体激光光源。
全文摘要
本发明公开了一种光子晶体光纤温度传感探头及其测量系统，涉及光子晶体光纤传感器件领域，包括LMA-8全内反射型光子晶体光纤，后端面镀有银膜；光子晶体光纤的包层内填充氯仿、甲苯和乙醇温度敏感混合溶液，其中，所述氯仿、甲苯和乙醇的热敏系数分别为-6.328×10-4/K、-5.273×10-4/K和-3.940×10-4/K，比所述纯石英高出两个数量级。该反射式光纤探头的制作只需要一次熔接，降低了熔接损耗，简化了制作工艺；并且，传感光信号经过反射两次通过温度敏感区域，增强了作用效应，提高了传感灵敏度；此外，利用具有很低熔点的甲苯和乙醇混合溶液，通过适当调节溶液配比可以制作用于超低温环镜的温度传感探头装置。
文档编号G01K11/32GK102865946SQ201210334960
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月11日 优先权日2012年9月11日
发明者姚建铨, 王然, 陆颖, 苗银萍, 赵晓蕾, 温午麒 申请人:天津大学