專利名稱：一種毛細管光纖折射率傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于液體溫度、折射率測量領(lǐng)域，具體為一種能夠同時測量液體溫度和折射率的毛細管光纖折射率傳感器。
背景技術(shù)：
折射率是流體介質(zhì)重要的物理參數(shù)。流體介質(zhì)諸多性質(zhì)，如液體濃度、混合物成份、比重以及PH值等都可以在其折射率上得到反映。因此，人們通過測量液體的折射率就可以了解其物理和化學性質(zhì)。所以折射率的測量是分析和研究液體的各種性質(zhì)的一種有效手段，同時也是工業(yè)生產(chǎn)中各種反應過程檢測和控制的重要方法。折射率測量的方法有多種，常用的折射率測量儀器為阿貝測量儀。這種方法需要提取一定量的被測物質(zhì)放入儀器中進行測量，由操作人員讀取測量值，無法實現(xiàn)在線檢測和測量自動化。隨著光纖傳感技術(shù)的快速發(fā)展，基于光纖技術(shù)的折射率測量方法、技術(shù)及傳感器受到關(guān)注。尤其是光纖光柵的產(chǎn)生及其優(yōu)越的性能，使光纖光柵成為傳感領(lǐng)域的佼佼者。它不僅具有抗電磁干擾、高靈敏度、響應速度快、動態(tài)范圍寬、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、使用靈活、適用于腐蝕性或危險性環(huán)境等優(yōu)點，同時還具有波長編碼，便于復用構(gòu)成光纖傳感網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點。基于光纖光柵的折射率傳感在生物化學傳感器或生物探針等方面，具有很大的應用前途。光纖光柵是利用光纖材料的光敏特性，在光纖纖芯或波導層形成周期性結(jié)構(gòu)，其工作原理是在滿足相位匹配條件的波長處發(fā)生模間共振耦合。當光纖光柵所處環(huán)境的溫度、折射率等物理量發(fā)生改變時，通常該變化會引起光柵的周期或有效折射率發(fā)生改變，從而使得光柵的共振波長發(fā)生變化，就可以通過測量共振波長的變化，來獲得待測物理量的變化情況。布拉格光纖光柵的Bragg波長λ Β可由下式?jīng)Q定λ β = 2neff Λ式中，neff是纖芯有效折射率，Λ為光柵周期。FBG的周期一般為幾百納米，它是對傳輸于纖芯的基模的反向耦合。因此可以作為應力，溫度等的反射式傳感器。但是傳統(tǒng)的FBG對于環(huán)境折射率不敏感，不能用于制作生化傳感器或生物探針。為了提高光纖光柵傳感器的性能，人們提出了各種不同的基于布拉格光纖光柵的傳感器結(jié)構(gòu)。常用的布拉格光纖光柵傳感器裝置是將Bragg光纖光柵的一端與光源連接，另一端接上光譜分析儀，通過觀察光譜的的變化來檢測環(huán)境的變化。李恩邦在申請?zhí)?200610129439. χ的專利《同時測量液體溫度和折射率的光纖傳感裝置》提出利用光纖光柵和無芯光纖實現(xiàn)同時測量液體溫度和折射率；Hyun Soo Jang等人在Opt. Express 2009年 17 期發(fā)表白勺文章 Sensitive DNA biosensor based on a long-period grating formed on the side-polished fiber surface中提出了側(cè)面拋光的長周期光纖光柵生物傳感器； 同年，Qing Wu 等人在 Appl. Opt 第 48 期發(fā)表的 Use of a single-multiple-single-mode fiber filter for interrogating fiber Bragg grating strainsensors with dynamic temperature compensation闡述了利用FBG和SMS結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了溫度補償?shù)膲毫鞲衅鳌?br> 但是由于介質(zhì)的折射率隨溫度的不同而發(fā)生變化，這些傳感器只有在一定溫度下測得的折射率才有意義，因此我們在進行液體折射率測量時有必要進行溫度補償，以提高折射率測量的精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種結(jié)構(gòu)更簡單、靈敏度更高、具有溫度補償?shù)拿毠芄饫w折射率傳感器。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明為一種毛細管光纖折射率傳感器由光源連接輸入光纖，輸入光纖連接傳感頭部分，傳感頭部分連接輸出光纖，輸出光纖連接波長解調(diào)儀，其特征是傳感頭部分由寫有Bragg光纖光柵的單模光纖連接波導層寫有Bragg光纖光柵的毛細管光纖組成。毛細管光纖采用單包層毛細管光纖或雙包層毛細管光纖。輸入光纖和輸出光纖為單模光纖。入射光源為寬譜光源。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明提供的一種基于毛細管光纖折射率傳感器，通過 FBG單模光纖段對溫度的測量，從而實現(xiàn)溫度補償，使折射率測量的精度有了更大的提高， 簡化了傳感器的結(jié)構(gòu)縮小了傳感器體積，液體測量種類得到擴大，反射譜的光譜峰值各自獨立避免了干涉的影響。


圖1單包層毛細管光纖結(jié)構(gòu)示意圖；圖2雙包層毛細管光纖結(jié)構(gòu)示意圖；圖3毛細管光纖折射率傳感器傳感頭結(jié)構(gòu)示意圖；圖4經(jīng)封裝的毛細管光纖折射率傳感器傳感頭結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步說明這種同時測量液體溫度和折射的毛細管光纖傳感器傳感頭部分由寫有Bragg光纖光柵9的單模光纖8和寫有Bragg光纖光柵10的毛細管光纖11熔融焊接而成，單模光纖段用來測溫度，毛細管光纖段用來測溫度和折射率。其中毛細管光纖11主要分為單包層毛細管光纖(如圖1)和雙包層毛細管光纖(如圖2)兩種。上述方案中，所述的單模光纖和毛細管光纖直徑相同，均為125 μ m;熔接時，兩者的軸心在同一直線上；熔接后的長度在IOcm內(nèi)最合適。所述的毛細管光纖，都有一層很薄的波導層，Bragg光纖光柵就是寫在該薄波導層上?？紤]到彎曲會給傳感器帶來較大的影響，傳感頭必須經(jīng)過封裝才可用。封裝過程是取一直徑為1mm、長15cm的毛細玻璃管，將傳感頭插入其中，并且保證毛細管光纖末端面與毛細管末端面平行，再用AB膠將自然伸直的傳感頭兩端固定在毛細管內(nèi)壁上。由輸入單模光纖通過一 2X2耦合器分別與寬譜光源和波長解調(diào)儀相連接，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)制與解調(diào)。本發(fā)明對液體實現(xiàn)溫度和折射率同時測量的原理和過程是由輸入單模光纖傳來的基模光經(jīng)過單模光纖Bragg光纖光柵時，滿足相位匹配條件XB = 2neffA的光被反射回去，其中neff為單模光纖纖芯有效折射率，Λ為光柵周期。此處的Bragg諧振波長λΒ只隨溫度變化而改變，因此單模光纖段Bragg光纖光柵用來檢測環(huán)境溫度。沒有被反射回去的光繼續(xù)沿單模光纖向前傳播，到達毛細管光纖時，將在毛細管光纖的波導層內(nèi)形成多個高階模式，而纖芯模式被散射掉。單模光纖基模向這些高階導模的耦合系數(shù)由單模光纖的基模模場與這些高階導模模場的重疊積分決定。這些高階導模沿著毛細管光纖向前傳播，每個高階導模對應一個縱向傳播常數(shù)β i ( β i = k0neffi)，k0n2 < β i < M1,對于單包層毛細管光纖，ηι; η2分別為波導層折射率和被測液體折射率；而對于雙包層毛細管光纖，ηι; η2分別為波導層折射率和內(nèi)包層有效折射率。當這些高階導模經(jīng)過Bragg光纖光柵時，滿足相位匹配條件XBi = 2neffiA的光被反射回去。一旦外界的溫度或被測液體的折射率發(fā)生改變，有效折射率neffi發(fā)生改變，則Bragg諧振波長λ Bi也會隨之改變。因此通過檢測Bragg 諧振波長λΜ的漂移，就可以獲得需要檢測的溫度和折射率的動態(tài)變化信息。由于波長解調(diào)器同時測量兩光纖光柵的諧振波長變化，且每個諧振波長相互獨立，因此上述的對液體溫度測量和折射率測量是可以同時進行的。本發(fā)明提供的一種毛細管光纖折射率傳感器，由于毛細管光纖中無纖芯導模的傳播，因而兩個布拉格光纖光柵反射回來的模式不會發(fā)生干涉，其反射譜的光譜峰值各自獨立；傳感器的主體是毛細管光纖，采用寫有光纖光柵的單包層毛細管光纖，可以檢測折射率小于波導層的液體的折射率，如葡萄糖、酒精等；采用寫有光纖光柵的雙包層毛細管光纖， 則可以檢測折射率大于波導層的液體的折射率，比如石油、苯類有機物等；通過FBG單模光纖段對溫度的測量，從而實現(xiàn)溫度補償，不僅使折射率測量的精度有了更大的提高，還簡化了傳感器的體積。實施例如圖1所示，圖1為本發(fā)明毛細管光纖的折射率傳感器中無內(nèi)包層的毛細管光纖結(jié)構(gòu)示意圖。該毛細管光纖包括薄波導層1，布拉格光纖光柵就是寫在此薄波導層1上；空氣孔芯2，不同折射率樣品可通過毛細現(xiàn)象進入空氣孔芯2中；以及包層3，這種毛細管光纖只適合折射率比波導層折射率小的樣品測試，有較高的靈敏度。如圖2所示，圖2為本發(fā)明毛細管光纖的折射率傳感器中有內(nèi)包層的毛細管光纖結(jié)構(gòu)示意圖。該毛細管光纖包括薄波導層7，布拉格光纖光柵寫在此薄波導層7上；內(nèi)包層 5和外包層4，起著束縛薄波導層7中傳輸光的作用，因此可以用來檢測高折射率的樣品，而對低折射率樣品溶液，靈敏度相對較低；空氣孔芯6，液體通過毛細現(xiàn)象進入其中。如圖3所示，圖3為本發(fā)明毛細管光纖的折射率傳感器傳感頭結(jié)構(gòu)示意圖。該傳感頭主要由寫有Bragg光柵10的毛細管光纖11和寫有Bragg光柵9的單模光纖8熔接而成， Bragg光柵是利用位相掩模技術(shù)寫入的，單模光纖8和毛細管光纖11有相同的外包層直徑， 且兩者軸心在同一直線上。單模光纖9采用標準單模光纖(G652)，其纖芯直徑為8.2μπι， 包層直徑125 μ m，數(shù)值孔徑0. 14。首先將其去涂覆層，然后使用光纖切割刀切割端面，使其端面與光纖軸線垂直。毛細管光纖11的外徑為125 μ m，使用光纖切割刀切割其端面，使其端面也與其軸線垂直。接著將端面處理后的單模光纖9和毛細管光纖11放入光纖焊接機中將兩光纖熔接，并保證兩光纖軸心在同一直線上。毛細管光纖11根據(jù)需要只保留5cm左右的長度，并除去涂覆層。然后，以紫外光入射，利用相位模板技術(shù)在單模光纖9和毛細管光纖11寫上Bragg光纖光柵。兩Bragg光纖光柵的周期Λ稍有差別，以保證它們的溫度響應靈敏度盡量相同，從而實現(xiàn)溫度補償?shù)哪康?。這樣折射率傳感器傳感頭制作完成，整個傳感頭部分長度在IOcm以內(nèi)。如圖4所示，圖4為經(jīng)封裝后的毛細管光纖的折射率傳感器傳感頭示意圖。用直徑約1mm、長約IOcm的毛細玻璃管12套住光纖光柵傳感頭13，在毛細玻璃管12和傳感頭 13末端平齊，且傳感頭13自然伸直狀態(tài)下用AB膠將傳感頭13固定在毛細玻璃管12的內(nèi)壁14上，從而保證傳感頭不受彎曲和應力的影響。圖中的尾纖15用于信號的傳輸。寬帶光源出射的光通過輸入單模光纖進入光環(huán)形器的第一個端口，經(jīng)過光環(huán)形器從第二個端口出來，進入到寫有Bragg光纖光柵的單模光纖上，在傳播過程中遇到Bragg光纖光柵后，符合共振波長匹配的光被反射回去。除了共振波長區(qū)域的其它光繼續(xù)沿著光纖纖芯傳播，遇到毛細管光纖后，纖芯模被散射掉，而在熔接點處激勵起的高階模。這些高階模進入毛細管光纖波導層繼續(xù)傳播，當遇到波導層內(nèi)的Bragg光纖光柵時，符合共振波長匹配的那部分光被反射回去。兩次被反射回去的共振波長區(qū)域的那部分光沿著光纖重新進入光環(huán)形器的第二個端口，經(jīng)過光環(huán)形器后從第三個端口出來，通過光纖連接進入到光譜分析儀。由Bragg光纖光柵共振波長式子= 2neffA可知，當作用于光柵的環(huán)境因素發(fā)生改變而引起光柵周圍的折射率產(chǎn)生變化時，可以引起光纖纖芯和包層模式有效折射率發(fā)生相應的改變，最終會引起共振波長的變化。通過檢測光柵共振波長的漂移，就可以獲得需要檢測的溫度和折射率的動態(tài)變化信息。
權(quán)利要求
1.一種毛細管光纖折射率傳感器，由光源連接輸入光纖，輸入光纖連接傳感頭部分，傳感頭部分連接輸出光纖，輸出光纖連接波長解調(diào)儀，其特征是傳感頭部分由寫有Bragg光纖光柵的單模光纖連接波導層寫有Bragg光纖光柵的毛細管光纖組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的毛細管光纖折射率傳感器，其特征是所述的毛細管光纖采用單包層毛細管光纖或雙包層毛細管光纖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的毛細管光纖折射率傳感器，其特征是所述的輸入光纖和輸出光纖為單模光纖。
4.根據(jù)權(quán)利要求書1或2所述的毛細管光纖折射率傳感器，其特征是入射光源為寬譜光源。
5.根據(jù)權(quán)利要求書3所述的毛細管光纖折射率傳感器，其特征是入射光源為寬譜光源。
全文摘要
本發(fā)明屬于液體溫度、折射率測量領(lǐng)域，具體為一種能夠同時測量液體溫度和折射率的毛細管光纖折射率傳感器。本發(fā)明為一種毛細管光纖折射率傳感器由光源連接輸入光纖，輸入光纖連接傳感頭部分，傳感頭部分連接輸出光纖，輸出光纖連接波長解調(diào)儀，其特征是傳感頭部分由寫有Bragg光纖光柵的單模光纖連接波導層寫有Bragg光纖光柵的毛細管光纖組成。毛細管光纖采用單包層毛細管光纖或雙包層毛細管光纖。輸入光纖和輸出光纖為單模光纖。入射光源為寬譜光源。該發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、測量方便、靈敏度高。
文檔編號G01N21/41GK102269700SQ20111011507
公開日2011年12月7日 申請日期2011年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月5日
發(fā)明者孫偉民, 張安娜, 張建中, 彭石軍, 苑立波 申請人:哈爾濱工程大學