[发明专利]折射率不敏感的温度传感器的制备方法及测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及光电子技术领域，具体涉及光纤传感器的研究与制备。更具体而言，是通过将高折射率软玻璃光纤与单模光纤熔接从而制备出反射型和传输型的折射率不敏感的温度传感器。

背景技术

光纤传感是20世纪70年代问世的一门新技术，它是以光作为信息载体，以光纤作为信息传输介质的一种传感技术。由于光纤传感器相对于传统传感器而言具有体积小重量轻，不受电磁干扰，高灵敏度等优点，因而自20世纪70年代低损耗光纤问世以来，它逐步成为新一代传感器的研发方向之一，展现出非常好的应用前景。近几年来，随着科技的进步和研究的深入，各式各样的光纤传感器（诸如温度，压力，应力，折射率，电流，电压，气体传感器等）不断被研制出来，尤其是自物联网的概念提出以来，光纤传感更是成为一个热门的研究领域。

光纤干涉型温度传感器在电力系统、航空航天、石油化工、建筑等领域有非常大的应用前景。然而，普通的光纤干涉型温度传感器受制于二氧化硅本身较小的热膨胀系数，温度敏感性低，且二氧化硅的折射率低（~1.45），对低折射率液体（<1.45）很敏感，因而会对溶液中的温度测量造成严重的干扰。此外，也正因为普通二氧化硅光纤折射率低，利用它制备的光纤干涉型传感器往往无法检测高折射率的液体（如高折射率液晶等），这在很大程度上限制了这类光纤干涉型传感器的应用。

发明内容

本发明的目的是：利用高折射率软玻璃光纤制备折射率不敏感的温度传感器，包括反射型折射率不敏感的温度传感器和传输型折射率不敏感的温度传感器。由于这类软玻璃光纤折射率高，热膨胀系数高，因此对低折射率液体（<1.45）不敏感但对温度变化很敏感，因而可以精确测量溶液中的温度。

本发明的技术方案是： 

折射率不敏感的温度传感器的制备方法，包括如下步骤：首先用光纤切割刀将单模光纤和高折射率软玻璃光纤的端面切平；然后采用熔接方法将单模光纤和高折射率软玻璃光纤的一个端面熔接起来，并且使得熔接处产生一个或两个空气孔，即为反射型折射率不敏感的温度传感器，或者采用熔接方法将两段单模光纤分别和高折射率软玻璃光纤的两个端面熔接起来，并且使得熔接处不产生空气孔，即为传输型折射率不敏感的温度传感器。

所述高折射率软玻璃光纤采用其折射率比二氧化硅的折射率高，其热膨胀系数比二氧化硅的热膨胀系数高，其软化点比二氧化硅的软化点低的非二氧化硅光纤，为硅酸铅玻璃光纤、碲酸盐玻璃光纤或锗酸盐玻璃光纤等。所述高折射率软玻璃光纤的长度一般为1毫米到20毫米之间。高折射率软玻璃光纤为由固体芯和空气包层组成的光纤，也可以使用空心软玻璃光纤，对传输型折射率不敏感的温度传感器还可以使用全固体的软玻璃光纤。

本发明所用软玻璃光纤由于其软化点（<600℃）比单模光纤(>1600℃)低很多，因此当用电弧熔接时需采用不对称的熔接方法，也可以采用其他的熔接方法（如铱加热丝，石墨加热丝等）进行熔接。

本发明的高折射率软玻璃光纤既可制作反射型折射率不敏感的温度传感器，也可制作传输型折射率不敏感的温度传感器，其测量方法也包括两种：

第一种针对反射型折射率不敏感的温度传感器的测量装置，包括超连续光源、光纤环形器、光谱仪、普通单模光纤和所述反射型折射率不敏感的温度传感器，其中熔接处的空气孔形成法布里珀罗腔；超连续光源发出的入射光通过普通单模光纤输入到光纤环形器的第1端口，环形器的第3端口通过普通单模光纤连接所述温度传感器的单模光纤，环形器的第2端口通过普通单模光纤与光谱仪连接；

第二种针对传输型折射率不敏感的温度传感器的测量装置，包括超连续光源、光谱仪、普通单模光纤和所述传输型折射率不敏感的温度传感器；超连续光源通过普通单模光纤连接所述温度传感器一端的单模光纤，所述温度传感器的另一端单模光纤再通过普通单模光纤与光谱仪连接。

本发明的有益效果是：

（1）由于高折射率软玻璃光纤热膨胀系数比普通光纤大一个数量级，因此其波长漂移温度灵敏度很高，且由于这种光纤折射率大（~1.8），对低折射率液体的敏感性很低，因而可以精确测量溶液中的温度。实验中在检测溶液中的温度时，其测量误差率不到1%。

（2）相比其它传感原理的传感器，本发明无需复杂的工艺，光路简单，制作成本低，所需高折射率软玻璃光纤很短（传输型传感器：软玻璃光纤一般几毫米到十几毫米，反射型传感器：软玻璃光纤长度可比传输型的更短）。