[发明专利]基于液体填充光子晶体光纤光栅的温度传感器及制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及到光纤光栅传感器技术领域，具体涉及一种基于液体填充的光子晶体光纤光栅的高灵敏度温度传感器及制作方法。

背景技术

1)光纤光栅温度传感器是以波长编码为特征的传感器，通过测量光纤光栅布拉格反射波长的移动测量出温度的变化，测量信号特征不受光强、光纤弯曲及连接损耗等因素影响。这种传感器具有小型紧凑、不受电磁干扰的优点，可实现多个节点的同时测量，可应用于多种施工环境。

2)现有的光纤光栅温度传感器绝大部分为普通的实心包层光纤光栅，极少量采用微结构光纤(即光子晶体光纤)。一般的实心包层光纤光栅和微结构光纤光栅(PCF-BGs)的温度传感机制都基于光纤光栅对温度的敏感特性，原因是器件的热光效应(温度对材料折射率的影响)和热膨胀效应(温度对光栅长度和周期的影响)，当测量温度改变时，光栅的反射波长随温度改变。

3)现有的光纤光栅温度传感器的折射率改变部位均在纤芯的光栅部位，包层的折射率的改变对反射波长影响不大。

4)现有的光纤光栅温度传感器由光敏光纤制成：纤芯为掺锗二氧化硅材料，通过紫外掩模等方法把光栅写入纤芯，光纤包层为纯二氧化硅材料。

5)现有的光纤光栅温度传感器基本上都通过采集光栅反射波长的变化来测量温度，已面市的解调设备解调分辨率一般为1pm，部分解调设备解调分辨率为0.25pm。

6)现有的光纤光栅传感器热敏变化依赖于纤芯中光栅的折射率变化(热光效应)、长度及周期变化(热膨胀效应)，温度敏感系数达到10pm/℃，与解调设备连接使用时可反映的测温精度为0.1℃。

现有技术中有人公开了专利名称为一种基于微芯光纤布拉格光栅的折射率传感器及其制备方法、专利公布号为CN101832924、公布日为2010年9月15日的发明专利，该专利文件提出的保护内容以光栅刻写为主要内容，同时也提出光纤器件包层的气孔问题，空气圆孔半径为4～20微米，没有涉及在微结构包层中注入热光效应折射率匹配液体的内容。CN101832924专利提出的方案提出把微芯光纤应用于光纤光栅传感器，实现对空气孔中气体和液体介质折射率变化的近场高灵敏传感。该专利方案的传感器测量针对对象是气体和液体的折射率，未提及对温度进行测量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有光纤光栅温度传感器灵敏度不高的问题，这种光纤光栅温度传感器的布拉格波长变化主要由光纤材料的热光效应和热膨胀效应引起，布拉格波长随温度变化而移动的范围不大。为提高光纤光栅温度传感器温度变化系数的技术问题，本发明设计一种液体填充的光子晶体光纤光栅(PCF-BGs-liquids)。

为实现以上目的，本发明采取了以下的技术方案：基于液体填充的光子晶体光纤光栅的温度传感器，包括有光子晶体光纤包层，光纤包层内中心轴位置有掺锗光纤纤芯，在光纤纤芯表面刻有布拉格光栅结构，沿所述光纤包层轴向方向有气孔，该些气孔分布在光纤纤芯周围并形成多层矩阵结构，所述气孔内充入具有热光敏感效应的折射率匹配液体。将具有热光敏感效应的折射率匹配液体注入到光纤包层气孔中，提高光纤光栅温度传感器的温度敏感特性。

本发明利用的光子晶体光纤(PCFs)(也称为微结构光纤)，光子晶体光纤包括光纤纤芯、光纤包层。包层内沿光纤包层轴向的气孔，气孔分布在光纤纤芯周围共同构成多层结构的光子晶体光纤，光纤纤芯掺锗使得光子晶体光纤有光敏性。空气孔的大小和空气孔的间距决定光子晶体光纤的特性。采用压力法将具有热光敏感效应的折射率匹配液体注入到光纤包层气孔中，采用已有的光纤光栅刻写方法，在这种液体填充的光子晶体光纤的纤芯刻写布拉格光栅结构，形成液体填充的光子晶体光纤光栅(PCF-BGs-liquids)。

本发明的液体填充的光子晶体光纤光栅的热敏变化位置在包层和纤芯。温度变化时，本新产品除纤芯中光栅周期结构变化外，填充到包层中的液体折射率也随温度改变，且由于液体的热光敏感效应比固体更显著，一般可达-4×10^-4，光子晶体光纤包层气孔中液体的折射率将发生相对较大的变化，从而引起光子晶体光纤包层等效折射率发生相对较大的变化。包层等效折射率较大的变化会引起光子晶体光纤纤芯内传输的基模LP01的有效折射率有较大的变化，最终导致光纤光栅的布拉格波长随温度变化有较大的移动，从而显著提高光纤光栅温度传感器的温度敏感特性，使得温度灵敏系数提高1～2个数量级。