[发明专利]一种光子晶体光纤温度传感探头及其测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及光子晶体光纤传感器件领域，尤其涉及一种光子晶体光纤温度传感探头及其测量系统。

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一场革命。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时，光纤的导光特性会发生改变，从而可以通过测量光信号强度的变化有效的获得外界温度信息。

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强度，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、光源和探测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测。

发明内容

本发明提供了一种光子晶体光纤温度传感探头及其测量系统，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：

一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。

采用毛细现象或真空抽压的方法将所述氯仿、甲苯和乙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。

一种光路测量系统，所述光路测量系统包括：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，下端口耦合输出，所述功率计探测输出光信号的强度。

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，使得光源和探测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。

附图说明

图1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-乙醇体积比为9:1时，0℃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-乙醇体积比为9:1时，15℃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-乙醇体积比为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-乙醇体积比为9:1时，温度从4℃升高到15℃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一阶线性拟合曲线；