[发明专利]一种基于液体填充空芯环状光纤光栅的温度传感方法

说明书

一种基于液体填充空芯环状光纤光栅的温度传感方法。空芯环状光纤的上半环上刻制长周期光纤光栅，此非对称长周期光纤光栅将入射线偏振基模HE_11x转化为TE₀₁模式和HE_21x模式。输入的HE_11x模式由于光能量损耗，在其透射光谱中形成谐振谷，谐振谷的中心波长为谐振波长。在空芯环状光纤的空芯中填充具有高热光系数的折射率匹配液，环境温度变化时，折射率匹配液的折射率值发生改变，引起光栅谐振波长位置改变。温度传感系统由宽谱光源，输入单模光纤，保偏光纤，空芯环状光纤光栅，输出单模光纤和光谱分析仪组成。随温度升高，光栅谐振波长线性增大。该方法测量具有稳定性好、灵敏度高等优点。

技术领域

本发明属于传感器技术领域，涉及一种基于液体填充空芯环状光纤光栅的温度传感方法。

背景技术

由于其体积小，高灵敏度，不受电磁干扰，耐化学腐蚀等优点，光纤温度传感器的研究越来越受学者们关注。目前，已有报道多种光纤温度传感器，例如光纤光栅温度传感器，侧边抛磨光纤温度传感器，光纤荧光温度传感器，光纤环温度传感器，光纤干涉仪温度传感器等。普通光纤传感器的温度测量灵敏度较低，因为其温度传感机理主要依赖于二氧化硅材料的热光特性，而二氧化硅材料的热光系数较低。近年来，许多学者报道了将光纤与具有高热光系数的材料结合的方法来提高光纤温度传感器的灵敏度。光纤与高热光系数材料结合的温度传感器可以分为两大类：一类是将光纤结构密封在具有高热光系数的材料中，另一种将高热光系数的材料填充到具有微孔结构的特殊光纤中。对于材料封装型光纤温度传感器，例如酒精封装的微光纤锥和液体封装的S形锥，材料的热光效应和热膨胀效应使得光纤结构对温度变化非常敏感，酒精封装的微光纤锥和液体封装的S形锥的温度测量灵敏度分别高达-3.88nm/℃和-1.403nm/℃。然而，为了获得较高的温度测量灵敏度，通常采用细长的光纤锥结构，这将降低传感器的机械性能和使用寿命。将高热光系数的材料填充到具有微孔结构的特殊光纤中由于具有其极高的温度测量灵敏度，引起学者们的极大研究兴趣。Erick Reyes-vera等提出一种将全光纤Sagnac环干涉仪与铟填充的侧孔光子晶体光纤结合的结构，其温度灵敏度可达-9.0nm/℃。然而Sagnac环结构的测量系统具有较复杂的结构，使得其测量系统的稳定性较差。由此可知，结构紧凑、机械性能好、稳定性好且灵敏度高是目前光纤温度传感器的发展方向。

发明内容

本发明的目的是克服上述锥形光纤结构温度传感器机械性能和使用寿命、环类光纤温度传感器测量系统的稳定性较差的缺点，提出一种基于液体填充空芯环状光纤光栅的高灵敏度温度传感方法，其具有结构紧凑、机械性能好、稳定性好、灵敏度高等优点。

具体技术方案为：

一种基于液体填充空芯环状光纤光栅的温度传感方法，包括如下步骤：

步骤1：通过化学气相沉积法和光纤拉制制得空芯环状光纤；该空芯环状光纤的环芯内径a₁为0.5～1.5μm，环芯外径a₂为2.5～3.5μm，包层半径a₃为50～65μm，高折射率环折射率n₂为1.468～1.469，包层折射率n₃为1.44～1.446；该空芯环状光纤支持六个以上矢量模式，即至少包括前六阶矢量模式HE_11x、HE_11y、HE_21x、HE_21y、TE₀₁和TM₀₁；

步骤2：将不透光液体填充于空芯环状光纤，并进行单侧紫外曝光，使该空芯环状光纤的上半环刻制有非对称光栅；光栅周期Λ为150～300μm，光栅周期个数N为25～60；折射率调制值Δn为2.6×10^-4～3.2×10^-4，由于非对称光纤光栅打破了光纤结构的圆对称性，可实现环内角向非同阶模式之间的转换；