專(zhuān)利名稱(chēng)：：光子晶體光纖液位傳感器及其形成的傳感系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于液位測(cè)量，具體涉及光子晶體光纖液位傳感器及其組成的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：在工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常需要對(duì)液位進(jìn)行測(cè)量，傳統(tǒng)的檢測(cè)方法有人工法、浮子法、電學(xué)法等，但這些方法在自動(dòng)化、精密度、安全性等方面存在固有缺陷。光纖傳感器本質(zhì)安全、精密度高的特點(diǎn)，正好克服了傳統(tǒng)方法的缺陷。在眾多的光纖液位傳感器中，以光強(qiáng)度調(diào)制型的為主，有泄露模式的[1]、基于全內(nèi)反射的[2]-[5]、液面反射式等。但這些光纖液位傳感器也有明顯不足，有的受所測(cè)液體的理化性質(zhì)嚴(yán)重限制、有的量程小、有的精度不高、有的可靠性不夠干涉型的光纖傳感器具有更高的精度，而光纖法布里一珀羅(F-P)腔干涉儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，近年來(lái)也得到了廣泛研究。另外近來(lái)還出現(xiàn)了一些基于光纖光柵的液位傳感器[6],[7]。申請(qǐng)(專(zhuān)利)號(hào)CN200420102303.6“光纖法布里-泊羅腔液位傳感器”中利用被測(cè)液位變化對(duì)腔長(zhǎng)的影響進(jìn)行傳感。但是制作工藝復(fù)雜，不適合批量生產(chǎn)。近年來(lái)，光纖干涉?zhèn)鞲斜谎芯坑脕?lái)監(jiān)測(cè)溫度、壓力、氣體密度或折射率。在單模光纖中實(shí)現(xiàn)干涉的一種辦法是利用長(zhǎng)周期光柵[8]，另一種辦法是將光從單孔光纖耦合到多孔光纖[9]，還有一種辦法利用了光纖拉錐[10，11]。2008年，RajanJha提出用于絕對(duì)折射率測(cè)量的光子晶體光纖邁克爾遜干涉儀，他將大模場(chǎng)光子晶體光纖(LMA-8CrystalFiber)(圖la)和單模光纖(SMF-28)熔接，并將光子晶體光纖末端用光纖切割刀切割作為反射鏡面，干涉條紋會(huì)隨外部折射率的增加發(fā)生紅移，熔接后形成的塌陷區(qū)長(zhǎng)度約300μm，引入損耗5-9dB，損耗大小與塌陷區(qū)長(zhǎng)度以及熔接參數(shù)有關(guān)，塌陷區(qū)長(zhǎng)度越短損耗越小[12]。現(xiàn)有的光纖液位測(cè)量技術(shù)中，對(duì)于各種環(huán)境下液位感測(cè)是采用腐蝕后的光纖光柵或者拉錐光纖或者光纖錯(cuò)位熔接，不僅降低了光纖本身的機(jī)械強(qiáng)度，而且還存在溫度交叉敏感效應(yīng)，限制了它們的使用。利用光子晶體光纖邁克爾遜干涉儀來(lái)測(cè)量液位，可以解決以上問(wèn)題。需要參與干涉的纖芯模和包層模的模場(chǎng)強(qiáng)度比在液位為零時(shí)大于等于1，這樣隨著液位的增加，干涉條紋對(duì)比度才會(huì)單調(diào)減小，同時(shí)為了得到盡可能大的測(cè)量范圍，熔接時(shí)引入的損耗應(yīng)約為3dB。本專(zhuān)利使用SC-4.0(圖lb)和單模光纖(SMF-28)熔接，SC-4.0有小孔的包層部分較小，熔接后的塌陷區(qū)較短，等于65μπι，熔接過(guò)程引入的損耗為3dB。為了增強(qiáng)干涉信號(hào)，又為了防止鍍膜時(shí)銀進(jìn)入包層小孔，預(yù)先用光纖熔接機(jī)對(duì)末端放電，使空氣孔閉合后，在光子晶體光纖末端鍍上50nm的銀膜用來(lái)增強(qiáng)反射率。1、GiovanniBetta,AntonioPietrosanto,andAntonioScaglione,〃ADigitalLiquidLevelTransducerBasedonOpticalFiber,"IEEETRANSACTIONSONINSTRUMENTATIONANDMEASUREMENT,45(2),551-555(1996).2、PabitraNath,PranayeeDatta,andKanakChSarma,"Allfiber-opticsensorforliquidlevelmeasurement,“MICROWAVEANDOPTICALTECHNOLOGYLETTERS,50(7)，1982-1984(2008).3、PekkaRaatikainen,IvanKassamakov,RoumenKakanakovanMauriLuukkala,"Fiber-opticliquid-levelsensor,〃sensorsandactuatorsA,5893-97(1997).4、F.Perez-Ocon，Μ.Rubino,J.Μ.Abril,P.Casanova,J.A.Martnez,〃Fiber-opticliquid-levelcontinuousgauge,〃sensorsandactuatorsA,125，124-132(2006).5、ChengningYang,ShipingChen,GuoguangYang,"Fiberopticalliquidlevelsensorundercryogenicenvironment,〃sensorsandactuatorsA,94,69-75(2001).6、BinfengYun,NaChen,andYipingCui,"HighlySensitiveLiquid-LevelSensorBasedonEtchedFiberBraggGrating,“IEEEPHOTONICSTECHNOLOGYLETTERS,19(21)，1747-1749(2007).7>TuanGuo,QidaZhao,QingyingDou,HaoZhang,LifangXue,GuilingHuang,andXiaoyiDong,"Temperature-insensitivefiberBragggratingliquid-levelsensorbasedonbendingcantileverbeam,“IEEEPHOTONICSTECHNOLOGYLETTERS,17(11)，2400-2402(2005).8、H.J.Patrick,A.D.Kersey,andF.Bucholtz,"Analysisoftheresponseoflongperiodfibergratingstoexternalindexofrefraction,〃J.Lightw.Technol.，16(9),1606-1612(1998).9、L.Yuan,J.Yang,Z.Liu,andJ.Sun,〃In_fiberintegratedMichelsoninterferometer,"Opt.Lett.,31(18)，2692-2694(2006).10、Z.Tian,S.S.-H.Yam,J.Barnes,W.Bock,P.Greig,J.M.Fraser,H.P.Loock,andR.D.Oleschuk,"RefractiveindexsensingwithMach-Zehnderinterferometerbasedonconcatenatingtwosingle-modefibertapers,〃IEEEPhoton.Technol.Lett.,20(8)，626-628(2008).11、Z.Tian,S.S.-H.Yam,andH.P.Loock,"RefractiveindexsensorbasedonanabrupttaperMichelsoninterferometerinasinglemodefiber,"Opt.Lett.,vol.33，1105-1107(2008).12、RajanJha,JoelVillatoro,〃Ultrastableinreflectionphotoniccrystalfibermodalinterferometerforaccuraterefractiveindexsensing,〃APPLIEDPHYSICSLETTERS,vol.93,191106(2008)。
發(fā)明內(nèi)容—種光子晶體光纖液位傳感器，其特征在于包括單模光纖SMF-28與光子晶體光纖SC-4.0，所述的單模光纖SMF-28與光子晶體光纖SC-4.O的始端熔接，光子晶體光纖的始端包層空氣孔在熔接點(diǎn)閉合形成始端完全塌陷區(qū)域；所述的始端完全塌陷區(qū)域長(zhǎng)度等于65μm；光子晶體光纖的末端熔接形成末端塌陷區(qū)域；光子晶體光纖末端鍍有反射膜?？梢圆捎糜萌劢訖C(jī)對(duì)光子晶體光纖末端放電形成末端塌陷區(qū)域。作為一種優(yōu)化方式光子晶體光纖長(zhǎng)度為10_50mm。作為進(jìn)一步優(yōu)化方式光子晶體光纖長(zhǎng)度為20mm。作為進(jìn)一步優(yōu)化方式所述的反射膜為金屬銀膜，其厚度為50nm。作為進(jìn)一步優(yōu)化方式在光子晶體光纖液位傳感器外還設(shè)有保護(hù)套，距光子晶體光纖部分的保護(hù)套設(shè)有若干小孔。作為進(jìn)一步優(yōu)化方式所述的單模光纖與保護(hù)套之間還設(shè)有過(guò)渡緩沖套。一種光子晶體光纖液位傳感器形成的傳感系統(tǒng)，其特征在于包括1510-1590nmASE寬光源、單模光纖、環(huán)行器、光子晶體光纖傳感器、光譜分析儀和計(jì)算機(jī)；ASE寬光源接環(huán)行器F端口，環(huán)行器的G端口與上述的光子晶體光纖液位傳感器連接，環(huán)行器的H端口與光譜分析儀連接，光譜分析儀的數(shù)據(jù)讀入計(jì)算機(jī)；所述的光子晶體光纖液體傳感器被垂直置于液體中。一種光子晶體光纖液位傳感器的制做方法光子晶體光纖液位傳感器是將光子晶體光纖SC-4.0(圖lb)與普通單模光纖SMF-28用光纖熔接機(jī)熔接，在熔接點(diǎn)光子晶體光纖的包層空氣孔完全塌陷形成塌陷區(qū)域，此塌陷區(qū)域長(zhǎng)度等于65μm，引入纖芯損耗3dB，只有一半能量在光子晶體光纖纖芯中傳播，另一半未進(jìn)入纖芯的能量在包層中繼續(xù)傳播。因此塌陷區(qū)域在這里的作用相當(dāng)于耦合效率為3dB的耦合器，將在單模光纖纖芯中傳輸?shù)墓夥殖赡芰肯嗟鹊膬墒謩e在光子晶體光纖纖芯和包層中傳輸；在距離熔接點(diǎn)約10_50mm的光纖末端用光纖切割刀切斷，預(yù)先用光纖熔接機(jī)對(duì)末端放電使空氣孔閉合后在該端面上鍍上反射膜作為反射鏡。由單模光纖、熔接點(diǎn)、光子晶體光纖包層、光子晶體光纖纖芯、反射膜形成一個(gè)光纖邁克耳遜干涉儀。在該邁克耳遜干涉儀上，光子晶體光纖只有光纖纖芯和光纖包層，光子晶體光纖長(zhǎng)度為10-50mm，這就構(gòu)成了光子晶體光纖液位傳感器，利用光纖包層中傳輸?shù)墓饽芰繐p耗和光纖包層與光纖芯的光干涉條紋特征來(lái)測(cè)量被測(cè)液體液位。上述被測(cè)液體的折射率大于光子晶體光纖包層的折射率。本傳感器的傳感原理是利用光纖邁克耳遜干涉儀中的光纖包層光在光子晶體光纖和外部環(huán)境界面處的能量損耗和光干涉特性來(lái)測(cè)量液位的(1)單模光纖纖芯中傳輸?shù)墓獾竭_(dá)熔接點(diǎn)塌陷區(qū)域時(shí)被分為兩部分，一部分光繼續(xù)在光子晶體光纖纖芯中向前傳輸形成芯模，另一部分被耦合到光子晶體光纖包層中傳輸形成包層模。(2)當(dāng)光子晶體光纖被置于空氣中或水中或其他折射率小于光子晶體光纖包層折射率的液體中時(shí)，包層光在包層與外部環(huán)境的界面處發(fā)生全反射，由于光子晶體光纖長(zhǎng)度只有10-50mm，包層光能量可近似認(rèn)為不損耗。(3)當(dāng)光子晶體光纖一部分或全部被置于折射率大于光子晶體光纖包層折射率的液體(如食用色拉油)中時(shí)，包層光在包層與外部液體的界面處發(fā)生反射和折射，從而導(dǎo)致包層中光能量的衰減。(4)被衰減后的包層光和能量不變的纖芯光到達(dá)反射膜時(shí)分別反射回光子晶體光纖包層和纖芯并反向繼續(xù)傳輸。光纖包層光繼續(xù)產(chǎn)生反射和折射。被測(cè)液體液位越高被折射出去的能量越多。綜合(3)(4)，本發(fā)明測(cè)量對(duì)象為折射率大于光子晶體光纖包層折射率的液體液位。(5)反射回來(lái)的光纖包層和光纖纖芯的光再次到達(dá)熔接點(diǎn)時(shí)，光子晶體光纖纖芯的光和光子晶體光纖包層光發(fā)生干涉，該干涉光在單模光纖中傳輸。(6)在產(chǎn)生干涉的兩束光中，光子晶體光纖纖芯中的光不受外界液位的影響；但光子晶體光纖包層中的光因發(fā)生折射而使能量衰減，但其相位不發(fā)生變化。這樣就影響了干涉信號(hào)的條紋對(duì)比度。液位越高，包層中光能量衰減越多，條紋對(duì)比度就越小，它們之間的變化關(guān)系是確定的。(7)干涉信號(hào)通過(guò)環(huán)行器由光譜分析儀讀出。光譜分析儀的數(shù)據(jù)讀入計(jì)算機(jī)，計(jì)算出干涉條紋對(duì)比度，就可測(cè)量被測(cè)液體液位。熔接點(diǎn)塌陷區(qū)域分光耦合原理(如圖7)Z為光波傳輸距離，在Z=O處光波從單模光纖進(jìn)入光子晶體光纖的塌陷區(qū)，單模光纖的基模發(fā)生衍射，模場(chǎng)變寬，模場(chǎng)直徑MFD可由高斯光束近似估算。權(quán)利要求一種光子晶體光纖液位傳感器，其特征在于包括單模光纖SMF28與光子晶體光纖SC4.0，所述的單模光纖SMF28與光子晶體光纖SC4.0的始端熔接，光子晶體光纖的始端包層空氣孔在熔接點(diǎn)閉合形成始端完全塌陷區(qū)域；所述的始端完全塌陷區(qū)域長(zhǎng)度等于65μm；光子晶體光纖的末端熔接形成末端塌陷區(qū)域，光子晶體光纖末端鍍有反射膜。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光子晶體光纖液位傳感器，其特征在于光子晶體光纖長(zhǎng)度為10-50mm。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種光子晶體光纖液位傳感器，其特征在于光子晶體光纖長(zhǎng)度為20mm。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光子晶體光纖液位傳感器，其特征在于所述的反射膜為金屬銀膜，其厚度為50nm。5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的一種光子晶體光纖液位傳感器，其特征在于在光子晶體光纖液位傳感器外還設(shè)有保護(hù)套，距光子晶體光纖部分的保護(hù)套設(shè)有若干小孔。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種光子晶體光纖液位傳感器，其特征在于在所述的單模光纖與保護(hù)套之間還設(shè)有過(guò)渡緩沖套。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光子晶體光纖液位傳感器形成的傳感系統(tǒng)，其特征在于包括1510nm-1590nmASE寬光源、單模光纖、環(huán)行器、光子晶體光纖傳感器、光譜分析儀和計(jì)算機(jī)；ASE寬光源連接環(huán)行器F端口，環(huán)行器的G端口與光子晶體光纖液位傳感器連接，環(huán)行器的H端口與光譜分析儀連接，光譜分析儀的數(shù)據(jù)讀入計(jì)算機(jī)；所述的光子晶體光纖液體傳感器被垂直置于液體中。全文摘要本發(fā)明屬于液位測(cè)量，具體涉及光子晶體光纖液位傳感器及其組成的系統(tǒng)。一種光子晶體光纖液位傳感器，其特征在于包括單模光纖SMF-28與光子晶體光纖SC-4.0，所述的單模光纖SMF-28與光子晶體光纖SC-4.0的始端熔接，光子晶體光纖的始端包層空氣孔在熔接點(diǎn)閉合形成始端完全塌陷區(qū)域，所述的始端完全塌陷區(qū)域長(zhǎng)度等于65μm；用熔接機(jī)對(duì)光子晶體光纖末端放電形成末端塌陷區(qū)域，光子晶體光纖末端鍍有反射膜。整個(gè)傳感器完全光纖化，不需要腐蝕光纖，制作方便。傳感系統(tǒng)不受雜散光和溫度的影響，信號(hào)噪聲小，系統(tǒng)靈敏度高、可靠性好。文檔編號(hào)G02B6/255GK101957227SQ20101051813公開(kāi)日2011年1月26日申請(qǐng)日期2010年10月22日優(yōu)先權(quán)日2010年10月22日發(fā)明者柯煒,王婷婷,趙靜申請(qǐng)人:南京信息工程大學(xué)