[发明专利]混合式蓝宝石晶体双法珀腔光纤折射率传感器及测量方法

说明书

本发明公开了一种混合式蓝宝石晶体双法珀腔光纤折射率传感器及测量方法，该传感器包括蓝宝石实心晶片(1)、蓝宝石C型环(2)、蓝宝石反射镜(3)、蓝宝石插芯(4)以及构成高温区和常温区光信号传输波导的蓝宝石‑石英光纤；所述蓝宝石实心晶片(1)、所述蓝宝石C型环(2)和所述蓝宝石反射镜(3)同轴并且沿中心轴对齐、贴紧设置，所述蓝宝石实心晶片(1)再与所述蓝宝石插芯(4)的水平截面对齐、贴紧固定；所述蓝宝石实心晶片(1)和所述蓝宝石C型环(2)构成混合双法珀干涉腔。与现有技术相比，本发明极大地提高了混合式法珀传感器高温耐受度，具有极高的温度折射率测量灵敏度，可实现极端环境下温度折射率双参量的准确测量。

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别是涉及一种用于高温折射率测量的双蓝宝石晶体法珀腔光纤传感器及温度-折射率测量方法。

背景技术

随着生化工业、金属冶炼、新材料制备等工业领域的飞速发展，对极端条件下的高温-折射率监测技术提出了更高的要求。传统的电气传感器在导电、易燃、易爆和腐蚀性强的恶劣环境下不能满足测量要求。

光纤高温折射率传感技术以其耐氧化、高精度、抗电磁干扰等特性，在高温折射率监测领域中发挥着重要作用。近年来已经提出了多种类型的光纤传感器来实现极高温度900℃以上测量，如基于蓝宝石结晶化光纤的本征式法珀传感器、基于马赫曾德干涉仪的光纤本征传感器、基于蓝宝石晶体的混合式法珀腔光纤传感器等。1)蓝宝石掺杂石英光纤传感器仍然无法摆脱硅基光纤在高温下功能退化的弊端，只能用于1000℃以下的高温环境测。2)光纤线性马赫曾德干涉仪基于马赫曾德干涉原理在光纤内部构造微型干涉仪，具有很好的测温精度，但是由于加工复杂性，仍然受限于石英光纤及衍生的硅基光纤，测温范围受限，只能用于1000℃以下温度监测。3)基于蓝宝石材料的混合式蓝宝石晶体法珀腔光纤传感器具有极宽的测量范围，可根据要求灵活设计，采用传统研磨工艺、激光切割工艺制作，可批量生产、成本较低，因此具有广泛的应用范围。但是，由于蓝宝石光纤采用晶体生长方式制作，在长度上受限，国际上一般是通过蓝宝石光纤与石英光纤熔接的方式来实现远距离传感，即高温区使用蓝宝石光纤，常温区使用石英光纤加长传输距离。在异质光纤耦合过程中，尽管可以通过控制光纤端面研磨精细度尽可能的提高耦合效率，但是不可避免的会引入一个光纤截面的背景反射光叠加在传感器总的干涉信号里，从而降低了传感器的信号质量。且传感器反射信号强度受外界待测折射率直接影响，当折射率参数接近蓝宝石本身折射率时信号衰弱明显，必须通过压缩蓝宝石C型环内腔的腔长来实现尽可能高的信号强度。由于腔长长度与传感器测量灵敏度成正比关系，腔长的减少意味着灵敏度的降低，因而通过对待测介质折射率范围优化设计传感器腔长长度及结构才能够保证满足测量灵敏度要求的同时具有尽可能高的信号强度。

发明内容

针对传统光纤温度-折射率传感器在极端条件下无法使用的情况，本发明提出一种混合式蓝宝石晶体双法珀腔光纤折射率传感器及测量方法，通过实心蓝宝石腔与蓝宝石C型环的空腔串联构成混合式双法珀腔干涉仪，分别实现测量环境温度和折射率。

本发明的一种混合式蓝宝石晶体双法珀腔光纤折射率测量传感器，该传感器包括蓝宝石实心晶片1、蓝宝石C型环2、蓝宝石反射镜3、蓝宝石插芯4以及构成高温区和常温区光信号传输波导的蓝宝石-石英光纤；其中：

所述蓝宝石实心晶片1、所述蓝宝石C型环2和所述蓝宝石反射镜3同轴并且沿中心轴对齐、贴紧设置，所述蓝宝石实心晶片1再与所述蓝宝石插芯4的水平截面对齐、贴紧固定；

所述蓝宝石实心晶片1和所述蓝宝石C型环2构成混合双法珀干涉腔；

所述蓝宝石-石英光纤由蓝宝石光纤6和所述石英光纤7通过端面间的异质光纤熔接点8熔接而形成，从所述蓝宝石光纤6一端插入所述蓝宝石插芯4的中孔，在蓝宝石光纤6与混合双法珀干涉腔之间传感信号最佳处使用高温陶瓷胶5固定。

本发明的利用一种混合式蓝宝石晶体双法珀腔光纤折射率测量传感器的测量方法，该方法包括以下步骤：