一種光纖光柵腐蝕與液體折射率測(cè)試裝置及測(cè)試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種光纖布拉格光柵腐蝕與液體折射 率測(cè)試裝置。該裝置具備自動(dòng)溫度調(diào)節(jié)與補(bǔ)償功能，可用于制作微納光纖光柵折射率傳感 器，并實(shí)現(xiàn)對(duì)液體折射率和熱光系數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量。
【背景技術(shù)】
[0002] 伴隨光纖技術(shù)的發(fā)展，基于光纖光柵的新型光電子器件被廣泛應(yīng)用于光通信與傳 感領(lǐng)域，不僅拓展了現(xiàn)代通信器件的功能，而且在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用得到了前所未有的發(fā)展。 基于光纖光柵的傳感器由于自身的小型化、多功能化W及易于網(wǎng)絡(luò)化的特點(diǎn)，在傳感檢測(cè) 的各領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用，而且還具有潛在的發(fā)展空間。
[0003] 特別是微納光纖技術(shù)與光纖光柵傳感技術(shù)的有效結(jié)合，使光纖光柵應(yīng)用與液體折 射率的傳感檢測(cè)成為可能。普通的光纖光柵對(duì)環(huán)境折射率變化并不敏感，但當(dāng)其外徑尺寸 減小到幾微米甚至納米尺度時(shí)，就成為所謂的微納光纖光柵，它不僅結(jié)合了普通光纖光柵 的波長(zhǎng)選擇特性，還具備光傳輸時(shí)的強(qiáng)倏逝場(chǎng)特性，其反射譜的中屯、波長(zhǎng)與功率對(duì)外境環(huán) 境折射率的變化非常敏感，由于具有體積小、感測(cè)量準(zhǔn)確、可靠性高等原因，在生化領(lǐng)域被 用于物質(zhì)特性參數(shù)如濃度、糖度、折射率、含粒度等量的傳感測(cè)量，具有其它電學(xué)傳感器無 法比擬的優(yōu)勢(shì)。
[0004] 目前，微納光纖光柵的制作途徑有兩種；一種是先制作微納米直徑的光纖，然后采 用紫外光相位掩膜法或飛秒激光寫入法制作成微納光柵；另一種就先制作常規(guī)尺寸的光纖 光柵，然后利用氨氣酸腐蝕光纖光柵至微米直徑尺寸。相比之下，前者雖能保持微納光纖光 柵的強(qiáng)機(jī)械柔初性，但需要復(fù)雜、昂貴的微納光纖拉制系統(tǒng)。而后者雖然制作的微納光纖光 柵機(jī)械初性沒有前者高，但所需腐蝕裝置制作簡(jiǎn)單，能夠有效降低成本。因此，在非特殊需 求情況下，腐蝕方法在實(shí)驗(yàn)室研究中得到廣泛應(yīng)用，同時(shí)提出了多種制作微納光纖光柵的 腐蝕裝置與方法，并將微納光纖光柵用于液體折射率的傳感檢測(cè)，只不過由于加工和測(cè)量 過程持續(xù)時(shí)間不是太長(zhǎng)而忽略了溫度對(duì)腐蝕程度和液體折射率測(cè)量的影響問題。事實(shí)上， 無論是腐蝕過程還是測(cè)量過程，溫度的變化會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確度的，不同環(huán)境溫度條件下， 同種腐蝕液的腐蝕速率相差是比較大的，比如溫度對(duì)20%濃度HF的腐蝕速度的影響達(dá)到了 0. 02ym/min，而對(duì)液體折射率測(cè)量的影響可達(dá)到l(T3-l(r4RIU(折射率單位）/°C。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，在腐蝕和測(cè)量過程中保持環(huán)境溫度的恒定、有效 的控制腐蝕程度、解決光柵制作過程和液體折射率測(cè)量過程中光柵易斷問題、實(shí)現(xiàn)溫度的 調(diào)節(jié)與自動(dòng)控制，我們?cè)O(shè)計(jì)了此種光纖光柵腐蝕與液體折射率測(cè)量裝置，將光纖光柵腐蝕 裝置和液體折射率測(cè)量裝置集成為一體，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易操作、測(cè)量準(zhǔn)確和信噪比高的特 點(diǎn)。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種光纖光柵腐蝕與液體折射率 測(cè)試裝置，包括有支撐架和支撐架上的橫桿；橫桿上夾持有雙層管壁的工作容器；工作容 器的一側(cè)上端、下端的管內(nèi)壁和管外壁上均設(shè)有通孔a和通孔b，通孔a和通孔b內(nèi)設(shè)置柱 狀管a和柱狀管b;工作容器的另一側(cè)管外壁的上端、下端設(shè)有通孔C和通孔山通孔C和通 孔d內(nèi)分別設(shè)有柱狀管C和柱狀管d;工作容器的管內(nèi)壁與管外壁之間的空腔內(nèi)設(shè)有溫度 傳感器，溫度傳感器與可調(diào)恒溫水域控制器相連；柱狀管C通過保溫橡膠管a與可調(diào)恒溫水 域控制器相連，柱狀管d通過保溫橡膠管b與可調(diào)恒溫水域控制器相連；工作容器的上管口 與下管口分別接橡膠塞a和橡膠塞b;光纖光柵波長(zhǎng)檢測(cè)器與穿過工作容器內(nèi)管的光纖光 柵的一端相連。
[0007] -種光纖光柵腐蝕與液體折射率測(cè)試裝置的制造方法，包括W下步驟： 步驟1，制作工作容器，工作容器是本發(fā)明的核屯、部分，具體做法是： 首先，將管壁厚度均為3mm，內(nèi)經(jīng)分別為20mm和60mm的有機(jī)玻璃管裁取兩段長(zhǎng)度為 100mm的內(nèi)管與外管，將內(nèi)管置于外管中屯、，用厚度為3mm的有機(jī)玻璃封堵內(nèi)管口與外管 口，用環(huán)氧膠密封接口處，并將內(nèi)管的管口處理光滑； 其次，在制作好的雙層管一側(cè)設(shè)有穿透內(nèi)外管壁的通孔a和通孔b，另一側(cè)設(shè)有只穿透 外管壁的通孔C和通孔d，在封堵雙層管兩端的有機(jī)玻璃片上開設(shè)直徑孔； 將柱狀管a和柱狀管b分別插入內(nèi)外管壁均開的通孔a和通孔b內(nèi)；將柱狀管C和柱 狀管d分別插入只在外管壁開的通孔C和通孔d內(nèi)，并用環(huán)氧膠密封柱狀管a、柱狀管b、柱 狀管C、柱狀管d與內(nèi)外管壁的所有接縫； 最后，用聚醋型熱烙膠封堵柱狀管a、柱狀管b的柱狀接口，完成工作容器的制作。
[0008] -種光纖光柵的腐蝕和液體折射率的測(cè)量方法，包括W下步驟： 第一步，將清洗干凈的光纖光柵的尾纖穿過工作容器的內(nèi)管，讓光纖光柵的柵區(qū)基本 處于內(nèi)管的中央，將光纖光柵兩端尾纖分別用兩個(gè)由聚醋型材料制作的橡膠塞a和橡膠塞 b夾住，先封堵工作容器內(nèi)管一端，再封堵工作容器內(nèi)管另一端，在封堵的同時(shí)向外拉動(dòng)光 纖使管內(nèi)的光纖光柵保持平直，將尾纖與光纖光柵波長(zhǎng)檢測(cè)器連接； 第二步，將工作容器豎直固于支撐架上，光纖光柵尾纖的一端與光纖光柵波長(zhǎng)檢測(cè)器 連接，溫度探測(cè)器與可調(diào)恒溫水域控制器的溫度探測(cè)端連接，工作容器的上下端接口分別 與可調(diào)恒溫水域控制器的輸出輸入端連接，構(gòu)成水循環(huán)，調(diào)控內(nèi)管的溫度； 第=步，用注射器取四氯化碳溶液注入工作容器內(nèi)管，讓液面達(dá)到光纖光柵準(zhǔn)備腐蝕 區(qū)域的下限位置；再另取氨氣酸注入工作容器內(nèi)管，讓氨氣酸的液面達(dá)到光纖光柵準(zhǔn)備腐 蝕區(qū)域的上限位置，即通過注入腐蝕液的多少控制腐蝕區(qū)域的長(zhǎng)度；最后通過工作容器的 上端接口給內(nèi)管注入少量液態(tài)石蠟，阻止腐蝕液在液體表面張力作用下向上運(yùn)動(dòng)； 第四步，開啟光纖光柵波長(zhǎng)檢測(cè)器，監(jiān)測(cè)光纖光柵的反射波長(zhǎng)的變化，通過已有的腐蝕 程度或腐蝕時(shí)間與波長(zhǎng)漂移量的關(guān)系，確定腐蝕停止時(shí)刻，一旦達(dá)到要求，即刻用注射器抽 空工作容器內(nèi)層管內(nèi)部的全部液體，進(jìn)行酸堿中和清洗即可成為所需的微納光纖光柵； 第五步，用注射器吸取待測(cè)液體并由工作容器端口充入其內(nèi)管，調(diào)節(jié)可調(diào)恒溫水域控 制器的溫度至所需溫度，設(shè)定恒溫保持功能，觀察光纖光柵波長(zhǎng)檢測(cè)器，待波長(zhǎng)漂移穩(wěn)定 后，記錄光纖光柵波長(zhǎng)漂移量，根據(jù)已有波長(zhǎng)漂移量與環(huán)境折射率的定標(biāo)關(guān)系可推算出液 體折射率。
[0009] 本發(fā)明的有益效果是； 本發(fā)明具備不同溫度液體折射率測(cè)試功能，可應(yīng)用于液體熱光系數(shù)的測(cè)量。若將工作 容器的與內(nèi)管內(nèi)部空間相通的接口與外界待測(cè)液體相通，讓待測(cè)液體從一接口進(jìn)另一接口 出，構(gòu)成循環(huán)，便可實(shí)現(xiàn)待測(cè)液體的實(shí)時(shí)在線測(cè)量。
[0010] 本發(fā)明的裝置兼?zhèn)涔饫w光柵腐蝕和液體折射率測(cè)量功能，具有溫度調(diào)節(jié)、恒溫控 制和光纖光柵保護(hù)功能。
[0011] 腐蝕過程中，通過先注入四氯化碳，再注入腐蝕液，最后注入液態(tài)石蠟，并根據(jù)注 入的四氯化碳和腐蝕液的多少實(shí)現(xiàn)光纖光柵腐蝕位置和腐蝕長(zhǎng)度的確定。
[0012] 本發(fā)明通過在工作容器內(nèi)注S種不同液體，控制注入腐蝕液的量，實(shí)現(xiàn)了光纖光 柵的腐蝕長(zhǎng)度與腐蝕位置的控制，具備局部定位腐蝕功能，同時(shí)兼?zhèn)洳煌瑴囟纫后w折射率 測(cè)量功能，將光纖光柵腐蝕裝置與液體折射率