专利名称：一种基于光纤的折射率传感器及测量方法
技术领域：
本发明涉及光纤光学领域，尤其涉及一种基于光纤的折射率传感器及测量方法。
背景技术：
根据液体折射率的变化，可获知液体浓度或成分的变化，所以测量液体的折射率就成为探知液体的一种重要手段。光纤折射率传感器是一种以光纤为媒介测量液体折射率的传感器，具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、电绝缘性好、灵敏度高等优点。现有的大多数基于光纤的折射率传感器利用导模耦合的原理来测量液体折射率， 这就使得此种折射率传感器仅适用于测量折射率低于传感光纤的折射率的液体，而无法测量高浓度蔗糖溶液、甘油、光纤匹配液等自身折射率高于传感光纤折射率的液体。虽然部分基于光纤光栅的传感器能够用于测量高折射率液体，但是这种传感器必须使用特种光敏光纤，且光刻工艺复杂，因而增加了测试高折射率液体的成本。所以，目前还没有一种工艺简单且成本低的传感器和方法能够用于测量高折射率液体的折射率。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于光纤的折射率传感器及测量方法，以解决目前测量折射率高于光纤的液体的折射率成本高的问题。一种基于光纤的折射率传感器，用于测量折射率高于所述光纤折射率的液体的折射率，包括接收测试光的第一单模光纤；与所述第一单模光纤连接的，接收所述第一单模光纤输出的测试光的，去除涂敷层和包层且具有特定长度的多模光纤，所述特定长度为当所述测试光向所述多模光纤耦合时，使得若干被激起的漏模在所述多模光纤输出端面处相干相加的长度；与所述多模光纤连接的，接收所述多模光纤输出的测试光，并将其输出的第二单模光纤。优选地，所述第一单模光纤与所述多模光纤为无偏心连接，所述多模光纤与所述第二单模光纤为无偏心连接。优选地，所述多模光纤包括多模通信光纤。优选地，所述第一单模光纤和第二单模光纤分别包括单模通信光纤。优选地，所述第一单模光纤和第二单模光纤的参数相同。优选地，所述第一单模光纤和第二单模光纤的参数不同。一种基于光纤的折射率测量方法，用于上述传感器，包括测量由第一单模光纤进入的，经浸入所述液体中的特定长度的多模光纤传播且从第二单模光纤输出的测试光的功率损耗，所述特定长度为当所述测试光向所述多模光纤耦合时，使得若干被激起的漏模在所述多模光纤输出端面处相干相加的长度；参考预设的功率损耗与折射率间的对应关系，依据所述测试光的功率损耗，确定所述液体的折射率。优选地，所述测试光包括与所述单模光纤和所述多模光纤波长参数匹配的激光。本发明实施例提供的基于光纤的测量高折射率液体的折射率传感器及方法，摒弃了传统的基于导模耦合的测量原理，使用基于漏模模间干涉的方法。将多模光纤的长度设定为能够使测试光在其中激起的漏模发生相干相加的长度，通过测量依次经由第一单模光纤、多模光纤、第二单模光纤传播的测试光的功率损耗，确定待测液体的折射率，从而打破了普通光纤不能测量高折射率液体的折射率的限制，并且，本发明实施例所公开的传感器， 仅需要使用普通光纤进行简单的连接就可实现对折射率的准确测量，因此降低了测量高折射率液体的成本。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本发明实施例公开的一种基于光纤的折射率传感器的结构示意图；图2为本发明实施例公开的一种基于光纤的折射率测试方法中测试光输出功率损耗随被测液体的折射率变化的曲线图；图3为本发明实施例公开的一种基于光纤的折射率测试方法流程图。
具体实施例方式本发明提供了一种基于光纤的折射率传感器，所述传感器采用普通光纤通过简单的预处理与简单连接即可实现。同时与所述传感器对应的，本发明还提供了一种基于光纤的折射率测试方法，用于所述传感器，当液体的折射率高于所述光纤的折射率时，适用所述传感器及方法测量其折射率。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明公开了一种基于光纤的折射率传感器，用于测量折射率高于所述光纤折射率的液体的折射率，如图1所示，包括接收测试光的第一单模光纤101 ；与所述第一单模光纤连接的，接收所述第一单模光纤输出的测试光的，预先去除包层与涂敷层的，且具有特定长度的多模光纤102，所述特定长度为当所述测试光向所述多模光纤耦合时，使得若干被激起的漏模在所述多模光纤输出端面处相干相加的长度；与所述多模光纤连接的，接收所述多模光纤输出的测试光，并将其输出的第二单模光纤103。其中，所述多模光纤可以使用纤芯直径为105μπι，纤芯折射率为1.45的多模光纤，剥掉其涂敷层并使用氢氟酸去除其包层。这里的纤芯直径和折射率为优选设定，但并不限于所述固定值。所述第一单模光纤与所述多模光纤为无偏心连接，所述多模光纤与所述第二单模光纤为无偏心连接。上述的连接方式可以为熔接或者能将三段光纤连接的其他方式。所述折射率传感器的功能实现原理如下第一单模光纤和第二单模光纤为普通单模光纤，两者都支持最低阶导模；测量时浸入被测高折射率液体中的多模光纤与所述液体组成波导结构，此波导结构支持离散的漏模。将第一单模光纤的电场设为云, ，将多模光纤的漏模电场定义为云 ，传播常数定义为旦-竹^^其中！！！为模式阶数，实部β _ 代表该阶漏模沿光纤轴向的相位特性，虚部CIm则代表其沿光纤轴向的损耗特性。当第一单模光纤与多模光纤无偏心对接后，由第一单模光纤进入且经其传输后的测试光向多模光纤耦合，激励起若干漏模，且不同阶漏模耦合的能量由激励系数nm决定， 为
权利要求
1.一种基于光纤的折射率传感器，用于测量折射率高于所述光纤折射率的液体的折射率，其特征在于，包括接收测试光的第一单模光纤；与所述第一单模光纤连接的，接收所述第一单模光纤输出的测试光的，去除涂敷层和包层且具有特定长度的多模光纤，所述特定长度为当所述测试光向所述多模光纤耦合时， 使得若干被激起的漏模在所述多模光纤输出端面处相干相加的长度；与所述多模光纤连接的，接收所述多模光纤输出的测试光，并将其输出的第二单模光纤。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一单模光纤与所述多模光纤为无偏心连接，所述多模光纤与所述第二单模光纤为无偏心连接。
3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述多模光纤包括 多模通信光纤。
4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一单模光纤和第二单模光纤分别包括单模通信光纤。
5.根据权利要求1至4任一项所述的传感器，其特征在于，所述第一单模光纤和第二单模光纤的参数相同。
6.根据权利要求1至4任一项所述的传感器，其特征在于，所述第一单模光纤和第二单模光纤的参数不同。
7.一种基于光纤的折射率测量方法，其特征在于，用于权利要求1所述的传感器，包括测量由第一单模光纤进入的，经浸入所述液体中的特定长度的多模光纤传播且从第二单模光纤输出的测试光的功率损耗，所述特定长度为当所述测试光向所述多模光纤耦合时，使得若干被激起的漏模在所述多模光纤输出端面处相干相加的长度；参考预设的功率损耗与折射率间的对应关系，依据所述测试光的功率损耗，确定所述液体的折射率。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述测试光包括 与所述单模光纤和所述多模光纤波长参数匹配的激光。
全文摘要
本发明公开了一种基于光纤的折射率传感器及用于所述传感器的折射率测量方法，所述传感器包括接收测试光的第一单模光纤、与第一单模光纤连接的，接收第一单模光纤输出的测试光的，去除涂敷层和包层且具有特定长度的多模光纤，所述特定长度为当测试光向多模光纤耦合时，使得若干被激起的漏模在所述多模光纤输出端面处相干相加的长度；与多模光纤连接的，接收多模光纤输出的测试光，并将其输出的第二单模光纤；所述方法基于以上结构，测量由第一单模光纤进入的，经浸入液体中的多模光纤传播且从第二单模光纤输出的测试光的功率损耗，参考预设的功率损耗与折射率间的对应关系，依据测得的功率损耗，确定液体的折射率，降低了测量高折射率液体的成本。
文档编号G01N21/41GK102507497SQ20111033229
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月27日 优先权日2011年10月27日
发明者杨利, 薛林林, 钱景仁 申请人:中国科学技术大学