溶液折射率检测的光纤传感检测装置及折射率检测方法与流程

本发明涉及一种光纤传感领域，具体涉及一种溶液折射率检测的光纤传感检测装置及折射率检测方法。

背景技术：

近年来，光纤传感器因具其灵活性强、制造方便、抗电磁干扰，耐高温，能适应苛刻的环境等优点，被广泛地应用于物理、生物、化学等领域。因为其独有的优势，光纤传感器已广泛应用于物理参数的测量领域。例如折射率、应变、温度、湿度、曲率等。在上述参数中，折射率、应变和温度是诸多生活应用中的重要参数。到目前为止，人们已提出了许多测量应变、温度和折射率的光纤传感结构。2008年，田兆兵等人提出了一种双锥形单模光纤马赫-曾德尔干涉仪。它具有制作简单、成本低等优点。测量灵敏度的折射率较低。在折射率为1.315-1.3618的范围内，折射率灵敏度仅为17.1nm/riu；2012年，刘奇提出用化学腐蚀法制作了锥形光子晶体光纤马赫-曾德尔干涉仪，灵敏度为199nm/riu。但在制作工艺复杂且机械强度低；2013年，邵敏等人设计了一种基于多模光纤芯夹在两根腰大的光纤锥之间的马赫曾德尔干涉仪，用于测量折射率传感。但却存在严重的温度交叉敏感；2018年，张娜等人提出了一种多参量的微型光纤折射率传感器，折射率灵敏度为131.93nm/riu。但是该传感器的机械强度较低且存在与温度的交叉敏感。在综上所述的研究中，现有传感技术有的传感器制作复杂，有的折射率灵敏度较低，有的折射率检测范围较小，均限制了光纤传感器的应用。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种成本低廉，结构简单，折射率灵敏度高，折射率检测范围较大的溶液折射率检测的光纤传感检测装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种溶液折射率检测的光纤传感检测装置，包括宽带光源装置、光纤折射率传感器和光谱分析仪，光纤折射率传感器包括薄芯光纤、无芯光纤和两根单模光纤，薄芯光纤的纤芯直径小于单模光纤的纤芯直径，薄芯光纤的一端与无芯光纤的一端熔接在一起，其中一根单模光纤的一端与薄芯光纤且远离无芯光纤的一端熔接，另一端接入宽带光源装置的输出端，另外一根单模光纤的一端与无芯光纤且远离薄芯光纤的一端熔接，另一端连接在光谱分析仪的输入端，薄芯光纤与无芯光纤呈直线状态。

作为优化，所述光纤折射率传感器且位于所述薄芯光纤和所述无芯光纤处设置有光纤固定装置，光纤固定装置包括固定底座，固定底座的上表面相隔且固定连接有两个同中心线设置的固定环，固定环的中心线呈水平设置，所述光纤折射率传感器穿过于两个固定环，所述薄芯光纤、所述无芯光纤以及所述薄芯光纤和所述无芯光纤分别与所述单模光纤的熔接处均位于两个固定环之间的位置，固定底座且位于沿两个固定环相背方向的外侧分别设置有光纤支架，光纤支架的顶部相对设置有两个位于同一水平方向上的u形支架，u形支架所在平面相互平行设置，u形支架的水平高度高于固定环的水平高度，u形支架的底部固定连接有支杆且通过支杆固定在其所在光纤支架上，两根所述单模光纤分别穿过于在其所在一侧的两个u形支架内部且其纤身置于在u形支架的内底面上，所述单模光纤且位于同一侧的两个u形支架之间的纤身上挂接有配重块以能够对所述薄芯光纤和所述无芯光纤进行拉直提供拉力。

本发明还公开了一种溶液折射率的检测方法，包括以下步骤：

(1)获取上述的溶液折射率检测的光纤传感检测装置，并配置多个不同折射率的溶液；

(2)将光纤折射率传感器置于其中一个折射率的溶液中，在将光纤折射率传感器置于溶液中时，光纤折射率传感器中的薄芯光纤、无芯光纤以及薄芯光纤和无芯光纤分别与单模光纤的熔接处均处于溶液内，并且使薄芯光纤与无芯光纤呈直线状态，打开宽带光源装置后记录光谱分析仪上的透射光谱；

(3)重复步骤(2)对所有的溶液进行检测并记录其透射光谱，选取各透射光谱中同一段中的干涉波谷，并通过线性拟合得到y＝a+bx，即x＝(y-a)/b,其中y为透射光谱中选取波谷对应的中心波长，a为折射率趋近于0时对应波谷的中心波长，b为折射率的灵敏度，x为折射率；

(4)获取未知折射率溶液，将光纤折射率传感器置于未知折射率溶液中，光纤折射率传感器中的薄芯光纤、无芯光纤以及薄芯光纤和无芯光纤分别与单模光纤的熔接处均处于未知折射率溶液内，并且使薄芯光纤和无芯光纤的中心线位于同一直线上，打开宽带光源装置后记录光谱分析仪上的透射光谱，选取与步骤(2)中透射光谱同一段相应的波谷，获得其对用的中心波长值，代入公式x＝(y-a)/b得到溶液的折射率。

作为优化，获取上述的所述光纤固定装置和两个所述光纤支架，在步骤(2)和步骤(4)中，在获取溶液的透射光谱图时，先将所述光纤折射率传感器穿过两个所述固定环，使所述薄芯光纤、所述无芯光纤以及所述薄芯光纤和所述无芯光纤分别与所述单模光纤的熔接处均位于两个所述固定环之间，然后将所述固定底座放置于所述溶液中，接着将两个所述光纤支架分别对应架设在所述溶液外的两根所述单模光纤处，所述单模光纤的纤身置于在对应一侧的两个u形支架的内底面上，之后将所述配重块挂接在所述单模光纤且位于同一侧的两个所述u形支架之间的纤身上，利用配重块的重力使所述薄芯光纤和所述无芯光纤处于拉直状态，最后打开所述宽带光源装置后记录所述光谱分析仪上的透射光谱。

综上所述，本发明的有益效果在于：本发明中的光纤传感检测装置结构简单，成本低廉，对溶液检测得到的折射率灵敏度高，折射率检测范围较大。

附图说明

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明中光纤折射率传感器的熔接结构示意图；

图2为本发明实施例中9.5cm长度的薄芯光纤与8.5cm长度的无芯光纤组合模式下溶液的透射光谱图；

图3为本发明实施例中8.5cm长度的薄芯光纤与9.5cm长度的无芯光纤组合模式下溶液的透射光谱图；

图4为本发明实施例中8.5cm长度的薄芯光纤与8.5cm长度的无芯光纤组合模式下溶液的透射光谱图；

图5为本发明实施例中光纤折射率传感器在折射率为1.3331、1.3377、1.3424和1.3470溶液中的相应波谷的透射光谱图；

图6为本发明实施例中光纤折射率传感器在折射率为1.3516、1.3562、1.3609和1.3655溶液中的相应波谷的透射光谱图；

图7为本发明实施例中光纤折射率传感器在折射率为1.3701、1.3747和1.3794溶液中的相应波谷的透射光谱图；

图8为本发明实施例中光纤折射率传感器在温度为15℃、25℃、35℃和45℃溶液中的透射光谱图；

图9为本发明实施例中光纤折射率传感器在温度为55℃、65℃、75℃和85℃溶液中的透射光谱图；

图10为本发明实施例中光纤折射率传感器在相同折射率下的氯化钠溶液、酒精、蔗糖溶液和甘油的透射光谱图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本具体实施方式中的溶液折射率检测的光纤传感检测装置，包括宽带光源装置、光纤折射率传感器和光谱分析仪，光纤折射率传感器包括薄芯光纤2、无芯光纤3和两根单模光纤1，薄芯光纤2的纤芯直径小于单模光纤1的纤芯直径，薄芯光纤2的一端与无芯光纤3的一端熔接在一起，其中一根单模光纤1的一端与薄芯光纤2且远离无芯光纤3的一端熔接，另一端接入宽带光源装置的输出端，另外一根单模光纤1的一端与无芯光纤3且远离薄芯光纤2的一端熔接，另一端连接在光谱分析仪的输入端，薄芯光纤2与无芯光纤3呈直线状态。

本具体实施方式中，所述光纤折射率传感器且位于所述薄芯光纤和所述无芯光纤处设置有光纤固定装置，光纤固定装置包括固定底座，固定底座的上表面相隔且固定连接有两个同中心线设置的固定环，固定环的中心线呈水平设置，所述光纤折射率传感器穿过于两个固定环，所述薄芯光纤、所述无芯光纤以及所述薄芯光纤和所述无芯光纤分别与所述单模光纤的熔接处均位于两个固定环之间的位置，固定底座且位于沿两个固定环相背方向的外侧分别设置有光纤支架，光纤支架的顶部相对设置有两个位于同一水平方向上的u形支架，u形支架所在平面相互平行设置，u形支架的水平高度高于固定环的水平高度，u形支架的底部固定连接有支杆且通过支杆固定在其所在光纤支架上，两根所述单模光纤分别穿过于在其所在一侧的两个u形支架内部且其纤身置于在u形支架的内底面上，所述单模光纤且位于同一侧的两个u形支架之间的纤身上挂接有配重块以能够对所述薄芯光纤和所述无芯光纤进行拉直提供拉力。

传感头由三部分组成，由单模光纤、薄芯光纤和无芯光纤熔接而成，假设只考虑核心模态和其中一种主包层模态，则可表示如下

其中icore为光在纤芯传播强度；为光在包层传播强度。φ^k为光在纤芯和包层传播的相位差

其中l为传感器响应长度，考虑到φ^k＝(2k+1)π，根据公式(2)可以推导出

假设随δneff变化而变化，峰值波长nth衰减倾角表示为

fsr的马赫曾德的干涉自由光谱范围如下式所示

当周围折射率改变时，纤芯有效折射率保持不变。而包层有效折射率改变，相位差便会改变，从而导致特征峰的波长发生位移。那么通过测量波长位移，便可以确定周围折射的变化。

对于传感器的温度测量，由于热膨胀响应和热效应，有效折射率和传感器响应长度l都是温度函数的自变量。温度变化和波长关系表示为

其中为热光系数，即为ξ；为热膨胀系数，即为αf。因此公式(6)简化为

不同长度的薄芯光纤和无芯光纤组合模式的传感光纤结构的透射光谱如图1至图3所示，从图1至图3可以看出，自由光谱范围随着干涉臂长度的增加而减小，而消光比则与干涉臂长度成反比。这种结构与理论公式(3)和(5)相吻合。同时，根据公式(2)可以推测传感器的灵敏度主要基于传感器的有效长度和传输模式的消逝情况有关。一般传感器的长度越长，消逝波中包层模式的级数越高，则传感器的灵敏度就越高。在本实施例中，选用薄芯光纤和无芯光纤均为8.5cm所组合的光纤结构。

对于液体折射率特性探究，首先将室温设定在28℃，并控制温度稳定。保证薄芯光纤和无芯光纤一直处于直线放置状态，消除弯曲损耗。通过改变溶液的折射率值，记录干涉波长的漂移情况，如图4至图6所示，以便分析其传感特性。选取波长为1543nm附近的干涉波谷，实现折射率的测量。折射率液用不同浓度的氯化钠溶液配置而成，溶液的折射率值由1.3331到1.37935。每次测量样品后，用去离子水对光纤折射率传感器中浸入溶液内的部分反复清洗，然后干燥恒重。实验结果表明，随着外界折射率的增大，1543nm波长的特征峰的波长会出现红移，并通过线性拟合得出折射率灵敏度分别为101.94462nm/riu。而对于选取特征峰的折射率敏感性不同，因为它们分别是由纤芯模式和不同的包层模式形成相应的干涉条纹，而各个包层模式传播系数和激励系数不同，因此各个特征峰会有差异。众所周知，温度的变化会对折射率的测量产生影响，如果两者同时变化的时候，会引起实验结果的较大偏差，影响测试数据的可信度。本实验温度对于传感性能响应的透射光谱如图7和图8所示，温度变化范围为15℃-85℃时，仅引起0.3nm的最大波长偏移，1543nm波长的特征峰温度敏感性仅为-0.00348nm/℃。因温度的灵敏度与光纤本身的热光系数密切相关，热光系数越大，光纤对温度变化就越敏感。而无芯光纤是由石英构成的光纤，不仅热光系数低，还能与单模光纤相互作用进而激发多阶包层模式，而这些多阶包层模式因传播系数不同，从而形成多模干涉，多阶的包层模式会不断重新激发和重组，致使对外界的温度响应是不敏感。即温度变化1℃时，相当于折射率的最大变化量为4.4186×10^-5，在误差允许范围内，可忽略温度对折射率的测量影响。

探究光纤折射率传感器对不同物质的响应，配制了相同折射率下的不同溶质的溶液进行研究，它们分别用酒精、盐、蔗糖和甘油调配出折射率为1.3516的溶液，得到的透射光谱如图9所示，在相同折射率下，传感器透射光谱的特征波长相一致，溶质不同使得干涉极小值的能量有所不同，这是由于光在干涉臂中传播，其表面会产生倏逝波进入外界溶液，不同溶质对倏逝波的吸收作用不同,使得出射光谱的干涉极小值存在能量上的差异。

为了验证传感器的稳定性能，将光纤折射率传感器中的薄芯光纤和无芯光纤浸入质量浓度为15％的氯化钠水溶液中，室温下浸泡1小时，每隔10分钟，记录一次波长。根据在1小时内的透射光谱计算出1543nm波长的特征峰的标准差分别为0.00766nm。这种偏差主要是由光源和光纤折射率传感器的稳定性以及温度变化引起的。通过对光纤融合参数的优化，可以使光纤传感器具有更好的耦合点，提高传感器的稳定性。

一种溶液折射率的检测方法，包括以下步骤：

(1)获取上述中的溶液折射率检测的光纤传感检测装置，并配置多个不同折射率的溶液；

(2)将光纤折射率传感器置于其中一个折射率的溶液中，在将光纤折射率传感器置于溶液中时，光纤折射率传感器中的薄芯光纤、无芯光纤以及薄芯光纤和无芯光纤分别与单模光纤的熔接处均处于溶液内，并且使薄芯光纤与无芯光纤呈直线状态，打开宽带光源装置后记录光谱分析仪上的透射光谱；

(3)重复步骤(2)对所有的溶液进行检测并记录其透射光谱，选取各透射光谱中同一段中的干涉波谷，并通过线性拟合得到y＝a+bx，即x＝(y-a)/b,其中y为透射光谱中选取波谷对应的中心波长，a为折射率趋近于0时对应波谷的中心波长，b为折射率的灵敏度，x为折射率；

(4)获取未知折射率溶液，将光纤折射率传感器置于未知折射率溶液中，光纤折射率传感器中的薄芯光纤、无芯光纤以及薄芯光纤和无芯光纤分别与单模光纤的熔接处均处于未知折射率溶液内，并且使薄芯光纤和无芯光纤的中心线位于同一直线上，打开宽带光源装置后记录光谱分析仪上的透射光谱，选取与步骤(2)中透射光谱同一段相应的波谷，获得其对用的中心波长值，代入公式x＝(y-a)/b得到溶液的折射率。

本具体实施方式中，获取上述中的所述光纤固定装置和两个所述光纤支架，在步骤(2)和步骤(4)中，在获取溶液的透射光谱图时，先将所述光纤折射率传感器穿过两个所述固定环，使所述薄芯光纤、所述无芯光纤以及所述薄芯光纤和所述无芯光纤分别与所述单模光纤的熔接处均位于两个所述固定环之间，然后将所述固定底座放置于所述溶液中，接着将两个所述光纤支架分别对应架设在所述溶液外的两根所述单模光纤处，所述单模光纤的纤身置于在对应一侧的两个u形支架的内底面上，之后将所述配重块挂接在所述单模光纤且位于同一侧的两个所述u形支架之间的纤身上，利用配重块的重力使所述薄芯光纤和所述无芯光纤处于拉直状态，最后打开所述宽带光源装置后记录所述光谱分析仪上的透射光谱。

通过对不同浓度的氯化钠溶液(折射率值由1.3331到1.37935)测量得到相应的透射光谱，选取光谱图中1551nm～1557nm之间的波谷，并通过使用origin软件线性拟合得到y＝a+bx，拟合系数r²＝0.98447，折射率的灵敏度为101.94462nm/riu，即x＝(y-1415.3405)/101.94462。

对未知折射率的氯化钠溶液测量得到透射光谱，选取相对应特征峰的中心波长为1552.19nm，根据公式计算得到该溶液的折射率为1.3424。

对未知折射率的蔗糖溶液测量得到透射光谱，选取相对应特征峰的中心波长为1554.55nm，根据公式计算得到该溶液的折射率为1.3655。

对未知折射率的甘油溶液测量得到透射光谱，选取相对应特征峰的中心波长为1555.48nm，根据公式计算得到该溶液的折射率为1.3747。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。