一种光纤传感头和基于该传感头的测量液体折射率的光纤传感系统及方法
【专利摘要】一种光纤传感头和基于该传感头的测量液体折射率的光纤传感系统及方法，属于光纤传感系统领域。它是为了解决现有光纤传感头FP腔距光纤尾端的距离较近，进而对反射率产生影响的问题。本发明所述的一种光纤传感头和基于该传感头的测量液体折射率的光纤传感系统及方法，克服了现有技术中，通过在光纤上开一空气通道，改变了光路的方向，从而将光纤包层作为FP腔，避免了待测液体同时对FP腔的两个界面反射率的影响。当入射到传感头中的光处于S偏振时，测量折射率的最大灵敏度达-298.3dB/RIU，处于P偏振时，测量折射率的最大灵敏度达-597.1dB/RIU。本发明适用于对液体的折射率进行测量。
【专利说明】一种光纤传感头和基于该传感头的测量液体折射率的光纤传感系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光纤传感系统领域。
【背景技术】
[0002]由于光纤的低成本、抗腐蚀、高敏感等优良特性，近年来光纤在折射率传感方面得到很大的关注并广泛运用到了生物、化学等领域。光纤折射率传感器按探测光谱主要可分为两类，透射型光纤传感器和反射型光纤传感器。相对于反射型光纤传感器，透射型光纤传感器的传感系统所占空间相对较大，限制了其在生物体内进行直接的折射率探测。对于反射型光纤传感器，通常使用光纤结合着光纤外部Fabry-Perot(FP)腔或光纤内部FP腔来探测折射率的变化；而外部FP腔，同样面临着传感头所占空间相对较大的问题。因而相较而言，基于光纤内部FP腔的传感器在折射率的传感应用方面范围更广。然而传统的基于内部FP腔的光纤传感器尽管尺寸小，距离大，由于FP腔距光纤尾端的距离较近，当测试液体时，液体除了对FP反射面的反射率产生影响外，且对光纤尾端的反射率产生影响，两者影响会发生交叉传感，从而导致光谱仪测得的反射光强对于待测液体折射率无法呈单调变化，只能在很窄的一段折射率范围内呈现单调变化，并且单调区域随着待测液体折射率的变化而发生变化。因而大大限制了基于内部FP腔的光纤传感器在折射率测量方面的应用。
【发明内容】
[0003]本发明是为了解决现有光纤传感头FP腔距光纤尾端的距离较近，进而对反射率产生影响的问题，现提供一种光纤传感头和基于该传感头的测量液体折射率的光纤传感系统及方法。
[0004]—种光纤传感头,它包括:光纤和反射材料；
[0005]所述光纤包括:光纤包层和光纤纤芯；
[0006]光纤包层包裹在光纤纤芯的外侧；在光纤纤芯上开有四棱柱形的空气通道，该空气通道的截面为等腰梯形，且该等腰梯形的腰所在平面与光纤轴的夹角为45度，该等腰梯形的高等于光纤纤芯的直径，该等腰梯形的短底边的长度范围在10 μ m至20 μ m之间，空气通道的长度等于光纤的直径，该等腰梯形的短底边所对应的光纤包层外侧固定有反射材料。
[0007]—种测量液体折射率的光纤传感系统，它包括:光源、3dB稱合器、偏振器、传感头、光谱仪和信号处理模块；
[0008]光源发出的光经3dB耦合器传输至偏振器中，偏振器经该光进行调节并传输至传感头中，传感头将该光反射到偏振器中，偏振器将传感头反射的光传输至3dB稱合器中，3dB耦合器将该光传输至光谱仪中，光谱仪的光谱信号输出端连接信号处理模块的光谱信号输入端；
[0009]所述信号处理模块包括以下单元:[0010]采集光谱仪中获得的反射谱在1550nm处的反射谱强度的单元；
[0011]获得空气通道与光纤纤芯接触面的反射率R的单元；
[0012]获得待测液体的折射率n2的单元；
[0013]所述传感头包括:光纤和反射材料；
[0014]所述光纤包括:光纤包层和光纤纤芯；
[0015]光纤包层包裹在光纤纤芯的外侧；在光纤纤芯上开有四棱柱形的空气通道，该空气通道的截面为等腰梯形，且该等腰梯形的腰所在平面与光纤轴的夹角为45度，该等腰梯形的高等于光纤纤芯的直径，该等腰梯形的短底边的长度范围在10 μ m至20 μ m之间，空气通道的长度等于光纤的直径，该等腰梯形的短底边所对应的光纤包层外侧设有反射材料。
[0016]一种测量液体折射率的方法，该方法是基于下述装置实现的，
[0017]所述装置包括:光源、3dB耦合器、偏振器、传感头和光谱仪；
[0018]光源发出的光经3dB耦合器传输至偏振器中，偏振器经该光进行调节并传输至传感头中，传感头将该光反射到偏振器中，偏振器将传感头反射的光传输至3dB稱合器中，3dB耦合器将该光传输至光谱仪中；
[0019]所述传感头包括:光纤和反射材料；
[0020]所述光纤包括:光纤包层和光纤纤芯；
[0021]光纤包层包裹在光纤纤芯的外侧；在光纤纤芯上开有四棱柱形的空气通道，该空气通道的截面为等腰梯形，且该等腰梯形的腰所在平面与光纤轴的夹角为45度，该等腰梯形的高等于光纤纤芯的直径，该等腰梯形的短底边的长度范围在10 μ m至20 μ m之间，空气通道的长度等于光纤的直径，该等腰梯形的短底边所对应的光纤包层外侧设有反射材料；
[0022]基于上述装置的一种测量液体折射率的方法包括以下步骤:
[0023]步骤一:调节偏振器，使入射到传感头中的光为一种偏振态下的光；然后执行步骤二 ；
[0024]步骤二:保持传感头不浸入液体中，利用光谱仪获得反射谱在1550nm处的反射谱强度基准值Itl,然后执行步骤三；
[0025]步骤三:将传感头浸入待测液体中，使待测液体进入空气通道，利用光谱仪获得反射谱在1550nm处的反射谱强度值I1，然后执行步骤四；
[0026]步骤四:利用反射谱强度基准值Itl和反射谱强度值I1，获得充有待测液体的空气通道与光纤纤芯接触面的反射率R，然后执行步骤五；
[0027]步骤五:利用充有待测液体的空气通道与光纤纤芯接触面的反射率R，获得待测液体的折射率n2。
[0028]本发明所述的一种光纤传感头和基于该传感头的测量液体折射率的光纤传感系统及方法，克服了现有技术中，采用现有光纤传感头在光纤外部设置FP腔的固有思路，而是通过在光纤上开一空气通道，改变了光路的方向，从而将光纤包层作为FP腔，避免了待测液体同时对FP腔的两个界面反射率的影响。当入射到传感头中的光处于S偏振时，测量折射率的最大灵敏度能高达-298.3dB/RIU,处于P偏振时，测量折射率的最大灵敏度能高达-597.ldB/RIU。
[0029]本发明所述的一种光纤传感头和基于该传感头的测量液体折射率的光纤传感系统及方法，适用于对液体的折射率进行测量。【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1为一种光纤传感头的剖面结构不意图；
[0031]图2为一种测量液体折射率的光纤传感系统的原理示意图；
[0032]图3为一种测量液体折射率的光纤传感方法的流程图；
[0033]图4为S偏振时传感头反射谱对于折射率的光谱变化图；
[0034]图5为P偏振时传感头反射谱对于折射率的光谱变化图。
【具体实施方式】
[0035]【具体实施方式】一:参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种光纤传感头，它包括:光纤和反射材料4-3 ；
[0036]所述光纤包括:光纤包层4-1和光纤纤芯4-2 ；
[0037]光纤包层4-1包裹在光纤纤芯4-2的外侧；在光纤纤芯4-2上开有四棱柱形的空气通道4-4，该空气通道4-5的截面为等腰梯形，且该等腰梯形的腰所在平面与光纤轴的夹角为45度，该等腰梯形的高等于光纤纤芯4-2的直径，该等腰梯形的短底边的长度范围在10 μ m至20 μ m之间，空气通道4_5的长度等于光纤的直径，该等腰梯形的短底边所对应的光纤包层4-1外侧固定有反射材料4-3。
[0038]【具体实施方式】二:本实施方式是对【具体实施方式】一所述的一种光纤传感头作进一步说明，本实施方式中，所述光纤为单模光纤。
[0039]【具体实施方式】三:本实施方式是对【具体实施方式】一所述的一种光纤传感头作进一步说明，本实施方式中，所述光纤为多模光纤。
[0040]【具体实施方式】四:本实施方式是对【具体实施方式】一所述的一种光纤传感头作进一步说明，本实施方式中，所述反射材料4-3的材料与光纤纤芯4-2的材料相同。
[0041]【具体实施方式】五:参照图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种测量液体折射率的光纤传感系统，它包括:光源l、3dB耦合器2、偏振器3、传感头4、光谱仪5和信号处理模块6 ；
[0042]光源I发出的光经3dB耦合器2传输至偏振器3中，偏振器3经该光进行调节并传输至传感头4中,传感头4将该光反射到偏振器3中,偏振器3将传感头4反射的光传输至3dB耦合器2中，3dB耦合器2将该光传输至光谱仪5中，光谱仪5的光谱信号输出端连接信号处理模块6的光谱信号输入端；
[0043]所述信号处理模块6包括以下单元:
[0044]采集光谱仪5中获得的反射谱在1550nm处的反射谱强度的单元；
[0045]获得空气通道4-5与光纤纤芯4-2接触面的反射率R的单元；
[0046]获得待测液体的折射率n2的单元；
[0047]所述传感头4包括:光纤和反射材料4_3 ；
[0048]所述光纤包括:光纤包层4-1和光纤纤芯4-2 ；
[0049]光纤包层4-1包裹在光纤纤芯4-2的外侧；在光纤纤芯4-2上开有四棱柱形的空气通道4-4，该空气通道4-5的截面为等腰梯形，且该等腰梯形的腰所在平面与光纤轴的夹角为45度，该等腰梯形的高等于光纤纤芯4-2的直径，该等腰梯形的短底边的长度范围在10 μ m至20 μ m之间，空气通道4_5的长度等于光纤的直径，该等腰梯形的短底边所对应的光纤包层4-1外侧设有反射材料4-3。
[0050]【具体实施方式】六:本实施方式是对【具体实施方式】五所述的一种测量液体折射率的光纤传感系统作进一步说明，本实施方式中，所述光源I为高斯光源。
[0051]【具体实施方式】七:参照图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种测量液体折射率的方法，该方法是基于下述装置实现的，
[0052]所述装置包括:光源l、3dB耦合器2、偏振器3、传感头4和光谱仪5 ；
[0053]光源I发出的光经3dB耦合器2传输至偏振器3中，偏振器3经该光进行调节并传输至传感头4中,传感头4将该光反射到偏振器3中,偏振器3将传感头4反射的光传输至3dB耦合器2中，3dB耦合器2将该光传输至光谱仪5中；
[0054]所述传感头4包括:光纤和反射材料4-3 ；
[0055]所述光纤包括:光纤包层4-1和光纤纤芯4-2 ；
[0056]光纤包层4-1包裹在光纤纤芯4-2的外侧；在光纤纤芯4-2上开有四棱柱形的空气通道4-4，该空气通道4-5的截面为等腰梯形，且该等腰梯形的腰所在平面与光纤轴的夹角为45度，该等腰梯形的高等于光纤纤芯4-2的直径，该等腰梯形的短底边的长度范围在10 μ m至20 μ m之间，空气通道4_5的长度等于光纤的直径，该等腰梯形的短底边所对应的光纤包层4-1外侧设有反射材料4-3 ；
[0057]基于上述装置的一种测量液体折射率的方法包括以下步骤:
[0058]步骤一:调节偏振器3，使入射到传感头4中的光为一种偏振态下的光；然后执行
步骤二 ；
[0059]步骤二:保持传感头4不浸入液体中，利用光谱仪5获得反射谱在1550nm处的反射谱强度基准值10，然后执行步骤三；
[0060]步骤三:将传感头4浸入待测液体中，使待测液体进入空气通道(4-5)，利用光谱仪5获得反射谱在1550nm处的反射谱强度值II，然后执行步骤四；
[0061]步骤四:利用反射谱强度基准值Itl和反射谱强度值I1，获得空气通道4-5与光纤纤芯4-2接触面的反射率R，然后执行步骤五；
[0062]步骤五:利用充有待测液体的空气通道4-5与光纤纤芯4-2接触面的反射率R，获得待测液体的折射率n2。
[0063]【具体实施方式】八:本实施方式是对【具体实施方式】七所述的一种测量液体折射率的方法作进一步说明，本实施方式中，根据如下公式获得充有待测液体的空气通道4-5与光纤纤芯4-2接触面的反射率R，
[0064]Ig(I1Zl0)=Igd
[0065]【具体实施方式】九:本实施方式是对【具体实施方式】七所述的一种测量液体折射率的方法作进一步说明，本实施方式中，步骤一中调节偏振器3，使入射到传感头4中的光为S偏振时，根据如下公式获得待测液体的折射率n2，
【权利要求】
1.一种光纤传感头，其特征在于，它包括:光纤和反射材料(4-3)； 所述光纤包括:光纤包层(4-1)和光纤纤芯(4-2)； 光纤包层(4-1)包裹在光纤纤芯(4-2)的外侧；在光纤纤芯(4-2)上开有四棱柱形的空气通道(4-4)，该空气通道(4-5)的截面为等腰梯形，且该等腰梯形的腰所在平面与光纤轴的夹角为45度，该等腰梯形的高等于光纤纤芯(4-2)的直径，该等腰梯形的短底边的长度范围在10 μ m至20 μ m之间，空气通道(4_5)的长度等于光纤的直径，该等腰梯形的短底边所对应的光纤包层(4-1)外侧固定有反射材料(4-3)。
2.根据权利要求1所述的一种光纤传感头，其特征在于，所述光纤为单模光纤。
3.根据权利要求1所述的一种光纤传感头，其特征在于，所述光纤为多模光纤。
4.根据权利要求1所述的一种光纤传感头，其特征在于，所述反射材料(4-3)的材料与光纤纤芯(4-2)的材料相同。
5.—种测量液体折射率的光纤传感系统,其特征在于,它包括:光源(l)、3dB稱合器(2)、偏振器(3)、传感头(4)、光谱仪(5)和信号处理模块(6)； 光源(I)发出的光经3dB耦合器(2 )传输至偏振器(3 )中，偏振器(3 )经该光进行调节并传输至传感头(4)中，传感头(4)将该光反射到偏振器(3)中，偏振器(3)将传感头(4)反射的光传输至3dB I禹合器(2)中，3dB I禹合器(2)将该光传输至光谱仪(5)中，光谱仪(5)的光谱信号输出端连接信号处理模块(6)的光谱信号输入端； 所述信号处理模块(6)包括以下单元: 采集光谱仪(5)中获得的反射谱在1550nm处的反射谱强度的单元； 获得空气通道(4-5)与光纤纤芯(4-2)接触面的反射率R的单元； 获得待测液体的折射率％的单元； 所述传感头(4)包括:光纤和反射材料(4-3)； 所述光纤包括:光纤包层(4-1)和光纤纤芯(4-2)； 光纤包层(4-1)包裹在光纤纤芯(4-2)的外侧；在光纤纤芯(4-2)上开有四棱柱形的空气通道(4-4)，该空气通道(4-5)的截面为等腰梯形，且该等腰梯形的腰所在平面与光纤轴的夹角为45度，该等腰梯形的高等于光纤纤芯(4-2)的直径，该等腰梯形的短底边的长度范围在10 μ m至20 μ m之间，空气通道(4_5)的长度等于光纤的直径，该等腰梯形的短底边所对应的光纤包层(4-1)外侧设有反射材料(4-3)。
6.根据权利要求5所述的一种测量液体折射率的光纤传感系统,其特征在于,所述光源(I)为高斯光源。
7.一种测量液体折射率的方法，其特征在于，该方法是基于下述装置实现的， 所述装置包括:光源(l)、3dB耦合器(2)、偏振器(3)、传感头(4)和光谱仪(5)； 光源(I)发出的光经3dB耦合器(2 )传输至偏振器(3 )中，偏振器(3 )经该光进行调节并传输至传感头(4)中，传感头(4)将该光反射到偏振器(3)中，偏振器(3)将传感头(4)反射的光传输至3dBf禹合器(2)中，3dB f禹合器(2)将该光传输至光谱仪(5)中； 所述传感头(4)包括:光纤和反射材料(4-3)； 所述光纤包括:光纤包层(4-1)和光纤纤芯(4-2)； 光纤包层(4-1)包裹在光纤纤芯(4-2)的外侧；在光纤纤芯(4-2)上开有四棱柱形的空气通道(4-4)，该空气通道(4-5)的截面为等腰梯形，且该等腰梯形的腰所在平面与光纤轴的夹角为45度，该等腰梯形的高等于光纤纤芯(4-2)的直径，该等腰梯形的短底边的长度范围在10 μ m至20 μ m之间，空气通道(4_5)的长度等于光纤的直径，该等腰梯形的短底边所对应的光纤包层(4-1)外侧设有反射材料(4-3)； 基于上述装置的一种测量液体折射率的方法包括以下步骤: 步骤一:调节偏振器(3)，使入射到传感头(4)中的光为一种偏振态下的光；然后执行步骤二 ； 步骤二:保持传感头(4)不浸入液体中，利用光谱仪(5)获得反射谱在1550nm处的反射谱强度基准值Itl,然后执行步骤三； 步骤三:将传感头(4)浸入待测液体中，使待测液体进入空气通道(4-5)，利用光谱仪(5)获得反射谱在1550nm处的反射谱强度值I1，然后执行步骤四； 步骤四:利用反射谱强度基准值Itl和反射谱强度值I1，获得充有待测液体的空气通道(4-5)与光纤纤芯(4-2)接触面的反射率R，然后执行步骤五； 步骤五:利用充有待测液体的空气通道(4-5)与光纤纤芯(4-2)接触面的反射率R，获得待测液体的折射率n2。
8.根据权利要求7所述的一种测量液体折射率的方法，其特征在于，根据如下公式获得充有待测液体的空气通道(4-5)与光纤纤芯(4-2)接触面的反射率R，
9.根据权利要求7所述的一种测量液体折射率的方法，其特征在于，步骤一中调节偏振器(3)，使入射到传感头(4)中的光为S偏振时，根据如下公式获得待测液体的折射率n2，
10.根据权利要求7所述的一种测量液体折射率的方法，其特征在于，步骤一中调节偏振器(3)，使入射到传感头(4)中的光为P偏振时，根据如下公式获得待测液体的折射率η2， / \ 2 ? [ -n cos O, + cos O, K = -=-L
s L n cos Θ? + cos Ox j ，
η - /;, / η? 其中，Ii1为光纤纤芯(4-2)的折射率，θ χ为入射到传感头(4)中的光与空气通道(4-5)与光纤纤芯(4-2)接触面所在平面的夹角，92为入射到传感头(4)中的光在空气通道(4-5)与光纤纤芯(4-2)接触面上发生折射时的折射角。
【文档编号】G01N21/41GK103697920SQ201310744566
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月30日 优先权日:2013年12月30日
【发明者】夏元钦, 许昌, 张盛 申请人:哈尔滨工业大学