一种光纤传感器、基于光纤传感器的检测装置及其应用

1.本发明涉及光纤传感器技术领域，特别涉及一种光纤传感器、基于光纤传感器的检测装置及其应用。


背景技术：

2.基于光纤的气体、液体折射率传感由于具有抗电磁干扰、体积小、重量轻、耐腐蚀等优点而受到了广泛关注。其中的代表性传感器包括法布里-珀罗干涉仪型传感器、马赫-曾德干涉型传感器、迈克尔逊干涉仪型传感器,光纤光栅传感器等。光纤传感通过监测光纤中光功率、相位和偏振状态的变化来检测各种参数，如温度、应变、湿度、气体。然而这些传感器的灵敏度普遍较低，如jian tan等人提出的基于空芯光子带隙光纤侧开通道法布里-珀罗干涉仪空气压力传感器,其气压灵敏度只有1462nm/riu。fangda yu等人提出了一种偏芯直列式马赫-曾德光纤温度传感器，其温度灵敏度只有20nm/riu。再者ruohui wang等人提出了一种开腔法布里-珀罗气体折射率传感器，其灵敏度只有1042nm/riu。因此，探索新的光纤传感敏化机理具有重要意义。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种光纤传感器、基于光纤传感器的检测装置及其应用，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
4.本发明解决其技术问题的解决方案是：第一方面，提供一种光纤传感器，包括：单模光纤跳线、c型光纤段和单模光纤段；所述c型光纤段的内腔的直径为10μm至80μm，所述c型光纤段的外径为122μm至127μm，所述c型光纤段的内腔张口的角度α为30
°
至120
°
；所述c型光纤段的外径和单模光纤段的外径相同；所述c型光纤段的首端面与单模光纤跳线的一端面熔接；所述c型光纤段的尾端面与单模光纤段的首端面熔接；
5.所述单模光纤跳线的一端面的纤芯面形成第一光反射面，所述单模光纤段的首端面的纤芯面形成第二光反射面，所述单模光纤段的尾端面的纤芯面形成第三光反射面；
6.第一光反射面和第二光反射面形成充气法布里-珀罗谐振腔；第二光反射面与第三光反射面形成石英法布里-珀罗谐振腔；所述c型光纤段的腔长为150μm-250μm之间，所述单模光纤段的腔长为150μm-250μm之间；两腔的光程差为0μm-30μm之间。
7.进一步，所述c型光纤段的尾端面与单模光纤段的首端面熔接，其中，熔接工艺包括：通过光纤熔接机以297bit的放电功率熔接，放电时间300ms至500ms。
8.第二方面，提供一种基于光纤传感器的检测装置，包括：激光光源、光纤环形器、光谱仪和光纤传感器；
9.所述光纤传感器包括：单模光纤跳线、c型光纤段和单模光纤段；所述c型光纤段的内腔的直径为10μm至80μm，所述c型光纤段的外径为122μm至127μm，所述c型光纤段的内腔张口的角度α为30
°
至120
°
；所述c型光纤段的外径和单模光纤段的外径相同；所述c型光纤段的首端面与单模光纤跳线的一端面熔接；所述c型光纤段的尾端面与单模光纤段的首端
面熔接；
10.所述单模光纤跳线的一端面的纤芯面形成第一光反射面，所述单模光纤段的首端面的纤芯面形成第二光反射面，所述单模光纤段的尾端面的纤芯面形成第三光反射面；
11.第一光反射面和第二光反射面形成充气法布里-珀罗谐振腔；第二光反射面与第三光反射面形成石英法布里-珀罗谐振腔；所述c型光纤段的腔长为150μm-250μm之间，所述单模光纤段的腔长为150μm-250μm之间；两腔的光程差为0μm-30μm之间；
12.所述光纤环形器的第二端口与单模光纤跳线的另一端连接；所述光纤环形器的第一端口与激光光源的输出端连接；所述光纤环形器的第三端口与光谱仪的输入端连接。
13.进一步，所述c型光纤段的尾端面与单模光纤段的首端面熔接，其中，熔接工艺包括：通过光纤熔接机以297bit的放电功率熔接，放电时间300ms至500ms。
14.进一步，所述激光光源发出连续波长的激光，激光光源发射的连续波长的波长范围为480nm到2200nm。
15.第三方面，提供一种基于光纤传感器的检测装置的应用，将上述技术方案中所述的基于光纤传感器的检测装置应用在对液体折射率的检测、空气压力的检测和空气折射率的检测。
16.本发明的有益效果是：第一方面，本光纤传感器使用串联式的双谐振腔结构，在提高灵敏度的基础上简化基于游标效应的法布里-珀罗干涉仪型传感器结构，简化制备过程，降低生产成本。借用c型光纤段的结构形成的大开口开放腔，能使一些透明液体甚至粘度较大的液体快速流通而实现快速且实时的传感。实现小流体通道开腔结构无法实现的功能。第二方面和第三方面，提供基于光纤传感器的检测装置，提升了液体折射率检测灵敏度和空气压力及折射率的检测灵敏度。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员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设计方案和附图。
18.图1是光纤传感器的结构示意图；
19.图2是c型光纤段的截面结构示意图；
20.图3是基于光纤传感器的检测装置应用在nacl溶液检测时结构示意图；
21.图4是基于光纤传感器的检测装置应用在空气压力检测装置的结构示意图；
22.图5是nacl溶液浓度检测得到光谱漂移曲线；
23.图6是空气压力检测得到光谱漂移曲线。
具体实施方式
24.以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的
所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
25.实施例1，参考图1和图2，一种光纤传感器，包括：单模光纤跳线200、c型光纤段100和单模光纤段300；所述c型光纤段100的内腔110的直径为10μm至80μm，所述c型光纤段100的外径为122μm至127μm，所述c型光纤段100的内腔110张口的角度α为30
°
至120
°
；所述c型光纤段100的外径和单模光纤段300的外径相同；所述c型光纤段100的首端面与单模光纤跳线200的一端面熔接；所述c型光纤段100的尾端面与单模光纤段300的首端面熔接；
26.所述单模光纤跳线200的一端面的纤芯面形成第一光反射面101，所述单模光纤段300的首端面的纤芯面形成第二光反射面102，所述单模光纤段300的尾端面的纤芯面形成第三光反射面103；
27.第一光反射面101和第二光反射面102形成充气法布里-珀罗谐振腔；第二光反射面102与第三光反射面103形成石英法布里-珀罗谐振腔；所述c型光纤段的腔长为150μm-250μm之间，所述单模光纤段的腔长为150μm-250μm之间；两腔的光程差为0μm-30μm之间。其中，光程为光在介质中传播的几何路程和光在介质中的折射率的乘积。
28.在一些优选的实施例中，所述c型光纤段100的尾端面与单模光纤段300的首端面熔接，其中，熔接工艺包括：先用光纤熔接机将c型光纤段100和单模光纤段300进行熔接，通过光纤熔接机以297bit的放电功率熔接300ms至500ms。以保证可以充分熔接。熔接的功率和放电时间都要求很好的掌控，如果熔接时间过长或者功率过高，均无法达到理想的效果。熔接完毕后，然后用光纤切割器将拼接的c型光纤段100和单模光纤段300切割到需要的长度。
29.在实际制作中，光纤熔接机采用的是型号为(fujikura,fsm-100m)，单模光纤段300采用的型号为(g652d)，光纤切割器采用的型号为(sumitomo electric industries,ltd,fc-6s)。
30.本光纤传感器的工作原理：
31.其中，设充气法布里-珀罗谐振腔的腔长为l1，石英法布里-珀罗谐振腔的腔长为l2，c型光纤段100空腔内待测物折射率为n1，单模光纤段300的纤芯折射率为n2，由于c型光纤段100是具有开口内腔110的结构，因此，c型光纤段100的折射率是基于测量物的有效折射率。
32.本光纤传感器探头的传感原理是基于游标效应的高灵敏度的法布里-珀罗干涉仪工作原理。
33.具体为：计算出整个反射电场：
[0034][0035]
其中：
[0036]
φ1＝2πn1l1/λ，
[0037]
φ2＝2πn2l2/λ，
[0038]
[0039][0040]
ein是输入光纤传感探头的电场，k1的充气法布里-珀罗谐振腔的传输损耗，k2是石英法布里-珀罗谐振腔的传输损耗，r1是第一光反射面101的反射系数，r2是第二光反射面102的反射系数，r3是第三光反射面103的反射系数。φ1是充气法布里-珀罗谐振腔中传输的相位，φ2是光在石英法布里-珀罗谐振腔中传输的相位。n1是c型光纤段100空腔内待测物的折射率，n2是单模光纤段300纤芯的折射率，l1是充气法布里-珀罗谐振腔的腔长，l2是石英法布里-珀罗谐振腔的腔长，λ是输入光的波长。
[0041]
由于c型光纤段100是具有开口内腔110的结构，因此，c型光纤段100的有效折射率是基于测量物的折射率。
[0042]
从光谱仪430接收到的反射光谱的函数可由式(1)导出：
[0043][0044]
通过公式(2)可知折射率n1的变化会导致相位φ1发生改变，从而导致光谱发生漂移。为了产生游标效应，充气法布里-珀罗谐振腔和石英法布里-珀罗谐振腔的光程要非常接近，但不相等。
[0045]
实验光谱是充气法布里-珀罗谐振腔和石英法布里-珀罗谐振腔两个独立法布里-珀罗腔的光谱的叠加。由于充气法布里-珀罗谐振腔和石英法布里-珀罗谐振腔各自光谱的fsr(干涉条纹两波谷之间的距离)相差很小,叠加起来的光谱中就会出现一个大的包络，这就是游标效应。所谓的包络是通过连接高频条纹的谷来获得的。
[0046]
另一方面，参考图3，图3是基于光纤传感器的检测装置应用在nacl溶液检测时结构示意图。
[0047]
本具体实施例还提供一种基于光纤传感器的检测装置，包括：激光光源420、光纤环形器410、光谱仪430和光纤传感器，为了方便区分检测的不同介质，这里的光纤传感器称为液体折射率检测光纤传感器探头501；
[0048]
所述液体折射率光纤传感器探头501包括：单模光纤跳线200、c型光纤段100和单模光纤段300；所述c型光纤段100的内腔110的直径为10μm至80μm，所述c型光纤段100的外径为122μm至127μm，所述c型光纤段100的内腔110张口的角度α为30
°
至120
°
；所述c型光纤段100的外径和单模光纤段300的外径相同；所述c型光纤段100的首端面与单模光纤跳线200的一端面熔接；所述c型光纤段100的尾端面与单模光纤段300的首端面熔接；
[0049]
所述单模光纤跳线200的一端面的纤芯面形成第一光反射面101，所述单模光纤段300的首端面的纤芯面形成第二光反射面102，所述单模光纤段300的尾端面的纤芯面形成第三光反射面103；
[0050]
第一光反射面101和第二光反射面102形成充气法布里-珀罗谐振腔；第二光反射面102与第三光反射面103形成石英法布里-珀罗谐振腔；所述c型光纤段的腔长为150μm-250μm之间，所述单模光纤段的腔长为150μm-250μm之间；两腔的光程差为0μm-30μm之间。
[0051]
所述光纤环形器410的第二端口与单模光纤跳线200的另一端连接；所述光纤环形器410的第一端口与激光光源420的输出端连接；所述光纤环形器410的第三端口与光谱仪
430的输入端连接。
[0052]
其中，所述激光光源420发出连续波长的激光，激光光源420发射的连续波长的波长范围为480nm到2200nm。
[0053]
在一些优选的实施例中，所述c型光纤段100的尾端面与单模光纤段300的首端面熔接，其中，熔接工艺包括：先用光纤熔接机将c型光纤段100和单模光纤段300进行熔接，通过光纤熔接机以297bit的放电功率熔接，熔接时间300ms至500ms。以保证可以充分熔接。熔接的功率和放电时间都要求很好的掌控，如果熔接时间过长或者功率过高，均无法达到理想的效果。熔接完毕后，然后用光纤切割器将拼接的c型光纤段100和单模光纤段300切割到需要的长度。
[0054]
在实际制作中，光纤熔接机采用的是型号为(fujikura,fsm-100m)，单模光纤段300采用的型号为(g652d)，光纤切割器采用的型号为(sumitomo electric industries,ltd,fc-6s)。
[0055]
在基于光纤传感器的检测装置应用在nacl溶液检测时，首先将液体折射率光纤传感器探头501放入到装nacl溶液的容器440，所述装nacl溶液的容器440放入一定浓度nacl溶液。
[0056]
然后将nacl溶液浓度(质量分数)从0％增加到0.1％,以0.01％为一个梯度，用光谱仪430记录光谱漂移，对光谱漂移进行线性拟合，得到光谱漂移曲线，如图5所示。从图5可知液体浓度实验灵敏度达到44000nm/riu。其中，光谱漂移曲线的横坐标为波长，纵坐标为光强。
[0057]
另一方面，参考图4，图4是基于光纤传感器的检测装置应用在空气压力检测装置的结构示意图。
[0058]
本具体实施例还提供一种基于光纤传感器的检测装置，包括：激光光源420、光纤环形器410、光谱仪430和光纤传感器，为了方便区分检测的不同介质，这里的光纤传感器称为空气压力光纤传感器探头502；
[0059]
所述空气压力光纤传感器探头502包括：单模光纤跳线200、c型光纤段100和单模光纤段300；所述c型光纤段100的内腔110的直径为10μm至80μm，所述c型光纤段100的外径为122μm至127μm，所述c型光纤段100的内腔110张口的角度α为30
°
至120
°
；所述c型光纤段100的外径和单模光纤段300的外径相同；所述c型光纤段100的首端面与单模光纤跳线200的一端面熔接；所述c型光纤段100的尾端面与单模光纤段300的首端面熔接；
[0060]
所述单模光纤跳线200的一端面的纤芯面形成第一光反射面101，所述单模光纤段300的首端面的纤芯面形成第二光反射面102，所述单模光纤段300的尾端面的纤芯面形成第三光反射面103；
[0061]
第一光反射面101和第二光反射面102形成充气法布里-珀罗谐振腔；第二光反射面102与第三光反射面103形成石英法布里-珀罗谐振腔；所述c型光纤段的腔长为150μm-250μm之间，所述单模光纤段的腔长为150μm-250μm之间；两腔的光程差为0μm-30μm之间。
[0062]
所述光纤环形器410的第二端口与单模光纤跳线200的另一端连接；所述光纤环形器410的第一端口与激光光源420的输出端连接；所述光纤环形器410的第三端口与光谱仪430的输入端连接。
[0063]
其中，所述激光光源420发出连续波长的激光，激光光源420发射的连续波长的波
长范围为480nm到2200nm。
[0064]
在一些优选的实施例中，所述c型光纤段100的尾端面与单模光纤段300的首端面熔接，其中，熔接工艺包括：先用光纤熔接机将c型光纤段100和单模光纤段300进行熔接，通过光纤熔接机以297bit的放电功率熔接300ms至500ms。以保证可以充分熔接。熔接的功率和放电时间都要求很好的掌控，如果熔接时间过长或者功率过高，均无法达到理想的效果。熔接完毕后，然后用光纤切割器将拼接的c型光纤段100和单模光纤段300切割到需要的长度。
[0065]
在实际制作中，光纤熔接机采用的是型号为(fujikura,fsm-100m)，单模光纤段300采用的型号为(g652d)，光纤切割器采用的型号为(sumitomo electric industries,ltd,fc-6s)。
[0066]
在基于光纤传感器的检测装置应用在空气压力检测装置工作的时候，首先将空气压力光纤传感器探头502放入气室450并密封好，通过空气泵460控制气室450内的气压从0.8mpa减小到0mpa,以0.08mpa为一个梯度用光谱仪430记录光谱漂移，得到光谱漂移曲线，如图6所示。从图6可知，当压强从0.8mpa逐渐减小到0mpa时，包络轮廓均匀的向长波方向移动。为了评估所提出检测装置的线性度，通过追踪包络波谷随压强的移动，对光谱漂移进行线性拟合。结果表明，该检测装置的压力线性度良好，灵敏度为43000nm/riu。其中，光谱漂移曲线的横坐标为波长，纵坐标为光强。
[0067]
通过对空气压力与空气折射率的转换关系，可以从得到的空气压力求得空气折射率，从而实现对空气折射率的检测。
[0068]
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。