基于游标效应的并行级联折射率传感器和折射率检测方法

1.本发明涉及基于游标效应的并行级联折射率传感器和折射率检测方法，属于光纤传感检测技术领域。


背景技术：

2.光纤传感器具有结构紧凑、抗外界干扰能力强、传感信号灵敏等许多优点。近些年来，光纤传感器已被广泛地研究并应用于大量领域，如温度测量、压力传感、折射率测量、磁场探测和应变监测等。
3.在一系列光纤传感器中，基于游标效应的光纤传感器发展迅速，因为它能极大地提高光纤干涉传感器的灵敏度。近年来，基于游标效应有人提出了级联结构的光纤干涉仪，也有人提出了并行结构的光纤干涉仪。例如，2014年提出的利用空心光子晶体光纤(hc-pcf)的大模场特性，将两段hc-pcf嵌入单模光纤(smf)中，构成级联法布里-珀罗干涉仪(fpi)结构的游标效应光纤传感器，将其应用于应力和磁场的测量，较之单一fpi，该传感器的灵敏度提高了约29倍。2015年提出的串联sagnac干涉仪的游标效应光纤温度传感器，较之单一sagnac干涉仪,其灵敏度提高了约9倍。2019年提出的利用两个法布里-珀罗干涉仪的并行配置，其应变传感灵敏度是单个开腔fpi的4.6倍。但是，目前为止，还没有文献报道出关于基于游标效应的并行级联结构的mz光纤传感器的研究，其有广泛的研究和发展前景。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供基于游标效应的并行级联折射率传感器和折射率检测方法，本发明通过将单模光纤弯曲制作成折射率传感器，利用外界折射率变化会造成透射谱线偏移的现象，并利用游标效应原理放大偏移量，构造光纤干涉仪传感结构，实现对折射率进行高灵敏度测量的目的。
5.为达到上述目的，第一方面，本发明提供基于游标效应的并行级联折射率传感器，包括：
6.作为标尺的滑动部分用于传感的单模光纤l1和作为标尺的固定部分用于参考的单模光纤l2，所述单模光纤l1和单模光纤l2并联接入相同的光源，所述单模光纤l1剥去聚合物涂覆层；
7.所述单模光纤l1的和单模光纤l2上均设置有两个用作mz干涉仪的半圆形弯曲，各所半圆形弯曲不满足全反射条件，各所述半圆形弯曲的半径不同，属于同一单模光纤上的两相邻半圆形弯曲之间的距离大于任一弯曲的半径；
8.沿所述单模光纤l1光线传播方向，位于上游的弯曲用于浸入待测折射率的液体中，位于下游的弯曲置于折射率恒定的环境中；
9.所述单模光纤l1和单模光纤l2的出口端经耦合后接入光谱分析仪。
10.进一步地，所述单模光纤l1的和单模光纤l2通过耦合器并联。
11.进一步地，各所述半圆形弯曲的半径满足：
12.各半圆形弯曲在的透射光谱图至少有两个完整的波谷。
13.第二方面，本发明的提供基于游标效应的并行级联折射率检测方法，包括如下步骤：
14.将单模光纤l1上游的弯曲浸入待测液体中，获取谱线的波谷波长偏移量数据；
15.基于波长偏移量数据，从预置的波长偏移量-折射率关系曲线确定待测液体的折射率。
16.进一步地，预置波长偏移量-折射率关系曲线，包括：
17.将单模光纤l1上游的弯曲依次置入不同折射率的液体样本中，在不同折射率液体下，获取谱线的波谷波长偏移量数据；
18.将波长偏移量与折射率对应，构造波长偏移量-折射率关系曲线图。
19.进一步地，获取谱线的波谷波长偏移量数据，包括：
20.在不同折射率条件下，获取经单模光纤l1后的透射光谱图，并进行包络拟合，获取游标拟合谱线；
21.指定一个原始谱线图，进行包络拟合，在游标拟合谱线中求解不同折射率游标拟合谱线相对包络拟合后的原始谱线图的波谷波长偏移量数据。
22.进一步地，获取谱线的波谷波长偏移量数据，包括：
23.在不同折射率条件下：
24.获取经单模光纤l1后的透射光谱图，并进行包络拟合，获取单模光纤l1的游标拟合谱线；
25.获取经单模光纤l2后的透射光谱图，并进行包络拟合，获取单模光纤l2的游标拟合谱线；
26.将单模光纤l1的游标拟合曲线和单模光纤l2的游标拟合曲线进行叠加，并将叠加后的曲线进行包络拟合，获取二次游标拟合谱线；
27.指定一个原始谱线图，并进行两次包络拟合，在二次游标拟合谱线中求解不同折射率二次游标拟合谱相对两次包络拟合后的原始谱线图的波谷波长偏移量数据。
28.进一步地，包络拟合时，将波谷进行连接，其连接公式包括：
29.i(envelope)＝a0+a1·
cos(λw)+b1·
sin(λw)+a2·
cos(2λw)+b2·
sin(2λw)+a3·
cos(3λw)+b3·
sin(3λw)；
30.其中，i(envelope)为包络线的强度；λ为波长；w，a0，a1，a2，a3，b1，b2和b3均为常数，并且可以通过已知的波谷的横纵坐标求出。
31.进一步地，所述原始谱线图为：
32.将折射率光纤传感器中单模光纤l1的上游弯曲，置于折射率为1的环境中获取的谱线图。
33.本发明所达到的有益效果：
34.本发明提供基于游标效应的并行级联折射率传感器和折射率检测方法，本发明仅需对单模光纤进行弯曲处理，通过折射率不同造成的透射谱线的移动现象构造超灵敏折射率光纤传感器，同时利用游标效应的原理，放大偏移量，提高了折射率传感器的探测精度，整个结构简单紧凑，能够制作成微小型高精度传感器，同时制作成本低，原材料丰富，利于
产品的生产。
附图说明
35.图1是本发明实施例提供的基于游标效应的并行级联折射率传感器和折射率检测方法中折射率光纤传感器的结构示意图；
36.图2是本发明实施例提供的基于游标效应的并行级联折射率传感器和折射率检测方法中单一弯曲光纤干涉的结构示意图；
37.图3是本发明实施例提供的基于游标效应的并行级联折射率传感器和折射率检测方法中单模光纤l1包络线的模拟结果；
38.图4是本发明实施例提供的基于游标效应的并行级联折射率传感器和折射率检测方法中单模光纤l2包络线的模拟结果；
39.图5是本发明实施例提供的基于游标效应的并行级联折射率传感器和折射率检测方法中的原始谱线图、原始谱线图的一次包络拟合谱线图和原始谱线图的二次包络拟合谱线图；
40.图6是本发明实施例提供的基于游标效应的并行级联折射率传感器和折射率检测方法中折射率变化下谱线变化情况以及游标拟合包络线的移动图；
41.图7是本发明实施例提供的基于游标效应的并行级联折射率传感器和折射率检测方法中折射率光纤传感器嵌套设置的结构图。
具体实施方式
42.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
43.实施例一：
44.本发明的实施例一提供一种基于游标效应的并行级联折射率传感器，如图1至图7所示，本发明仅需对单模光纤进行弯曲处理，通过折射率不同造成的透射谱线的偏移现象构造超灵敏折射率光纤传感器，同时利用游标效应的原理，放大偏移量，提高了折射率传感器的探测精度，整个结构简单紧凑，能够制作成微小型高精度传感器，同时制作成本低，原材料丰富，利于产品的生产。
45.具体地，如图1所示，本发明的实施例中选用两条单模光纤，分别为单模光纤l1和单模光纤l2，同时，本发明基于游标效应制作，在本发明的实施例中，所述单模光纤l1作为标尺的滑动部分，用于传感，所述单模光纤l2作为标尺的固定部分，用于参考，所述单模光纤l1和单模光纤l2通过3db的耦合器并联，所述单模光纤l1和单模光纤l2输入端的耦合器接入光源，输出端的耦合器接入光谱分析仪。
46.本发明的实施例运用了全反射的原理，如图2所示，当光纤弯曲到一定程度时，全反射条件不再满足，一部分光从光纤的纤芯泄露到包层，导致被激发的包层模式在弯曲光纤的包层中进行传播，而残余的纤芯模式仍然在纤芯中传播，最后在弯曲的光纤末端，包层模式被耦合回纤芯，并与残余的纤芯模式发生干涉，若在此过程中外部环境与包层的折射率不同，则包层模式受到影响，谐振峰将会发生偏移，在测试时，通过不同的偏移量确定不同的折射率。
47.基于上述工作原理，为增强消逝场与外界环境的相互作用，本发明将单模光纤l1的聚合物涂覆层剥去，然后在单模光纤l1上设置两段半圆形弯曲，这两段半圆形弯曲的半径不同，且均不满足全反射条件，且两半圆形弯曲之间的距离大于任意一个半圆形弯曲的半径，沿光线传播方向，位于单模光纤l1上游的半圆形弯曲用于浸入待测溶液中，光线泄露到包层中后，由于包层浸没在折射率发生变化的溶液中，包层中光线的谐振峰将会发生偏移；单模光纤下游的半圆形弯曲置入折射率恒定的恒温环境中；由于每个折射率对应的偏移量都是唯一确定的，所以通过确定偏移量，确定折射率。
48.用于参照的单模光纤l2中亦设置有两个半圆形弯曲，两半圆形弯曲之间的距离大于任意一个半圆形弯曲的半径，且这四个半圆形弯曲的半径不同。
49.单模光纤l2的引入用于放大偏移量数据，提高测试的灵敏度：
50.如图6中a图所示，若仅使用单模光纤l1进行测量，折射率产生变化后，其相对于原始谱线的偏移量较小；为提高灵敏度需将a中的两谱线进行包络拟合，得到一次游标拟合谱线，如图6中的b图所示，可见其偏移量明显变大，灵敏度明显提高；为进一步提高灵敏度，本发明又并联引入了单模光纤l2，将经过单模光纤l2的谱线进行一次包络，获取单模光纤l2的一次游标拟合谱线，然后将单模光纤l1的一次游标拟合谱线和单模光纤l2的一次游标拟合谱线进行叠加，对叠加后的谱线进行包络拟合，获取二次游标拟合谱线，同时对原始谱线进行二次包络拟合，获取原始谱线的二次游标拟合谱线，如图6中的c图所示，可见其偏移量进一步增大，灵敏度进一步提高。
51.为满足研究的灵敏度要求，如图7所示，可将多个折射率光纤传感器进行级联嵌套设置，但在具体测试灵敏度时，仅需将待测的液体放入靠近光源的第一级中的任意一个折射率光纤传感器中即可。
52.为保证能清晰地得到谐振峰的变化数据，在设置半圆形弯曲时，确保各个半圆形弯曲的透射光谱图至少有两个完整的波谷。
53.在进行具体制作时：需准备光源、两个3db耦合器、上述的单模光纤l1和单模光纤l2，以及光谱分析仪，将单模光纤l1和单模光纤l2的两端分别接入两3db耦合器中，将单模光纤l1和单模光纤l2并联设置，完成测试主体的构造，然后将一个3db的耦合器连接光源，另一个3db的耦合器连接光谱分析仪器。
54.在进行检测时，将待检测的液体浸入至单模光纤l1上游的半圆形弯曲中，通过光谱分析仪确定待测液体的折射率。
55.例如，本发明的实施例中，通过替换不同浓度的nacl溶液来改变干涉结构周围的折射率，记录折射率分别为1.33、1.34、1.35、1.36、1.37和1.38。
56.如图7所示，为提高检测的灵敏度，可将本装置进行级联嵌套设置，预置多个测试主体，将多个测试主体进行级联嵌套设置，各个测试主体之间通过各自的的3db耦合器连接，在多个测试主体完成连接后，若第一级和最后一级存在多个测试主体，将各级测试主体耦合，将耦合后的第一级测试主体的输入端口接入光源，将耦合后的最后一级测试主体的输出端口接入至光谱分析仪。
57.在使用级联嵌套结构进行折射率检测时，在第一级嵌套结构中，任选一个测试主体，选择其单模光纤l1上游的弯曲，浸入到待测溶液中，进行折射率的检测。
58.实施例二：
59.基于实施例一中的一种基于游标效应的并行级联折射率传感器，本发明的实施例二提供一种该光纤传感器用于检测折射率的方法，如图1至图7所示，包括如下步骤：
60.在进行测试之前，首先预置波长偏移量-折射率关系曲线，包括如下步骤：
61.首先准备具备不同折射率的液体样本，将单模光纤l1上游的弯曲依次置入不同折射率的液体样本中，分别获取在不同折射率下经单模光纤l1的透射光谱图，同时获取在折射率为1的环境下的本装置的透射光谱图，如图6中的a图所示，折射率变化后，光谱图会发生偏移，且各折射率对应的光谱图是唯一确定的，指定波谷的偏移量也是唯一确定的，所以本发明通过将不同的偏移量与与折射率对应起来，构造波长偏移量-折射率关系曲线。
62.如图6中的a所示，但由于其偏移量较小，其灵敏度较小，为提高灵敏度，本发明在获取折射率变化后的谱线后，进行如下步骤的操作：
63.如图6中的b图所示，将折射变化的经单模光纤l1的谱线进行包络拟合，获取一次游标拟合谱线；
64.将原始谱线进行包络拟合，获取一次游标拟合谱线；
65.获取折射率变化的一次游标拟合谱线相对于原始谱线的一次游标拟合谱线的波谷波长偏移量数据，将不同的偏移量与折射率对应起来，构造波长偏移量-折射率关系曲线。
66.如图6中的b图所示，可发现相对于a图，其偏移量增大，灵敏度增高。
67.为进一步提高灵敏度，本发明引入了并联单模光纤l1的单模光纤l2，如图6中的c图所示：
68.获取光线经单模光纤l1的折射率发生变化的一次游标拟合谱线；
69.获取光线经单模光线l2的透射光谱图，并进行包络拟合，获取单模光纤l2的一次游标拟合谱线；
70.将单模光纤l1的一次游标拟合谱线与单模光纤l2的一次游标拟合谱线进行叠加，并对叠加后的谱线进行包络拟合，获取二次游标拟合谱线；
71.将原始谱线的一次游标拟合谱线进行包络拟合，获取原始谱线的二次游标拟合谱线；
72.获取折射率变化的二次游标拟合谱线相对于原始谱线的二次游标拟合谱线的波谷波长偏移量数据，将不同的偏移量与折射率对应起来，构造波长偏移量-折射率关系曲线。如图6中的c图所示。
73.本发明在具体实施时，如图6中的a图所示，将发生折射率变化的谱线与原始谱线进行比较，折射率变化的谱线发生了红移，移动距离约为5nm；如图6中的b图所示，将上述谱线经过一次游标拟合后再进行比较发现移动了约48nm；如图6中的c图所示，引入并联的单模光纤l2后，将经单模光纤l2后的透射光谱进行包络拟合，获取其一次游标拟合谱线，将折射率变化的经单模光纤l1的透射光谱的一次游标拟合谱线与经单模光纤l2的谱线的一次游标拟合谱线进行叠加，叠加后进行二次包络，获取折射率变化的二次游标拟合谱线，将原始谱线进行两次包络拟合，获取原始谱线的二次游标拟合谱线，并与折射率变化的二次游标拟合谱线进行比较，发现移动了约100nm。
74.由此看出，本发明采用游标放大的方式可将偏移放大至20倍，可有效提高折射率检测的敏感度。
75.在对谱线进行包络拟合时，本发明采用四阶傅里叶拟合，在每次包络拟合时，连接所有的波谷，其连接公式如下：
76.i(envelope)＝a0+a1·
cos(λw)+b1·
sin(λw)+a2·
cos(2λw)+b2·
sin(2λw)+α3·
cos(3λw)+b3·
sin(3λw)；
77.其中，i(envelope)为包络线的强度；λ为波长；w，a0，a1，a2，a3，b1，b2和b3均为常数，并且可以通过已知的波谷的横纵坐标求出。
78.本发明的实施例中，所述原始谱线为：将将折射率光纤传感器中单模光纤l1的上游弯曲，置于折射率为1的环境中获取的谱线图，具体的，为方便操作，本发明选用折射率接近1的环境为空气环境。
79.通过上述步骤完成波长偏移量-折射率关系曲线图后，进行具体测试，包括如下步骤：
80.首先将待测折射率的溶液放入至单模光纤l1上游的弯曲中，观察光谱分析仪器，获取待测溶液谱线的波谷波长偏移量数据，基于预置的波长偏移量-折射率关系曲线，寻找波长偏移量数据对应的折射率，即为待测液体的折射率。
81.在使用如图7所示的级联嵌套结构进行测试时，仅需将选择靠近光源的第一级中任意一个测试主体，将其单模光纤l1上游的弯曲浸入至待测液体，即可后去灵敏度更高的测试结果。
82.本发明的原理分析：
83.单一弯曲光纤干涉结构如图2所示，当光纤弯曲要到一定程度时，全反射条件不再满足，一部分光从光纤的纤芯泄露到包层，导致被激发的包层模式在弯曲光纤的包层中进行传播，而残余的纤芯模式仍然在纤芯中传播，最后在弯曲光纤末端，包层模式被耦合回纤芯，并与残余的纤芯模式发生干涉。干涉公式如下：
[0084][0085]
其中，i1是干涉光的强度，i
co，1
是第一次光纤弯曲后纤芯模式的光的强度，i
cl，1
是第一次光纤弯曲后包层模式的光的强度；是纤芯模式和包层模式的相位差，具体的计算式如下：
[0086][0087]
其中，n
co，eff
和n
cl，eff
分别是纤芯模式和包层模式的有效折射率，l1是上游半圆形弯曲的干涉长度，δn
eff
＝n
co，eff-n
cl，eff
，是纤芯模式和包层模式的有效折射率差，λ
d1
是透射光谱中传输波峰的波长。当发生干涉的模式之间的相位差为π的奇数倍时，上式可以表示为：
[0088][0089]
其中，k为整数；
[0090]
透射光谱中谐振峰波长为：
[0091][0092]
该干涉仪的fsr可以被表示为:
[0093][0094]
由于包层模式的有效折射率取决于外部环境的折射率，当传感器受到外部坏境的影响时，谐振峰将发生偏移。通过测量谐振峰波长偏移，可以检测外部坏境的折射率的变化。故可以得到单个mzi的折射率传感谐振峰波长随外部折射率的变化为：
[0095][0096]
其中，ncl指的是外部折射率，a指的是相对折射率差随着外部折射率变化的变化率。同理可得其他弯曲光纤区域的干涉公式，纤芯模式和包层模式的相位差，透射光谱中谐振峰的波长变化。
[0097]
由于单模光纤l1剥去了聚合物涂覆层，有利于增强消逝场与外界环境的相互作用，而单模光纤l2是不放入液体中的，也不会有外界环境影响它的干涉。因此l2作为标尺的固定部分，用于参考，单模光纤l1用于标尺的滑动部分，用于传感。同理，单模光纤l1中的下游干涉仪作为单模光纤l1标尺的固定部分也是不能放入水中的，我们需要保证它完全不受影响。而单模光纤l1中的上游干涉仪放入液体中，作为单模光纤l1标尺的滑动部分。
[0098]
其中，单模光纤l1可看成是两个级联的mzi。宽带光源(bbs)发出的光经过双mzi结构单模光纤l1后，在光谱分析仪(osa)中得到透射光的叠加干涉谱，因为1号干涉仪和2号干涉仪产生的光程差不同，故两者的叠加干涉谱会调制信号的强度。选择4阶傅里叶拟合曲线连接所有的波谷，如图3所示，用于连接的公式如下：
[0099]
i(envelope)＝a0+a1·
cos(λw)+b1·
sin(λw)+α2·
cos(2λw)+b2·
sin(2λw)+a3·
cos(3λw)+b3·
sin(3λw)；
[0100]
其中i(envelope)是指包络线的强度，λ是指横坐标波长。a0，al，a2，a3，bl，b2和b3均为常数，并且可以通过已知的波谷的横纵坐标求出。
[0101]
同理单模光纤l2也一样，其包络线的模拟结果如图4所示；
[0102]
而光源(bbs)发出的光经过并行的双mzi结构后,经过l1的光和经过l2的光再次叠加，在光谱分析仪(osa)中可以得到最终的透射光的叠加谱线。其包络线的模拟结果如图5所示；
[0103]
图6为折射率变化下谱线变化情况以及游标拟合包络的移动。图6的(a)中的谱线发生了红移，移动距离约为5nm，同时图6的(b)的一次游标拟合谱线移动了约48nm，而二次游标拟合谱线移动了近100nm，放大倍数达到了20。
[0104]
从理论方面，可以通过推论fsr得到传感器的放大倍数。假设制作得到的干涉仪的fsr分别为fsr1,fsr2,fsr3,fsr4,经过一次游标效应放大后，该传感器的fsr为：
[0105][0106]
通过两次游标效应放大后的fsr为：
[0107][0108]
该传感器的放大倍数为：
[0109][0110]
因此，该传感器的灵敏度为：
[0111][0112]
由上述模拟结果可以得出，折射率传感器的灵敏度获得了大幅度提升。
[0113]
本发明的实施例提供基于游标效应的并行级联气球型超灵敏折射率光纤，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。