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

本发明属于光纤传感系统领域。

背景技术

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

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。

一种光纤传感头，它包括：光纤和反射材料；

所述光纤包括：光纤包层和光纤纤芯；

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10μm至20μm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。

一种测量液体折射率的光纤传感系统，它包括：光源、3dB耦合器、偏振器、传感头、 光谱仪和信号处理模块；

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耦合器中，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；

所述信号处理模块包括以下单元：

采集光谱仪中获得的反射谱在1550nm处的反射谱强度的单元；

获得空气通道与光纤纤芯接触面的反射率R的单元；

获得待测液体的折射率n₂的单元；

所述传感头包括：光纤和反射材料；

所述光纤包括：光纤包层和光纤纤芯；

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10μm至20μm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。

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，

所述装置包括：光源、3dB耦合器、偏振器、传感头和光谱仪；

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耦合器中，3dB 耦合器将该光传输至光谱仪中；

所述传感头包括：光纤和反射材料；

所述光纤包括：光纤包层和光纤纤芯；

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10μm至20μm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；

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，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；

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I₀，然后执行步骤三；

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；

步骤四：利用反射谱强度基准值I₀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；

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。

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 -597.1dB/RIU。

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。

附图说明

图1为一种光纤传感头的剖面结构示意图；

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；

图3为一种测量液体折射率的光纤传感方法的流程图；

图4为S偏振时传感头反射谱对于折射率的光谱变化图；

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

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；

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10μm 至20μm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。

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。

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。

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。

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1、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；

光源1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；

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n₂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10μm 至20μm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。

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1为高斯光源。

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，

所述装置包括：光源1、3dB耦合器2、偏振器3、传感头4和光谱仪5；

光源1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；

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10μm 至20μm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I0，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I₀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；

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。

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，

lg(I₁/I₀)=lg(R)。

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，

$\left(\begin{array}{c}R={\left(\frac{n\cos {\theta }_1-\cos {\theta }_2}{n\cos {\theta }_1+\cos {\theta }_2}\right)}^2\\ n=n_1/n_2\end{array}\right),$

其中，n₁为光纤纤芯4-2的折射率，θ₁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，θ₂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。

具体实施方式十：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P偏 振时，根据如下公式获得待测液体的折射率n₂，

$\left(\begin{array}{c}R={\left(\frac{-n\cos {\theta }_2+\cos {\theta }_1}{n\cos {\theta }_2+\cos {\theta }_1}\right)}^2\\ n=n_1/n_2\end{array}\right),$

其中，n₁为光纤纤芯4-2的折射率，θ₁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，θ₂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。

光纤包层4-1从功能上可以被视为Fabry-Perot（FP）腔，信号光会在FP腔中不断的反 射，由于光束在FP腔上两面的反射率相等且较低，因而该传感探头的反射谱可以直接简单 的用双光束干涉表示。即：

其中，R为空气通道4-5斜面的反射率；I₁为FP腔一个反射面上反射光的光强，I₂为 FP腔另一个反射面上反射光的光强；λ为光源1发出的光的光强，n₃为光纤包层4-1的折 射率；L为FP腔的腔长，即为光纤包层4-1的厚度，为初始相位。

设定入射光为高斯光源，带宽为200nm，光谱范围为1200nm到1600nm，中心波长为 1500nm，待测液体折射率选定普遍常用的1.33（水）-1.44，调节偏振器，让信号光处于S 偏振时，从所测得的反射谱中提取通信窗口1550nm的数据结果，处理后得到的测量结果 如图4所示，随着折射率不断增大，越来越接近纤芯折射率，透射光不断增大，反射光不 断减小，呈单调变化。传感头的折射率灵敏度最少为-73.6dB/RIU，最大灵敏度能高达-298.3 dB/RIU，完全有能力进行折射率传感。

同理，调节偏振器，让信号光处于P偏振时，其他参数设置相同，得到的测量结果如 图5所示，随着折射率不断增大，越来越接近纤芯折射率，反射光不断减小，呈单调变化。 并且，通过计算发现，该传感头的折射率灵敏度最少为-148.0dB/RIU，最大灵敏度能高达 -597.1dB/RIU，完全有能力进行折射率传感。