一種基於光纖的折射率傳感器及測量方法
2023-09-22 00:18:50 2
專利名稱：一種基於光纖的折射率傳感器及測量方法
技術領域：
本發明涉及光纖光學領域，尤其涉及一種基於光纖的折射率傳感器及測量方法。
背景技術：
根據液體折射率的變化，可獲知液體濃度或成分的變化，所以測量液體的折射率就成為探知液體的一種重要手段。光纖折射率傳感器是一種以光纖為媒介測量液體折射率的傳感器，具有體積小、重量輕、抗電磁幹擾、電絕緣性好、靈敏度高等優點。現有的大多數基於光纖的折射率傳感器利用導模耦合的原理來測量液體折射率， 這就使得此種折射率傳感器僅適用於測量折射率低於傳感光纖的折射率的液體，而無法測量高濃度蔗糖溶液、甘油、光纖匹配液等自身折射率高於傳感光纖折射率的液體。雖然部分基於光纖光柵的傳感器能夠用於測量高折射率液體，但是這種傳感器必須使用特種光敏光纖，且光刻工藝複雜，因而增加了測試高折射率液體的成本。所以，目前還沒有一種工藝簡單且成本低的傳感器和方法能夠用於測量高折射率液體的折射率。
發明內容
有鑑於此，本發明提供了一種基於光纖的折射率傳感器及測量方法，以解決目前測量折射率高於光纖的液體的折射率成本高的問題。一種基於光纖的折射率傳感器，用於測量折射率高於所述光纖折射率的液體的折射率，包括接收測試光的第一單模光纖；與所述第一單模光纖連接的，接收所述第一單模光纖輸出的測試光的，去除塗敷層和包層且具有特定長度的多模光纖，所述特定長度為當所述測試光向所述多模光纖耦合時，使得若干被激起的漏模在所述多模光纖輸出端面處相干相加的長度；與所述多模光纖連接的，接收所述多模光纖輸出的測試光，並將其輸出的第二單模光纖。優選地，所述第一單模光纖與所述多模光纖為無偏心連接，所述多模光纖與所述第二單模光纖為無偏心連接。優選地，所述多模光纖包括多模通信光纖。優選地，所述第一單模光纖和第二單模光纖分別包括單模通信光纖。優選地，所述第一單模光纖和第二單模光纖的參數相同。優選地，所述第一單模光纖和第二單模光纖的參數不同。一種基於光纖的折射率測量方法，用於上述傳感器，包括測量由第一單模光纖進入的，經浸入所述液體中的特定長度的多模光纖傳播且從第二單模光纖輸出的測試光的功率損耗，所述特定長度為當所述測試光向所述多模光纖耦合時，使得若干被激起的漏模在所述多模光纖輸出端面處相干相加的長度；參考預設的功率損耗與折射率間的對應關係，依據所述測試光的功率損耗，確定所述液體的折射率。優選地，所述測試光包括與所述單模光纖和所述多模光纖波長參數匹配的雷射。本發明實施例提供的基於光纖的測量高折射率液體的折射率傳感器及方法，摒棄了傳統的基於導模耦合的測量原理，使用基於漏模模間幹涉的方法。將多模光纖的長度設定為能夠使測試光在其中激起的漏模發生相干相加的長度，通過測量依次經由第一單模光纖、多模光纖、第二單模光纖傳播的測試光的功率損耗，確定待測液體的折射率，從而打破了普通光纖不能測量高折射率液體的折射率的限制，並且，本發明實施例所公開的傳感器， 僅需要使用普通光纖進行簡單的連接就可實現對摺射率的準確測量，因此降低了測量高折射率液體的成本。
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發明實施例公開的一種基於光纖的折射率傳感器的結構示意圖；圖2為本發明實施例公開的一種基於光纖的折射率測試方法中測試光輸出功率損耗隨被測液體的折射率變化的曲線圖；圖3為本發明實施例公開的一種基於光纖的折射率測試方法流程圖。
具體實施例方式本發明提供了一種基於光纖的折射率傳感器，所述傳感器採用普通光纖通過簡單的預處理與簡單連接即可實現。同時與所述傳感器對應的，本發明還提供了一種基於光纖的折射率測試方法，用於所述傳感器，當液體的折射率高於所述光纖的折射率時，適用所述傳感器及方法測量其折射率。下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。本發明公開了一種基於光纖的折射率傳感器，用於測量折射率高於所述光纖折射率的液體的折射率，如圖1所示，包括接收測試光的第一單模光纖101 ；與所述第一單模光纖連接的，接收所述第一單模光纖輸出的測試光的，預先去除包層與塗敷層的，且具有特定長度的多模光纖102，所述特定長度為當所述測試光向所述多模光纖耦合時，使得若干被激起的漏模在所述多模光纖輸出端面處相干相加的長度；與所述多模光纖連接的，接收所述多模光纖輸出的測試光，並將其輸出的第二單模光纖103。其中，所述多模光纖可以使用纖芯直徑為105μπι，纖芯折射率為1.45的多模光纖，剝掉其塗敷層並使用氫氟酸去除其包層。這裡的纖芯直徑和折射率為優選設定，但並不限於所述固定值。所述第一單模光纖與所述多模光纖為無偏心連接，所述多模光纖與所述第二單模光纖為無偏心連接。上述的連接方式可以為熔接或者能將三段光纖連接的其他方式。所述折射率傳感器的功能實現原理如下第一單模光纖和第二單模光纖為普通單模光纖，兩者都支持最低階導模；測量時浸入被測高折射率液體中的多模光纖與所述液體組成波導結構，此波導結構支持離散的漏模。將第一單模光纖的電場設為雲, ，將多模光纖的漏模電場定義為雲 ，傳播常數定義為旦-竹^^其中！！！為模式階數，實部β _ 代表該階漏模沿光纖軸向的相位特性，虛部CIm則代表其沿光纖軸向的損耗特性。當第一單模光纖與多模光纖無偏心對接後，由第一單模光纖進入且經其傳輸後的測試光向多模光纖耦合，激勵起若干漏模，且不同階漏模耦合的能量由激勵係數nm決定， 為
權利要求
1.一種基於光纖的折射率傳感器，用於測量折射率高於所述光纖折射率的液體的折射率，其特徵在於，包括接收測試光的第一單模光纖；與所述第一單模光纖連接的，接收所述第一單模光纖輸出的測試光的，去除塗敷層和包層且具有特定長度的多模光纖，所述特定長度為當所述測試光向所述多模光纖耦合時， 使得若干被激起的漏模在所述多模光纖輸出端面處相干相加的長度；與所述多模光纖連接的，接收所述多模光纖輸出的測試光，並將其輸出的第二單模光纖。
2.根據權利要求1所述的傳感器，其特徵在於，所述第一單模光纖與所述多模光纖為無偏心連接，所述多模光纖與所述第二單模光纖為無偏心連接。
3.根據權利要求1所述的傳感器，其特徵在於，所述多模光纖包括 多模通信光纖。
4.根據權利要求1所述的傳感器，其特徵在於，所述第一單模光纖和第二單模光纖分別包括單模通信光纖。
5.根據權利要求1至4任一項所述的傳感器，其特徵在於，所述第一單模光纖和第二單模光纖的參數相同。
6.根據權利要求1至4任一項所述的傳感器，其特徵在於，所述第一單模光纖和第二單模光纖的參數不同。
7.一種基於光纖的折射率測量方法，其特徵在於，用於權利要求1所述的傳感器，包括測量由第一單模光纖進入的，經浸入所述液體中的特定長度的多模光纖傳播且從第二單模光纖輸出的測試光的功率損耗，所述特定長度為當所述測試光向所述多模光纖耦合時，使得若干被激起的漏模在所述多模光纖輸出端面處相干相加的長度；參考預設的功率損耗與折射率間的對應關係，依據所述測試光的功率損耗，確定所述液體的折射率。
8.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述測試光包括 與所述單模光纖和所述多模光纖波長參數匹配的雷射。
全文摘要
本發明公開了一種基於光纖的折射率傳感器及用於所述傳感器的折射率測量方法，所述傳感器包括接收測試光的第一單模光纖、與第一單模光纖連接的，接收第一單模光纖輸出的測試光的，去除塗敷層和包層且具有特定長度的多模光纖，所述特定長度為當測試光向多模光纖耦合時，使得若干被激起的漏模在所述多模光纖輸出端面處相干相加的長度；與多模光纖連接的，接收多模光纖輸出的測試光，並將其輸出的第二單模光纖；所述方法基於以上結構，測量由第一單模光纖進入的，經浸入液體中的多模光纖傳播且從第二單模光纖輸出的測試光的功率損耗，參考預設的功率損耗與折射率間的對應關係，依據測得的功率損耗，確定液體的折射率，降低了測量高折射率液體的成本。
文檔編號G01N21/41GK102507497SQ20111033229
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月27日 優先權日2011年10月27日
發明者楊利, 薛林林, 錢景仁 申請人:中國科學技術大學