一種物質折射率遠程測量裝置及其測量方法與流程

2023-04-26 01:15:19 3

本發明涉及物質折射率測量領域，具體為基於互相關光時域菲涅爾反射技術的物質折射率遠程測量。

背景技術：

折射率參數作為物質的內在屬性，與物質的化學及物理性質有著密切的聯繫，所以在一些領域中，物質的折射率測量具有非常重要的研究意義。然而，現有技術多為近距離測量的電子式傳感器，不能很好滿足在電磁幹擾、腐蝕、易燃易爆等惡劣環境下物質的折射率測量需求。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是：如何解決遠程惡劣環境下物質折射率的測量問題。

本發明所採用的技術方案是：一種物質折射率遠程測量裝置，包括寬帶的放大自發輻射源、密集型波分復用器、摻鉺光纖放大器、第一光纖耦合器、光環行器、傳感光纖、第一光電探測器、第二光電探測器、傳感單元、採集卡和計算機，寬帶的放大自發輻射源順次連接密集型波分復用器、摻鉺光纖放大器，摻鉺光纖放大器的輸出埠接第一光纖耦合器的輸入埠，第一光纖耦合器的第一輸出埠接光環行器的a埠，第一光纖耦合器的第二輸出埠接第一光電探測器的輸入埠，光環行器的埠b通過傳感光纖連接傳感單元，光環行器的埠c接第二光電探測器的輸入埠，第一光電探測器的輸出埠和第二光電探測器的輸出埠都通過採集卡連接計算機。

作為一種優選方式：傳感單元包括光纖法蘭和光纖跳線，光纖跳線的光纖接頭通過光纖法蘭與另外一根光纖跳線的光纖接頭連接，利用連接每根光纖跳線接頭的光纖法蘭引入間隙。

作為一種優選方式：傳感單元包括第二光纖耦合器，傳感光纖傳輸的光信號按照光功率經過第二光纖耦合器將其分為兩路光信號，其中一路光信號經過第二光纖耦合器的第一輸出埠連接到下一段傳感光纖，第二光纖耦合器的第二輸出埠連接一段置於某一折射率的物質中的光纖。

一種物質折射率遠程測量裝置進行遠程物質折射率測量的方法，按照如下的步驟進行

步驟一、通過光纖法蘭或者第二光纖耦合器製作傳感單元，並將傳感單元連接物質折射率遠程測量裝置的其它部件；

步驟二、將傳感單元置於空氣中，將參考光與包含菲涅爾反射信息的散射光進行互相關處理，得到光纖沿線互相關曲線，該曲線包含菲涅爾反射發生的位置信息，同時其相關峰峰值表徵了光纖纖芯折射率與空氣折射率的關係；

步驟三、將傳感單元依次置於待測折射率的多種物質中，經過與步驟二相同的方法，獲得相關峰峰值；

步驟四、將步驟三的結果與步驟二結果對比，並進行曲線擬合，建立相關峰峰值與物質折射率的函數關係，實現物質折射率測量。

本發明的有益效果是：本發明利用菲涅爾反射原理及互相關光時域反射技術，利用互相關技術進行定位，實現遠程惡劣環境下多種物質折射率的測量。具有長距離、抗電磁幹擾、抗腐蝕、本質安全等優點。

附圖說明

圖1為本發明的裝置示意圖；

圖2是本發明一種傳感單元結構示意圖；

圖3是本發明另一種傳感單元結構示意圖；

其中，1、寬帶的放大自發輻射源，2、密集型波分復用器，3、摻鉺光纖放大器，4、第一光纖耦合器，5、光環形器，6、傳感光纖，7、第一光電探測器，8、第二光電探測器，9、傳感單元，10、採集卡，11、計算機，12、fc類型光纖法蘭，13、光纖跳線，14、某一折射率的物質，15、第二光纖耦合器。

具體實施方式

實施方式一：

如圖1和圖2所示，一種物質折射率遠程測量裝置，主要包括寬帶的放大自發輻射源1、密集型波分復用器2、摻鉺光纖放大器3、第一光纖耦合器4、光環行器5、傳感光纖6、第一光電探測器7、第二光電探測器8、傳感單元9、採集卡10及計算機11，寬帶的放大自發輻射源1連接密集型波分復用器2的輸入埠，以濾出中心波長附近的類噪聲光信號，將該光信號接入摻鉺光纖放大器3的輸入端，通過調節摻鉺光纖放大器3的泵浦電流，對其進行放大，並接入第一光纖耦合器4的輸入端，第一光纖耦合器按光功率佔比將其分為光功率佔比為99%的一路與光功率佔比為1%的一路，其中光功率佔比為1%的一路光信號作為參考光，並經由第一光電探測器7轉化為電信號，連接採集卡10的第一輸入埠；光功率佔比為99%的一路光信號經過第一光纖耦合器的第一輸出埠接入光環形器5的a埠，並由光環形器5的b埠注入傳感光纖6及傳感單元9。傳感光纖6及傳感單元9的散射光經過光環行器5的c埠接入第二光電探測器8轉化為電信號，並連接採集卡10的第二輸入埠。採集卡10同時採集參考信號與散射信號，之後將信號同時送入計算機11進行互相關處理，並顯示光纖沿線互相關曲線。

圖2是本發明傳感單元9的一種實現方式，其中包括傳感光纖6，fc類型光纖法蘭12，光纖跳線13。

光由一種折射率介質入射至另一折射率不同的介質中，在波陣面其入射光與反射光的關係可由菲涅爾反射原理得到。由於光注入光纖的入射角小於30℃，p-偏振方向與s-偏振方向的反射係數rp與rs可忽略不計，因而此時波陣面的反射係數可由公式（1）得到：

（1）

其中，n0為光纖纖芯折射率，nf為待測物質折射率。

因此，若fc類型光纖法蘭12通過光纖跳線13連接，並保證光纖跳線13的光纖接頭與光纖法蘭12之間留有一定間隙，當該間隙充滿某一折射率的物質14（待測物質）時，探測光在fc類型光纖法蘭12與待測物質的接觸面產生菲涅爾反射。之後結合互相關技術，該菲涅爾反射發生的位置可由公式（2）得到：

（2）

其中，ur為參考光信號，uf為包含菲涅爾反射信息的散射光信號，k為菲涅爾反射發生位置，cc{}為互相關計算。同時，該相關峰的峰值表徵了光纖纖芯折射率與間隙物質折射率的關係。

若僅在傳感光纖6末端接一個fc類型光纖法蘭12，可實現單點物質折射率測量；若將多個上述的光纖法蘭串聯，可測量不同位置處不同物質折射率，實現準分布式檢測。

實施方式二

與實施方式一不同之處在於如圖3所示，本實施方式是傳感單元9的另一種實現方式，其中包括傳感光纖6，第二光纖耦合器15。傳感光纖6傳輸的光信號按照光功率經過第二光纖耦合器15將其分為兩路光信號，其中一路光信號經過第二光纖耦合器15第一輸出埠注入下一段傳感光纖6，第二光纖耦合器15的第二輸出埠連接一段置於某一折射率的物質中的光纖。

在第二光纖耦合器15的光纖接頭與某一折射率的物質14接觸面會產生菲涅爾反射，並結合互相關技術，可得到該菲涅爾反射發生的位置、此處物質的折射率與光纖纖芯折射率的關係。

若僅在傳感光纖6末端接一個第二光纖耦合器15，可實現單點物質折射率測量；若將多個第二光纖耦合器15以附圖3的形式串聯，可實現物質折射率的準分布式測量。

本發明內容不僅限於上述各實施方式的內容，其中一個或幾個具體實施方式的組合同樣也可以實現發明的目的。