專利名稱：采用光纖傳感技術(shù)測(cè)定液體介質(zhì)折射率的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于液體介質(zhì)折射率的測(cè)定技術(shù)，特別是一種采用光纖傳感技術(shù)對(duì)液體介質(zhì)的折射率進(jìn)行測(cè)定的方法，該方法可廣泛用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷、石油化工等生化應(yīng)用領(lǐng)域中對(duì)液體介質(zhì)化學(xué)成分的含量(濃度)進(jìn)行間接測(cè)量。
背景技術(shù)：
折射率是反映物質(zhì)內(nèi)部信息的一個(gè)基本物理參量。通過測(cè)量折射率可以間接測(cè)量與折射率相關(guān)的物理量如物質(zhì)的含量(濃度)等，所以折射率測(cè)量在環(huán)境監(jiān)測(cè)和石油化工等生化領(lǐng)域中有著極其廣泛的應(yīng)用。因此，對(duì)折射率測(cè)量方法的研究具有重要的實(shí)際意義。目前，折射率的測(cè)量方法有多種，最為成熟的技術(shù)是使用阿貝折射儀(見《用阿貝折射儀測(cè)量單色光折射率》“應(yīng)用光學(xué)” 1997年第18卷第6期，P44-46，作者張宗裕， 徐紅梅)和光纖折射率測(cè)量?jī)x(見《測(cè)量鹽溶液密度的微型光纖折射儀的研究》“儀器儀表學(xué)報(bào)” 1994年第15卷第4期、P446-448，作者金援越，王啟杰，陳鐘欣)。阿貝折射率儀耐惡劣環(huán)境能力差、操作復(fù)雜、測(cè)量精度低、且無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控；光纖折射率測(cè)量?jī)x是將光纖包層和纖芯腐蝕掉一部分后作為探頭埋入被測(cè)介質(zhì)，被測(cè)介質(zhì)折射率的變化將直接影響纖芯中傳輸光的功率大小，通過監(jiān)測(cè)傳輸光功率實(shí)現(xiàn)對(duì)折射率的測(cè)量，該測(cè)量?jī)x雖然操作簡(jiǎn)單、但對(duì)腐蝕工藝要求較高，腐蝕過程難以控制，故重復(fù)性較差，且腐蝕后的光纖極易折斷。法布里-珀羅(F-P)傳感器也可以測(cè)量折射率，它的原理是將待測(cè)介質(zhì)注入 F-P腔內(nèi)，利用反射光譜的條紋漂移來實(shí)現(xiàn)介質(zhì)折射率的測(cè)量(《溫度不敏感的微型纖維直列法布里-珀羅干涉高度敏感的折射率測(cè)量》“Temperature-insensitive miniaturized fiber inline Fabry-Perot interferometer for highly sensitive refractive index measurement", 2008,16 (8) :5764-5769, T. Wei, Y. Han, Y. Li, H. Tsai, and H. Xiao. Opt. Express)，這種方法測(cè)量的靈敏度雖較高，但介質(zhì)的注入、吸出與清洗較困難，并且F-P腔的反射一般需要鍍膜來提高對(duì)比度。在《機(jī)械感生可調(diào)長(zhǎng)周期光纖光柵》(“Tunable mechanically induced long-period fiber gratings"2000, 25 (10) :710-712, Opt. Lett)—文中，公開了一種利用單齒條板與平板施壓的方法可以在光子晶體光纖(參見《基于高靈敏光子晶體光纖機(jī)械長(zhǎng)周期光柵的折身寸率傳感(Highly sensitive photonic crystal fiber-based refractive index sensing using mechanical long-period grating)))" IEEE Photon"2008, 20 (20) 1688-1670，Technol.Lett)或邊孔單模光纖(參見《邊孔單模光纖中機(jī)械誘導(dǎo)長(zhǎng)周期光柵用于溫度禾口折身寸率傳感(Mechanically induced long-period fiber grating in side-hole single-mode fiber for temperature and refractive sensing))) “Opt. Commim”，2010，283 :1303-1306)上產(chǎn)生周期性變化、形成周期為數(shù)百微米的光纖光柵。由于光子晶體光纖的包層中有眾多小孔，而邊孔單模光纖的包層中也存在與纖芯對(duì)稱的小孔；因此、該方法在測(cè)量時(shí)只要將待測(cè)液體直接注入兩光纖包層中的小孔中，在光柵提供的相位匹配條件下，光纖的纖芯基模與不同的包層模發(fā)生諧振耦合、在傳輸譜中出現(xiàn)多個(gè)耦合諧振峰；且在光纖纖芯中傳輸?shù)墓鈺?huì)有部分進(jìn)入到光纖包層周圍的液體介質(zhì)中，因此在液體介質(zhì)折射率發(fā)生改變時(shí)，光柵模式耦合的諧振波長(zhǎng)也會(huì)隨之變化；根據(jù)液體介質(zhì)折射率變化與耦合諧振峰波長(zhǎng)移動(dòng)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系、確定其折射率的變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)傳感測(cè)量的目的。將光子晶體光纖及邊孔單模光纖通過壓力方法制作的周期為數(shù)百微米的光纖光柵， 雖然具有所產(chǎn)生的應(yīng)力變化是暫時(shí)性的(即屬彈性形變)，去掉壓力后、其光柵效應(yīng)立刻消失，而不會(huì)對(duì)光纖物理結(jié)構(gòu)產(chǎn)生永久性改變，可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)；但這兩類特殊設(shè)計(jì)的光纖卻存在制作困難、價(jià)格昂貴，以及在與光源和光譜儀等連接時(shí)需要光纖適配器、且操作過程復(fù)雜，應(yīng)用范圍受限等弊端。此外，由于普通單模光纖包層的材質(zhì)均勻、無可供待測(cè)液體直接注入小孔，因而該方法不適用于普通單模光纖。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述背景技術(shù)存在的缺陷，改進(jìn)設(shè)計(jì)一種采用光纖傳感技術(shù)測(cè)定液體介質(zhì)折射率的方法；該方法利用光彈效應(yīng)與微彎效應(yīng)形成復(fù)合光波導(dǎo)傳輸光柵所構(gòu)成的折射率傳感器，通過對(duì)待測(cè)流體介質(zhì)折射率進(jìn)行測(cè)定的方式、對(duì)其化學(xué)成分含量進(jìn)行間接測(cè)量，以達(dá)到測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及測(cè)量方法簡(jiǎn)單，利用普通單模光纖即可實(shí)現(xiàn)折射率傳感，且具有可調(diào)諧、可重構(gòu)(使用)，操作方使，制作及使用成本低等目的。本發(fā)明的解決方案是首先將待測(cè)折射率的液體介質(zhì)與普通單模光纖及套管組成復(fù)合光波導(dǎo)，檢測(cè)時(shí)將所得復(fù)合光波導(dǎo)置于兩個(gè)具有相同齒間距的齒條板之間、并根據(jù)要求對(duì)齒板施加垂向壓力，在壓力作用下，復(fù)合光波導(dǎo)中的套管與光纖產(chǎn)生光彈效應(yīng)與微彎效應(yīng)，從而使光在傳輸過程中的有效折射率產(chǎn)生與齒條板周期相同的變化，其折射率的變化周期為幾十到幾百微米時(shí)，周期性變化的折射率使復(fù)合光波導(dǎo)中同向傳播的纖芯基模與包層模發(fā)生耦合并產(chǎn)生諧振損耗；當(dāng)纖芯基模與包層模的相位匹配時(shí)、可得到復(fù)合光波導(dǎo)從纖芯基模到第m階沿χ或y方向偏振的包層模諧振波長(zhǎng)為W=(HU)A式中，η。。是復(fù)合光波導(dǎo)的纖芯基模有效折射率，C分別是向復(fù)合光波導(dǎo)中第m階諧振耦合的沿χ或y方向偏振的包層模的有效折射率，A為復(fù)合光波導(dǎo)光柵的周期。雖然復(fù)合光波導(dǎo)中包含了待測(cè)液體介質(zhì)，但復(fù)合光波導(dǎo)的纖芯基模的模場(chǎng)主要集中在光纖纖芯內(nèi)(纖芯內(nèi)徑很小)，對(duì)不同折射率的待測(cè)媒質(zhì)，復(fù)合光波導(dǎo)的纖芯基模有效折射率的變化極小，可以忽略不計(jì)；然而，由于復(fù)合光波導(dǎo)中的包層模的模場(chǎng)會(huì)延伸到待測(cè)液體中，其折射率會(huì)影響每一個(gè)偏振包層模的有效折射率，從而導(dǎo)致纖芯基模與包層模之間的耦合條件發(fā)生改變、引起諧振波長(zhǎng)隨待測(cè)媒質(zhì)折射率而變化；包層模的階數(shù)越高其模場(chǎng)進(jìn)入待測(cè)媒質(zhì)區(qū)域的模場(chǎng)越多，向該模式諧振耦合產(chǎn)生的諧振波長(zhǎng)的遷移越明顯；當(dāng)測(cè)量的光譜范圍包含m階包層模，則通過從第m階沿χ方向(或y方向)偏振包層模的耦合諧振波長(zhǎng)的變化就可以確定待測(cè)媒質(zhì)的折射率。因而，本發(fā)明方法包括A.構(gòu)建復(fù)合光波導(dǎo)首先將普通單模光纖中部用于組建折射率測(cè)量系統(tǒng)的一段光纖的涂覆層去掉、裸露包層并在該包層段套上彈性套管，然后在套管與包層之間注入待測(cè)液體，組成復(fù)合光波導(dǎo)；B.壓制復(fù)合光波導(dǎo)光柵并構(gòu)建折射率測(cè)量系統(tǒng)將由步驟A所得復(fù)合光波導(dǎo)置于兩個(gè)具有相同齒間距的齒條板之間、并根據(jù)單模光纖的類型對(duì)齒板施加垂向壓力，以制得復(fù)合光波導(dǎo)光柵；然后將單模光纖的輸入端與寬譜光源發(fā)生儀(器)的輸出端連接、而將單模光纖的輸出端與光譜分析儀連接，以組成待測(cè)液體折射率測(cè)量系統(tǒng)；C.待測(cè)液體的折射率測(cè)定開啟寬譜光源及光譜分析儀，得到復(fù)合光波導(dǎo)光柵的透射譜，并通過透射譜中的兩個(gè)耦合諧振波長(zhǎng)值確定其中心波長(zhǎng)、進(jìn)而利用中心波長(zhǎng)得到待測(cè)溶液的折射率。在步驟B中所述根據(jù)單模光纖的類型對(duì)齒板施加垂向壓力，其壓力為30-60N。步驟C中所述通過透射譜中的兩個(gè)耦合諧振波長(zhǎng)值確定其中心波長(zhǎng)，即當(dāng)兩個(gè)耦合諧振波長(zhǎng)的值分別為<和<時(shí)、其中心波長(zhǎng)λ。由下式
權(quán)利要求
1.一種采用光纖傳感技術(shù)測(cè)定液體介質(zhì)折射率的方法，包括A.構(gòu)建復(fù)合光波導(dǎo)首先將普通單模光纖中部用于組建折射率測(cè)量系統(tǒng)的一段光纖的涂覆層去掉、裸露包層并在該包層段套上彈性套管，然后在套管與包層之間注入待測(cè)液體，組成復(fù)合光波導(dǎo)；B.壓制復(fù)合光波導(dǎo)光柵并構(gòu)建折射率測(cè)量系統(tǒng)將由步驟A所得復(fù)合光波導(dǎo)置于兩個(gè)具有相同齒間距的齒條板之間、并根據(jù)單模光纖的類型對(duì)齒板施加垂向壓力，以制得復(fù)合光波導(dǎo)光柵；然后將單模光纖的輸入端與寬譜光源發(fā)生儀的輸出端連接、而將單模光纖的輸出端與光譜分析儀連接，以組成待測(cè)液體折射率測(cè)量系統(tǒng)；C.待測(cè)液體的折射率測(cè)定開啟寬譜光源及光譜分析儀，得到復(fù)合光波導(dǎo)光柵的透射譜，并通過透射譜中的兩個(gè)耦合諧振波長(zhǎng)值確定其中心波長(zhǎng)、進(jìn)而利用中心波長(zhǎng)得到待測(cè)溶液的折射率。
2.按權(quán)利要求1所述采用光纖傳感技術(shù)測(cè)定液體介質(zhì)折射率的方法，其特征在于在步驟B中所述根據(jù)單模光纖的類型對(duì)齒板施加垂向壓力，其壓力為30-60N。
3.按權(quán)利要求1所述采用光纖傳感技術(shù)測(cè)定液體介質(zhì)折射率的方法，其特征在于在步驟C中所述通過透射譜中的兩個(gè)耦合諧振波長(zhǎng)值確定其中心波長(zhǎng)，即當(dāng)兩個(gè)耦合諧振波長(zhǎng)的值分別為<和<時(shí)、其中心波長(zhǎng)λ。由下式?jīng)Q定；其中<和<分別對(duì)應(yīng)χ方向偏振和1方向偏振的第m階包層模的耦合諧振波長(zhǎng)值。
4.按權(quán)利要求1所述采用光纖傳感技術(shù)測(cè)定液體介質(zhì)折射率的方法，其特征在于在步驟C中所述得到待測(cè)液體的折射率，其折射率η由下式η = (Ac-b)/a決定；其中，b為絕對(duì)波長(zhǎng)常數(shù)、單位為nm ；a為復(fù)合光波導(dǎo)光柵的傳感靈敏度、單位為nm 1。
全文摘要
該發(fā)明屬于液體介質(zhì)折射率測(cè)定中采用光纖傳感技術(shù)進(jìn)行測(cè)定的方法。包括構(gòu)建復(fù)合光波導(dǎo)，壓制復(fù)合光波導(dǎo)光柵并構(gòu)建折射率測(cè)量系統(tǒng)，待測(cè)液體的折射率測(cè)定。該發(fā)明直接采用將待測(cè)液體介質(zhì)與普通單模光纖及套管組成復(fù)合光波導(dǎo)，并采用兩個(gè)具有相同齒間距的齒條板對(duì)復(fù)合光波導(dǎo)加壓、制得復(fù)合光波導(dǎo)光柵，將所得復(fù)合光波導(dǎo)光柵兩端分別與寬譜光源發(fā)生儀及光譜分析儀連接、即組成待測(cè)液體折射率測(cè)量系統(tǒng)；開啟寬譜光源及光譜分析儀，便可通過所得透射譜及其中心波長(zhǎng)得到待測(cè)溶液的折射率。因而本發(fā)明具有測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及測(cè)量方法簡(jiǎn)單，利用普通單模光纖即可實(shí)現(xiàn)折射率測(cè)定，且具有可調(diào)諧、可重復(fù)使用，操作方使，制作及使用成本低等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N21/41GK102495023SQ20111037229
公開日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月22日
發(fā)明者劉永, 周曉軍, 張旨遙, 王超超, 石勝輝, 黎曉云 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)