CN106932364A - 宏弯曲错位拉锥型光纤液体折射率传感器 - Google Patents
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Abstract
一种宏弯曲错位拉锥光纤传感器，属于光纤传感技术领域。由宽谱光源、错位拉锥光纤传感头、光谱仪、两个光纤夹具和两个位移台组成；其中，错位拉锥光纤传感头由四根参数相同的光纤组成，从左至右依次为第一错位光纤、第一拉锥光纤、第二拉锥光纤和第二错位光纤；两个光纤夹具分别将第一错位光纤和第二错位光纤固定在位移台上，通过位移台的移动来改变第一拉锥光纤和第二拉锥光纤的宏弯曲半径；第一错位光纤和第一拉锥光纤的纤芯部分进行错位熔接，第二拉锥光纤和第二错位光纤的纤芯部分进行错位熔接；第一拉锥光纤和第二拉锥光纤进行拉锥熔接形成锥型结构，两段光纤的纤芯与包层完全对位连接。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于马赫增德尔干涉仪原理的宏弯曲错位拉锥结构光纤液体折射率传感器。
背景技术
随着今年来光纤通信和光电技术的发展，光纤传感技术也被用于多个领域。光纤传感器相比于传统传感器具有尺寸小，抗电磁干扰，抗腐蚀等优点，可以用来测量如位移、温度、压力、拉力、液位、折射率等物理量。折射率是一个重要的物理量，可以反映其他许多的物理量，对折射率的测量广泛应用于化工，生物医学等领域。目前典型的光纤折射率传感器包括：光纤表面等离子体共振(SPR)折射率传感器、光纤光栅折射率传感器、基于消逝场的光纤折射率传感器。光纤表面等离子体共振(SPR)折射率传感器、光纤光栅折射率传感器均需要复杂的设备，成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于马赫增德尔干涉仪的宏弯曲错位拉锥光纤传感器，该传感器具有制作简单，成本低廉，灵敏度高，易于与其他光纤组件连接等优点。
本发明是利用马赫增德尔干涉仪原理进行折射率测量的。本发明所述的一种宏弯曲错位拉锥光纤传感器由宽谱光源(Opeak 1550宽带光源，输出光波长范围为1525nm～1570nm，连续输出)、错位拉锥光纤传感头、光谱仪(YOKOGAWA AQ6370D)、两个光纤夹具和两个位移台组成；
错位拉锥光纤传感头由四根参数相同的光纤组成，从左至右依次为第一错位光纤、第一拉锥光纤、第二拉锥光纤和第二错位光纤；错位拉锥光纤传感头的输入端与宽带光源连接，输出端与光谱仪连接；两个光纤夹具分别将第一错位光纤和第二错位光纤固定在位移台上，通过位移台的移动来改变第一拉锥光纤和第二拉锥光纤的宏弯曲半径。由于错位拉锥光纤传感头是对称的，所以输出与输入端可以互换。
本发明宏弯曲错位拉锥光纤传感器中，错位拉锥光纤传感头可以采用G652D光纤(纤芯直径8～10μm，包层直径120～130μm，也可采用G653，G655等商用单模光纤)制作，首先准备四根光纤，第一错位光纤和第二错位光纤的长度相同，为10～20cm(可进行调整便于与宽带光源和光谱仪进行连接)，第一拉锥光纤和第二拉锥光纤的长度相同，为0.5～2cm。
首先将第一错位光纤和第一拉锥光纤的纤芯部分进行错位熔接，错位尺寸为5～7μm；然后将第二拉锥光纤和第二错位光纤的纤芯部分进行错位熔接，错位尺寸与前面所述的错位尺寸相同；再将第一拉锥光纤和第二拉锥光纤进行拉锥熔接形成锥型结构，两段光纤的纤芯与包层完全对位连接，锥型结构的拉锥长度为120～140μm，锥顶直径为40～60μm。
在第一错位光纤和第一拉锥光纤之间的第一错位处，第一错位光纤纤芯内的部分光进入第一拉锥光纤的纤芯并激励出纤芯基模，部分光进入第一拉锥光纤的包层并激励出包层高阶模。在第一拉锥光纤和第二拉锥光纤的锥型结构处，由于弯曲和半径的减小，包层的消逝场增强，提高了对外界的折射率的敏感度；纤芯基模和包层高阶模分别沿着第一拉锥光纤和第二拉锥光纤的纤芯和包层传输，在第二拉锥光纤和第二错位光纤的第二错位处耦合进入第二错位光纤的纤芯中，由于纤芯基模和包层高阶模的光程不同，耦合进入第二错位光纤纤芯的光发生干涉。干涉方程为:
I是干涉后所得到的光强，I1、I2分别为纤芯基模和包层高阶模的光强，φ为两种模式之间的相位差。
l是干涉长度，在这里是拉锥熔接后第一拉锥光纤和第二拉锥光纤的总长度和。n1(z)、n2(z)是纤芯基模和包层高阶模沿着第一拉锥光纤和第二拉锥光纤传输的有效折射率分布函数，和光纤的材料及光纤周围的环境有关；λ是来自宽带光源的入射光的波长。当满足
φ＝(2m+1)π
时产生干涉峰(m为正整数)。而随着外界液体折射率ncl的变化，由于包层中有效折射率n2(z)满足近似公式
其中k0是传播常数，r为包层半径，n0(z)为包层折射率分布函数，n2(z)为包层高阶模有效折射率分布函数，n为正整数，是模的阶数，ncl(z)是外界待测液体的折射率分布函数，s对于TE模为0，对于TM模为1。从公式中可以看出，当外界待测液体折射率变化时，也将导致解出的n2(z)有效折射率的变化，从而引起干涉峰位置的移动。因此通过干涉峰位置的变化可以进行外界液体折射率的测量。
而当错位拉锥光纤传感头的宏弯曲半径改变时，折射率分布因为应力而发生变化，导致干涉峰位置和强度的变化。从而对于不同的光源和光谱仪可以通过改变弯曲半径使得工作波段内产生干涉峰。
在弯曲半径改变后，需要先用已知折射率的液体进行测试校准，测量得到液体折射率与干涉峰位置波长的关系曲线，其近似为直线y＝ax+b，y为干涉峰波长，x为液体折射率，通过校准可以确定参数a和b，因此可通过干涉峰位置和校准得到的曲线得出折射率。
本发明还可以包括：
1、所述的宏弯曲错位拉锥光纤传感器干涉峰的位置可以通过调节弯曲半径来进行控制，以应用于各种规格的光源和光谱仪，以保证在工作范围内存在干涉峰，进行折射率的测量。
2、将两个光纤夹具分别竖直固定在两个单独的位移台上，将错位拉锥光纤传感头两端分别固定在两个光纤夹具上，使光纤弯曲，通过移动位移台使光纤弯曲半径发生改变，进而使光纤干涉峰发生移动。
3、光纤中的锥形结构使在包层传播的包层模消逝场增强，加强了对外界折射率变化的灵敏度。
本发明具有如下优点：
本发明的折射率传感器传感探头的制作只需要光纤熔接机，不需要使用氢氟酸等化学制剂腐蚀，制作工艺简单，容易控制，成本低廉，便于商业化生产。
本发明的折射率传感器采用的是商用单模石英光纤，成本低廉易于推广，可适应不同光源和光谱仪，灵敏度较高。
附图说明
图1是本发明的宏弯曲错位拉锥光纤折射率传感器的结构示意图；
各部分名称为：宽谱光源1、光谱仪2、错位拉锥光纤传感头3、第一位移台4、第二位移台5、第一光纤夹具6、第二光纤夹具7。
图2是本发明的错位拉锥光纤的制作过程示意图；
各部分名称为：第一错位光纤21、第一拉锥光纤22、第二拉锥光纤23、第二错位光纤24。
图3是本发明的宏弯曲错位拉锥光纤折射率传感器未弯曲时的各项参数的示意图；
各部分名称是干涉长度33、错位尺寸31、拉锥长度32、锥顶直径34。
图4是本发明的宏弯曲错位拉锥光纤折射率传感器弯曲后的各项参数的示意力图；
宏弯曲半径41。
图5是本发明装置测量的液体折射率与干涉光谱的关系图。
图6是本发明装置测量的液体折射率与干涉光谱干涉峰波长的关系曲线拟合图。
具体实施方式
实施例1
图1是本发明的宏弯曲错位拉锥光纤折射率传感器示意图，包括宽谱光源1、光谱仪2、错位拉锥光纤传感头3、第一位移台4、第二位移台5、第一光纤夹具6、第二光纤夹具7组成。在进行测试时，由宽谱光源1发出的光在通过错位拉锥光纤传感头3时，由于干涉产生干涉峰，产生干涉峰的光谱输入到光谱仪，当探头浸入待测液体时，干涉峰的位置发生变化，干涉峰移动后的光谱输入到光谱仪中，光谱中干涉峰的位置会随着液体折射率变化而变化，通过干涉峰的移动就可以得到待测液体的折射率值。
图2是本发明的宏弯曲错位拉锥光纤的制作过程示意图，首先第一错位光纤21和第一拉锥光纤22使用光纤熔接机进行错位熔接，再使用同样方法将第二拉锥光纤23和第二错位光纤24进行错位熔接，最后将第一拉锥光纤22和第二拉锥光纤23进行拉锥熔接就得到所制备的光纤传感器探头3。
错位拉锥光纤传感头采用G652D光纤，纤芯直径9μm，包层直径125μm。第一错位光纤和第二错位光纤的长度相同，为15cm；第一拉锥光纤和第二拉锥光纤的长度相同，为1cm。
图3和图4是本发明的宏弯曲错位拉锥光纤折射率传感器的各项参数示意图，第一错位光纤21和第一拉锥光纤22的错位尺寸31影响着耦合进第一拉锥光纤22包层和纤芯的光能量比例，干涉长度33会影响干涉后得到的干涉光谱。拉锥长度32和拉锥最细处的锥顶直径34可以改变光纤传感器灵敏度。在这里，错位尺寸31的数值为7μm，干涉长度33为拉锥后第一第二拉锥光纤长度之和，由于拉锥后变长，第一拉锥光纤和第二拉锥光纤长度之和大于拉锥前长度之和，本实施例中经测量约为20.04mm，拉锥长度的数值32为128μm，拉锥最细处的锥顶直径34的数值为55μm。弯曲半径41的改变会使干涉峰发生移动。
图5是所制作的宏弯曲错位拉锥光纤折射率传感器所测得的干涉峰随液体折射率变化而移动的光谱图，干涉峰位置由右至左的五条曲线分别对应折射率为1.333，1.35，1.37，1.39，1.41的液体。当随着液体折射率上升，在1540nm附近的干涉峰向蓝光光方向移动，在这里光纤弯曲半径41的数值为34.29mm，测量的折射率的范围为1.333到1.41。
图6是图5中光谱在1540nm附近干涉峰的波长数值随折射率变化的测试数据的拟合曲线图，干涉峰的位置与折射率呈现近似直线的线性关系y＝1619-58.28x。y为干涉峰的波长，x为液体折射率。灵敏度为58.28nm/RI。
Claims (5)
1.一种宏弯曲错位拉锥光纤传感器，其特征在于：由宽谱光源、错位拉锥光纤传感头、光谱仪、两个光纤夹具和两个位移台组成；
其中，错位拉锥光纤传感头由四根参数相同的光纤组成，从左至右依次为第一错位光纤、第一拉锥光纤、第二拉锥光纤和第二错位光纤；错位拉锥光纤传感头的输入端与宽带光源连接，输出端与光谱仪连接；两个光纤夹具分别将第一错位光纤和第二错位光纤固定在位移台上，通过位移台的移动来改变第一拉锥光纤和第二拉锥光纤的宏弯曲半径；
第一错位光纤和第一拉锥光纤的纤芯部分进行错位熔接，第二拉锥光纤和第二错位光纤的纤芯部分进行错位熔接；第一拉锥光纤和第二拉锥光纤进行拉锥熔接形成锥型结构，两段光纤的纤芯与包层完全对位连接。
2.如权利要求1所述的一种宏弯曲错位拉锥光纤传感器，其特征在于：光纤的纤芯直径为8～10μm，包层直径为120～130μm；第一错位光纤和第二错位光纤的长度相同，为10～20cm；第一拉锥光纤和第二拉锥光纤的长度相同，为0.5～2cm。
3.如权利要求2所述的一种宏弯曲错位拉锥光纤传感器，其特征在于：第一错位光纤和第一拉锥光纤间的错位尺寸与第二拉锥光纤和第二错位光纤间的错位尺寸相同，为5～7μm；锥型结构的长度为120～140μm，锥顶直径为40～60μm。
4.如权利要求1所述的一种宏弯曲错位拉锥光纤传感器，其特征在于：采用G652D、G653或G655单模光纤。
5.如权利要求1所述的一种宏弯曲错位拉锥光纤传感器，其特征在于：宽谱光源为Opeak 1550宽带光源，输出光波长范围为1525nm～1570nm，连续输出。
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| PB01 | Publication | ||
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