CN108844919B - 包层反射式倾斜光纤光栅折射率传感器及制作、测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种包层反射式倾斜光纤光栅折射率传感器及制作、测量方法，所述传感器包括光源、传感探头以及光谱解调装置，所述光源和光谱解调装置通过光纤环形器分别与传感探头连接，所述传感探头包括带有包层反射镜的单模光纤和倾斜光纤光栅，所述倾斜光纤光栅与单模光纤连接，且倾斜光纤光栅具有后向传输的包层模；当倾斜光纤光栅外部折射率改变时，倾斜光纤光栅的包层模光场随之变化，通过监测包层模光场波长和强度的变化感知外部折射率变化，实现对折射率的测量。本发明可实现全光纤高灵敏度折射率测量，具有体积小、重量轻、灵敏度高、抗电磁干扰、稳定性强、适合全程监测等优点。

Description

包层反射式倾斜光纤光栅折射率传感器及制作、测量方法

技术领域

本发明涉及一种折射率传感器，尤其是一种包层反射式倾斜光纤光栅折射率传感器及制作、测量方法，属于传感技术领域。

背景技术

众所周知，光纤光栅传感器与传统的电学传感器相比较，其具有低损耗、尺寸小、重量轻、抗电磁干扰、化学稳定及电绝缘等优点。然而，传统光纤布拉格光栅对环境折射率不敏感，无法实现基于折射率改变的传感应用。长周期光纤光栅对环境温度、应变和折射率交叉敏感，其稳定性差限制了长周期光纤光栅的在实际测量中的应用推广。

倾斜光纤光栅由于光栅倾角引入，有效地将光纤纤芯基模激发至光纤包层，产生数百个具有不同有效折射率的包层模式，这些包层模使得倾斜光纤光栅对环境折射率及其敏感，与此同时，倾斜光纤光栅纤芯基模又可实现对环境温度和应变信息测量，因此倾斜光纤光栅具有多参量同时测量的特色，并且其也继承了短周期光纤光栅(光纤布拉格光栅)结构稳定的优点，具有很好的传感应用潜力。

倾斜光纤光栅激发的包层模为后向传输模式，能量分布在光纤包层，其能量无法再次返回光纤纤芯，被探测器接收到。传统的倾斜光纤光栅折射率传感器测量的都是被激发后剩余的纤芯模式能量。

发明内容

本发明的第一个目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种包层反射式倾斜光纤光栅折射率传感器，该传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、抗电磁干扰、稳定性强、适合全程监测等优点。

本发明的第二个目的在于提供一种包层反射式倾斜光纤光栅折射率传感器的制作方法。

本发明的第三个目的在于提供一种基于上述包层反射式倾斜光纤光栅折射率传感器的测量方法

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

包层反射式倾斜光纤光栅折射率传感器，包括光源、传感探头以及光谱解调装置，所述光源和光谱解调装置通过光纤环形器分别与传感探头连接，所述传感探头包括带有包层反射镜的单模光纤和倾斜光纤光栅，所述倾斜光纤光栅与单模光纤连接，且倾斜光纤光栅具有后向传输的包层模。

进一步的，所述包层反射镜由镀在光纤端头的反射膜加工而成。

进一步的，所述包层反射镜的中间开有可通光的圆孔。

进一步的，所述圆孔的直径为10～30微米。

进一步的，所述反射膜的反射率超过90％。

进一步的，所述倾斜光纤光栅的倾斜角度为0～45度。

进一步的，所述光源为宽带光源或可调谐激光器。

本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：

包层反射式倾斜光纤光栅折射率传感器的制作方法，所述方法包括：

在光纤端头镀反射膜，并加工成包层反射镜；将包层反射镜的中间部分去除；将倾斜光纤光栅与带有包层反射镜的单模光纤连接，构成传感探头；将传感探头通过光纤环形器分别连接光源和光谱解调装置，构成包层反射式倾斜光纤光栅折射率传感器。

进一步的，所述包层反射镜的中间部分为圆孔。

本发明的第三个目的可以通过采取如下技术方案达到：

基于上述包层反射式倾斜光纤光栅折射率传感器的测量方法，其特征在于：所述方法包括：

从光源出射的光，在光纤纤芯中传输，进入光纤环形器，先到达包层反射镜，包层反射镜对纤芯中的光没有反射作用，纤芯光入射到倾斜光纤光栅；纤芯光被倾斜光纤光栅耦合到包层，变成后向传输的包层模，入射到包层；包层模被包层反射镜反射，重新经过倾斜光纤光栅，并被倾斜光纤光栅耦合回纤芯，变成后向传输的纤芯模式；这些光经过光纤环形器后被光谱解调装置接收；包层模的倏逝场分布在光纤外，当倾斜光纤光栅外部折射率改变时，倾斜光纤光栅的包层模的光场受到调制，反应到光谱解调装置的光谱上是波长和强度的变化；通过监测包层模的光场波长和强度的变化，实现折射率的测量。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明通过在单模光纤上设计包层反射镜，并将带有包层反射镜的单模光纤与倾斜光纤光栅相结合，当光纤纤芯中的光到达包层反射镜时，包层反射镜对纤芯中的光没有反射作用，纤芯光被倾斜光纤光栅耦合到包层，变成后向传输的包层模，入射到包层，包层模被包层反射镜反射，重新经过倾斜光纤光栅，并被倾斜光纤光栅耦合回纤芯，变成后向传输的纤芯模式，包层模的倏逝场分布在光纤外，当倾斜光纤光栅外部折射率改变时，倾斜光纤光栅的包层模光场随之变化，通过监测包层模光场波长和强度的变化感知外部折射率变化，实现对折射率的的高灵敏测量。

2、本发明的折射率传感器可实现全光纤高灵敏度折射率测量，具有结构紧凑、成本低廉、适合全程监测的优点。

附图说明

图1为本发明的包层反射式倾斜光纤光栅折射率传感器的光路结构示意图。

图2为本发明的包层反射式倾斜光纤光栅折射率传感器中传感探头的结构示意图。

图3为本发明的包层反射式倾斜光纤光栅折射率传感器中传感探头的输出光谱示意图。

图4为本发明的包层反射式倾斜光纤光栅折射率传感器的折射率响应示意图。

其中，1-光源，2-光谱解调装置，3-光纤环形器，4-包层反射镜，5-倾斜光纤光栅。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1和图2所示，本实施例提供了一种包层反射式倾斜光纤光栅折射率传感器，该传感器包括光源1、传感探头以及光谱解调装置2，光源1和光谱解调装置2通过光纤环形器3分别与传感探头连接，传感探头包括带有包层反射镜4的单模光纤和倾斜光纤光栅5；倾斜光纤光栅5与单模光纤连接，且倾斜光纤光栅5具有后向传输的包层模，其倾斜角度为0～45度，具有折射率灵敏特性。

本实施例中，所述光源1为宽带光源或可调谐激光器；所述光纤环形器3具有三个端口，第一个端口连接光源1，第二个端口依次连接包层反射镜4、倾斜光纤光栅5，第三个端口连接光谱解调装置2。

本实施例中，所述包层反射镜4由镀在光纤端头的高反射率反射膜加工而成，优选地，反射膜为反射率超过90％的金膜或银膜；包层反射镜4的中间开有圆孔，该圆孔可以通光，包层反射镜4除了圆孔的其余部分用于反射光，优选地，圆孔的直径15微米，可以理解的是，圆孔的直径还可在10～30微米之间的其他数值。

本实施例的包层反射式倾斜光纤光栅折射率传感器的制作过程如下：

在光纤端头镀反射膜，并加工成包层反射镜4；将包层反射镜4的中间部分(15微米)去除；将倾斜光纤光栅5与带有包层反射镜4的单模光纤连接，构成传感探头；将传感探头通过光纤环形器3分别连接光源1和光谱解调装置2，构成包层反射式倾斜光纤光栅折射率传感器。

本实施例的包层反射式倾斜光纤光栅折射率传感器的工作原理如下：

从光源1出射的光，在光纤纤芯中传输，进入光纤环形器3，先到达包层反射镜4，由于包层反射镜4对纤芯中的光没有反射作用，纤芯光入射到倾斜光纤光栅5；纤芯光被倾斜光纤光栅5耦合到包层，变成后向传输的包层模，入射到包层；包层模被包层反射镜4反射，重新经过倾斜光纤光栅5，并被倾斜光纤光栅5耦合回纤芯，变成后向传输的纤芯模式；这些光经过光纤环形器3后被光谱解调装置2接收；通过光谱解调装置2解调的传感探头输出光谱和折射率响应曲线分别如图3和图4所示，将传感探头置于不同折射率的溶液中，由于倾斜光纤光栅5的包层模的倏逝场分布在光纤外，当倾斜光纤光栅5外部折射率改变时，包层模的光场受到调制，反应到光谱解调装置2的光谱上是波长和强度的变化；通过监测包层模的光场波长和强度的变化，即可有效测量外部折射率，实现折射率的精确测量。

综上所述，本发明的折射率传感器可实现全光纤高灵敏度折射率测量，具有结构紧凑、成本低廉、适合全程监测的优点。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (9)

1.包层反射式倾斜光纤光栅折射率传感器，其特征在于：包括光源、传感探头以及光谱解调装置，所述光源和光谱解调装置通过光纤环形器分别与传感探头连接，所述传感探头包括带有包层反射镜的单模光纤和倾斜光纤光栅，所述倾斜光纤光栅与单模光纤连接，且倾斜光纤光栅具有后向传输的包层模，所述包层反射镜的中间开有可通光的圆孔；

从光源出射的光，在光纤纤芯中传输，进入光纤环形器，先到达包层反射镜，包层反射镜对纤芯中的光没有反射作用，纤芯光入射到倾斜光纤光栅；纤芯光被倾斜光纤光栅耦合到包层，变成后向传输的包层模，入射到包层；包层模被包层反射镜反射，重新经过倾斜光纤光栅，并被倾斜光纤光栅耦合回纤芯，变成后向传输的纤芯模式。

2.根据权利要求1所述的包层反射式倾斜光纤光栅折射率传感器，其特征在于：所述包层反射镜由镀在光纤端头的反射膜加工而成。

3.根据权利要求1所述的包层反射式倾斜光纤光栅折射率传感器，其特征在于：所述圆孔的直径为10～30微米。

4.根据权利要求1所述的包层反射式倾斜光纤光栅折射率传感器，其特征在于：所述反射膜的反射率超过90％。

5.根据权利要求1-3任一项所述的包层反射式倾斜光纤光栅折射率传感器，其特征在于：所述倾斜光纤光栅的倾斜角度为0～45度。

6.根据权利要求1-3任一项所述的包层反射式倾斜光纤光栅折射率传感器，其特征在于：所述光源为宽带光源或可调谐激光器。

7.包层反射式倾斜光纤光栅折射率传感器的制作方法，其特征在于：所述方法包括：

在光纤端头镀反射膜，并加工成包层反射镜；将包层反射镜的中间部分去除；将倾斜光纤光栅与带有包层反射镜的单模光纤连接，构成传感探头；将传感探头通过光纤环形器分别连接光源和光谱解调装置，构成包层反射式倾斜光纤光栅折射率传感器。

8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于：所述包层反射镜的中间部分为圆孔。

9.基于权利要求1-6任一项所述包层反射式倾斜光纤光栅折射率传感器的测量方法，其特征在于：所述方法包括：

从光源出射的光，在光纤纤芯中传输，进入光纤环形器，先到达包层反射镜，包层反射镜对纤芯中的光没有反射作用，纤芯光入射到倾斜光纤光栅；纤芯光被倾斜光纤光栅耦合到包层，变成后向传输的包层模，入射到包层；包层模被包层反射镜反射，重新经过倾斜光纤光栅，并被倾斜光纤光栅耦合回纤芯，变成后向传输的纤芯模式；这些光经过光纤环形器后被光谱解调装置接收；包层模的倏逝场分布在光纤外，当倾斜光纤光栅外部折射率改变时，倾斜光纤光栅的包层模的光场受到调制，反应到光谱解调装置的光谱上是波长和强度的变化；通过监测包层模的光场波长和强度的变化，实现折射率的测量。

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