CN100437036C - 同时测量液体温度和折射率的光纤传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同时测量液体温度和折射率的光纤传感装置，属于测量液体温度和折射率技术。该装置包括透射式和反射式，透射式装置包括宽带光源，其出端连接透射式光纤温度-折射率传感器，透射式光纤温度-折射率传感器输出端连接波长解调仪，透射式光纤温度-折射率传感器包括光纤布拉格光栅，单模输入光纤及无芯光纤和输出光纤；反射式装置包括光纤环行器，光纤环行器分别连接宽带光源、波长解调仪和反射式光纤温度-折射率传感器，反射式光纤温度-折射率传感器包括光纤布拉格光栅，单模输入光纤及无芯光纤和无芯光纤输出端上的反射膜。本发明的优点在于，该装置具有结构简单、易于制作、成本低和测量灵敏度高的特点。

Description

同时测量液体温度和折射率的光纤传感装置

技术领域

本发明涉及一种同时测量液体温度和折射率的光纤传感装置，属于测量液体温度和折射率技术。

背景技术

折射率是流体介质重要的物理参数。流体介质诸多性质，如液体浓度、混合物成份、比重以及pH值等都可以在其折射率上得到反映。因此，人们通过测量流体的折射率可以了解其物理和化学性质。所以折射率的测量是分析和研究流体的各种性质的一种有效的手段，同时也是工业生产中各种反应过程检测和控制的重要方法。折射率的测量方法有多种，常用的折射率测量仪器为阿贝测量仪。这种方法需要提取一定量的被测物质放入仪器中进行测量，由操作人员读取测量值，无法实现在线检测和测量自动化。随着光纤传感技术的快速发展，基于光纤技术的折射率测量方法、技术及传感器受到关注。与传统的折射率测量方法相比，光纤传感具有不受电磁场以及其它外界环境变化的影响、灵敏度高、体积小、可实现在线测量等优点。此外，光纤传感器还可用于其它传感器无法或难于使用的场合，如易燃、易爆和有腐蚀性的物质的测量。

我们知道，光纤由纤芯和包层构成，由光纤传导的光信号主要在纤芯内传输。一般情况下不与包层外的环境相互作用。为了实现对光纤周围介质的折射率测量，需要将纤芯内传输的光信号耦合到光纤包层中。为达到上述目的，可采用D形光纤，或是采用机械研磨或是化学腐蚀方法将光纤一侧的包层去除。另外一种是采用融熔拉锥的方法使纤芯内的光信号耦合到光纤包层中。侧面研磨或是融熔拉锥发都会不同程度地改变光纤的结构，破坏了光纤传感器的结构完整性，使之在制造或使用中容易损坏。利用长周期光纤光栅引入传输模与包层模的相互耦合也可实现将纤芯内的光耦合到光纤包层中的目的。

众所周知，介质的折射率随温度不同而发生变化。所以，只有在一定温度下测得的折射率才有意义。因此，需要对折射率和温度同时进行测量。此外，与其它光纤传感器一样，光纤折射率传感器也存在温度敏感问题。在很多情况下需要对温度对测量产生的影响进行补偿。

发明内容

本发明的目的就是提供一种同时测量液体温度和折射率的光纤传感装置，该装置具有结构简单、易于制作、成本低、灵敏度高等特点。

本发明是通过下述技术方案加以实现的，一种同时测量液体温度和折射率的光纤传感装置，该光纤传感装置包括透射式和反射式两种，其特征在于，透射式光纤传感装置包括宽带光源201，在宽带光源输出端连接透射式光纤温度-折射率传感器202，透射式光纤温度-折射率传感器输出端连接波长解调仪204，所述的透射式光纤温度-折射率传感器包括光纤布拉格光栅102，与之相连接的单模输入光纤101及一段无芯光纤103和单模输出光纤101；反射式光纤传感装置包括光纤环行器205，在光纤环行器的三个连接端分别连接宽带光源201、波长解调仪204和反射式光纤温度-折射率传感器203，所述的反射式光纤温度-折射率传感器包括光纤布拉格光栅102，与之相连接的单模输入光纤101及一段无芯光纤103和镀在无芯光纤输出端上的反射膜107。

本发明对液体实现温度和折射率的测量原理和过程是：由输入单模光纤传来的基模光进入无芯光纤后，将在由无芯光纤和包围它的被测介质构成的光波导内形成多个导模。由单模光纤基模向这些导模的耦合系数由单模光纤的基模模场与这些导模模场的重叠积分决定。这些导模将沿多模光纤传播，每个导模对应一个纵向传播常数β，k₀n₂＜β＜k₀n₁，n₁，n₂分别为无芯光纤和被测介质的折射率；k₀＝2π/λ，λ为入射光波长。纵向传播常数β是被测介质折射率n₂的函数。由于不同导模的纵向传播常数β不同，因而在到达无芯光纤与输出单模光纤的界面时具有光程差，而形成多模干涉。当任意两个模的纵向传播常数β₁和β₂满足(β₁-β₂)L＝2Nπ(N为整数)时形成干涉极大。当被测折射率n₂变化时，对应干涉极大的入射光波长也将发生变化。所以，测量对应干涉极大的入射光波长即可实现对折射率n₂的测量。

将上述多模干涉仪与一光纤布拉格光栅串接，光纤布拉格光栅的谐振波长对其周围介质的折射率n₂不敏感，只对其周围介质的温度敏感。测量光纤布拉格光栅的谐振波长即可实现对被测介质温度的测量。

由于波长解调器测量光纤布拉格光栅的谐振波长和对应干涉极大的入射光波长的变化，因此上述的对液体的温度测量和折射率的测量是同时进行的。

本发明的优点在于，该装置具有结构简单、易于制作、成本低特点，同时测量液体温度和折射率且灵敏度高。

附图说明

图1为本发明的透射式光纤传感装置的结构框图。

图2为本发明的反射式光纤传感装置的结构框图。

图中：201为宽带光源；202为光纤布拉格光栅温度传感器；203为本发明光纤折射率传感器；204为波长解调仪；205为光纤环行器。

图3为透射式光纤温度-折射率传感器结构示意图。

图4为反射式光纤温度-折射率传感器结构示意图。

图中：101为单模光纤；102为光纤布拉格光栅；103为无芯光纤；104、105为单模光纤101与无芯光纤103的对接面；106为被测介质；107为反射膜。

图5为实测折射率实验结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。如附图3所示，单模光纤101采用标准单模光纤(G652)，其纤芯直径为8.2μm，包层直径为125μm，数值孔径0.14。首先将其保护涂层除去，然后使用光纤切刀将其端面切成与其轴线垂直。无芯光纤103的直径为125μm，使用光纤切刀将其端面切成与其轴线垂直。之后，将端面处理后的单模光纤101和无芯光纤103放入光纤熔接机将两光纤熔接在一起。在无芯光纤上100mm处使用光纤切刀将其切断，并将其与另一段单模光纤101熔接在一起，构成光纤多模干涉仪，作为折射率传感器。

将光纤布拉格光栅102与折射率传感器的输入单模光纤101熔接在一起，构成如附图3所示的光纤温度-折射率传感器。作为温度传感器的光纤布拉格光栅102与由无芯光纤构成的光纤多模干涉仪之间的距离可根据不同设计而定。为了使光纤布拉格光栅102感受与光纤多模干涉仪一致的温度，应使它们尽量靠近。由此构成的温度-折射率传感器为透射式结构。图中106为被测介质。

附图4为本发明的另一具体实施方式，即反射式传感器结构。在此结构中，无芯光纤103只与输入单模光纤101在一端相接，无芯光纤103的另一端面采用光学镀膜技术制作出一反射膜，将由无芯光纤103传来的光反射，沿反方向传播，再耦合到输入单模光纤101。由此构成的温度-折射率传感器为单端传感器。

图1为透射式光纤温度-折射率测量实验装置示意图。201为宽带光源，其输出光谱范围为1520-1565nm，输出功率为5mW；202为光纤布拉格光栅温度传感器；203为本发明光纤折射率传感器；204为光纤光谱分析仪，作为光谱记录和波长解调设备。图2为反射式光纤温度-折射率测量实验装置示意图，其中，205为光纤环行器，其作用是将由传感器传来的光信号与输入光信号分离。

作为应用实例，将本发明的光纤温度-折射率传感器用于甘油与水混合液折射率的测量。混合液样品由甘油与水按不同体积比配制，每种样品的折射率先使用阿贝测量仪测定。然后将样品置入安装有光纤温度-折射率传感器的样品池。对每种样品由光纤光谱分析仪记录透射谱上一峰谷对应的波长。实验在室温23℃下完成，阿贝测量仪给出的折射率测量值也是在同样温度下的结果。图5为实测折射率实验结果。

本领域的专业技术人员都清楚，本发明的思想可采用上面列举的具体实施方式以外的其它方式实现。

Claims (1)

1.一种同时测量液体温度和折射率的光纤传感装置，该光纤传感装置包括透射式和反射式两种，其特征在于，透射式光纤传感装置包括宽带光源(201)，在宽带光源输出端连接透射式光纤温度-折射率传感器(202)，透射式光纤温度-折射率传感器输出端连接波长解调仪(204)，所述的透射式光纤温度-折射率传感器包括光纤布拉格光栅(102)，与之相连接的单模输入光纤及一段无芯光纤(103)和单模输出光纤；反射式光纤传感装置包括光纤环行器(205)，在光纤环行器的三个连接端分别连接宽带光源(201)、波长解调仪(204)和反射式光纤温度-折射率传感器(203)，所述的反射式光纤温度-折射率传感器包括光纤布拉格光栅(102)，与之相连接的单模输入光纤(104)及一段无芯光纤(103)和镀在无芯光纤输出端上的反射膜(107)。

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