CN102419313A - 基于迈克尔逊干涉仪的光纤折射率传感器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开基于迈克尔逊干涉仪的光纤折射率传感器及其测量方法，包括宽带光源（1）、光纤耦合器（2）、测量传感头（3）、参考传感头（4）、光谱仪（5）和计算机（6），宽带光源（1）连接到光纤耦合器（2）第一输入端口，光纤耦合器第一输出端口通过光纤连接到测量传感头（3），第二输出端口通过光纤连接到参考传感头（4），第二输入端口与光谱仪连接。测量方法中参考传感头与测量传感头反射的光在经过光纤耦合器时发生干涉，干涉条纹对比度随测量传感头所处的待测物质折射率变化而变化，通过光谱仪和计算机测得干涉条纹的对比度，再经计算机计算得到待测物质的折射率。本发明可实现高精度、大范围的折射率测量，结构简单、操作方便。

Description

基于迈克尔逊干涉仪的光纤折射率传感器及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种折射率传感器，尤其涉及一种基于迈克尔逊干涉仪的光纤折射率传感器及其测量方法。

背景技术

折射率在物理、生物、化学等学科领域是一个很重要的参数，对其精确测量在化工、医药、食品等相关工业部门有重要意义和用途。因此，许多的测量折射率的方法应运而生。传统的测量方法有掠入射法、衍射光栅法、激光照射法和CCD测量法，还有宽带吸收光谱法、滴定法和荧光淬火等测量方法，但是大多数这些方法都只局限于可见光范围。随后，光声、SPR传感器和拉曼光谱等一些新技术相继出现，但是这些方法价格昂贵并且不易操作。基于长周期光纤光栅的折射率计具有较高的灵敏度，但是由于长周期光纤光栅受自身的弯曲影响大，可靠性受到大大影响。基于法布里-珀罗腔的折射率计，虽然具有体积小的优点，但是制造复杂且价格昂贵，易受光源稳定性的影响。基于光纤布拉格光栅的折射率传感方法，一般要去除光纤包层，以增大光纤倏逝波(evanescent field)与待测折射率物质的相互作用，引起光纤光栅布拉格波长移动来实现折射率的测量，这种方法的缺点是由于光纤的包层被去除，可承受的强度减弱，稳定性降低，应用范围受限，同时成本上升。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供基于迈克尔逊干涉仪的光纤折射率传感器及其测量方法，具体技术方案如下。

一种基于迈克尔逊干涉仪的光纤折射率传感器，包括宽带光源、光纤耦合器、测量传感头、参考传感头、光谱仪和计算机；所述光纤耦合器的第一输入端口与宽带光源通过光纤连接，第一输出端口与测量传感头通过光纤连接，第二输出端口与参考传感头通过光纤连接，第二输入端口与光谱仪输入端通过光纤连接；参考传感头与测量传感头反射的光在经过光纤耦合器时发生干涉，然后传输到光谱仪。

上述的基于迈克尔逊干涉仪的光纤折射率传感器中，还包括用于接收光谱仪的输出数据并计算折射率的计算机，光谱仪输出端与所述计算机通信连接。

上述的基于迈克尔逊干涉仪的光纤折射率传感器，测量传感头和参考传感头均为端面与光纤轴线垂直的未去除包层的普通单模光纤。

上述的基于迈克尔逊干涉仪的光纤折射率传感器中，光纤耦合器的分光比为50％～50％。

上述的基于迈克尔逊干涉仪的光纤折射率传感器中，所述的宽带光源为C波段(1520nm-1570nm)的光纤宽带光源，所述传输光纤均为普通单模光纤。

上述的基于迈克尔逊干涉仪的光纤折射率传感器中，计算机根据干涉条纹的对比度随待测物质折射率变化而变化的规律，计算出待测物质折射率。

利用上述光纤折射率传感器的折射率测量方法，包括：将参考传感头插入参考物质中，测量传感头插入待测物质中；参考传感头与测量传感头反射的光在经过光纤耦合器时发生干涉，干涉条纹对比度随测量传感头所处的待测物质折射率变化而变化，通过光谱仪和计算机测得干涉条纹的对比度，再经计算机计算得到待测物质的折射率。

上述的测量方法中，所述干涉条纹的对比度为

$V=10\log 10{\left[\frac{n_f^2-n_{x0}{n}_x}{n_f(n_{x0}-n_x)}\right]}^2,$

其中n_f是光纤纤芯的有效折射率，n_x和n_x0分别是待测物质和参考物质的折射率。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点：

(1)本发明的传感器可以很好地消除光源的不稳定性以及传感系统内部光路分支中不同损耗引起的测量误差、降低了外界环境变化对测量带来的影响，提高了测量精度。

(2)本发明的传感器具有溶液浓度越低，分辨率越高的优点。

(3)本发明的传感器结构简单，成本低，不需要对光纤做去除包层等特殊处理，操作方便。

(4)本发明的传感器除了用于一般性液体检测外，还可用于微量、危险液体检测。此外，本发明也可以用于对折射率发生变化的工业生产过程进行实时监控。

本传感器可实现高精度、大范围的折射率测量，结构简单、操作方便。

附图说明

图1基于迈克尔逊干涉仪的光纤折射率传感器结构示意图。

图2a和图2b分别是测量传感头和参考传感头与物质交界面处的示意图。

图3当糖溶液浓度分别为1％，10％和30％时，模拟的传感系统反射谱。

图4对于不同折射率的溶液，模拟的干涉条纹对比度。

图5a为当糖溶液浓度分别为25.93％和48.72％时实验测得的传感系统反射谱；图5b为当糖溶液浓度从4.76％增大到48.72％过程中，干涉条纹对比度随着折射率变化的实验和模拟结果。

图6a表示当糖溶液浓度分别为25.93％和41.18％时，干涉条纹对比度随时间的变化。图6b表示当糖溶液浓度分别为25.93％和41.18％时，在1550nm附近干涉条纹峰值波长随时间的变化。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步详细的说明，但本发明的实施和保护范围不限于此，对本发明作实质相同的等同替换均属于本发明的保护范围。

参见图1，基于迈克尔逊干涉仪的光纤折射率传感器包括宽带光源1、光纤耦合器2、测量传感头3、参考传感头4、光谱仪5和计算机6。其中，宽带光源1连接到光纤耦合器2的第一输入端口，光纤耦合器2的第一输出端口连接测量传感头3，第二输出端口连接参考传感头4，由测量传感头3和参考传感头4反射的光在经过耦合器时发生干涉并通过耦合器2的第二输入端口进入光谱仪5，计算机6和光谱仪5通信连接，进行数据处理。具体测量是由光谱仪测量出测量传感头和参考传感头分别插入被测物质和参考物质时的干涉光谱，将其相应数据输入到计算机，通过计算获得干涉条纹的对比度，根据公式(6)获得被测溶液的折射率。

图2a和图2b图2a和图2b分别是测量传感头和参考传感头与物质交界面处的示意图。测量传感头和参考传感头均由端面与光纤轴线垂直的普通单模光纤组成，3、4分别是图1中所示的测量传感头和参考传感头，7、9分别表示测量传感头和参考传感头与物质的交界面，8、10分别表示待测物质和参考物质。

在发明中，所述的宽带光源1为C波段(1520nm～1570nm)宽带光源。光纤耦合器2的分光比为50％～50％。传输光纤为单模光纤。

进行测量时，参考传感头插入参考物质中(如待测溶液的溶剂)中，测量传感头插入待测物质(如溶液)中。干涉条纹对比度随测量传感头所处的待测物质折射率变化而变化的原理如下：

根据菲涅尔反射定律，忽略传输损耗，则测量传感头和参考传感头的反射光强分别为：

$I_{3R}\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{1}{2}{\left(\frac{n_f-n_x}{n_f+n_x}\right)}^2{I}_0\left(\mathrm{\λ}\right)---\left(1\right)$

$I_{4R}\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{1}{2}{\left(\frac{n_f-n_{x0}}{n_f+n_{x0}}\right)}^2{I}_0\left(\mathrm{\λ}\right)---\left(2\right)$

其中I₀(λ)是宽带光源的输出光强，n_f是光纤纤芯的有效折射率，n_x和n_x0分别是待测物质和参考物质的折射率。

由公式(1)和(2)，根据干涉理论，可得到测量传感头和参考传感头的反射光在耦合器发生干涉时的光强为：

$I_2\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{1}{2}{I}_{3R}\left(\mathrm{\λ}\right)+\frac{1}{2}{I}_{4R}\left(\mathrm{\λ}\right)+2\sqrt{\frac{1}{2}{I}_{3R}\left(\mathrm{\λ}\right)\frac{1}{2}{I}_{4R}\left(\mathrm{\λ}\right)}\cos \mathrm{\Δ\φ}---\left(3\right)$

其中Δφ是光束(测量传感头反射光束和参考传感头反射光束)的相位差，有

$\mathrm{\Δ\φ}=2\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{n}_f\mathrm{\Δl}---\left(4\right)$

Δl是迈克尔逊干涉仪的臂长差。归一化的干涉谱R(λ)可以表示为：

$R\left(\mathrm{\λ}\right)=I_2\left(\mathrm{\λ}\right)/I_0\left(\mathrm{\λ}\right)=$

$\frac{1}{4}[{\left(\frac{n_f-n_{x0}}{n_f+n_{x0}}\right)}^2+{\left(\frac{n_f-n_x}{n_f+n_x}\right)}^2+2\sqrt{{\left(\frac{n_f-n_{x0}}{n_f+n_{x0}}\right)}^2{\left(\frac{n_f-n_x}{n_f+n_x}\right)}^2}\cos \mathrm{\Δ\φ}]---\left(5\right)$

根据上式，可以得到干涉条纹的对比度V为

$V=10\log 10\left[\frac{I_{2\max }}{I_{2\min }}\right]=10\log 10{\left[\frac{n_f^2-n_{x0}{n}_x}{n_f(n_{x0}-n_x)}\right]}^2---\left(6\right)$

公式(6)表明，干涉条纹的对比度与纤芯、参考溶剂和溶液的折射率有关，由于纤芯和参考溶剂的折射率可以通过查阅获得，所以通过测量干涉条纹的对比度，即可以获得所需测量溶液的折射率。

根据方程(5)，我们计算了不同浓度糖溶液的反射谱，如图3所示。其中，迈克尔逊干涉仪臂长差Δl和光纤纤芯折射率n_f分别1.8mm和1.44961，参考溶剂纯净水的折射率为1.3119，曲线A、B和C分别对应糖溶液质量百分比为1％、10％和30％。从图3可以看出，每一个反射谱都具有很好的干涉条纹，且条纹对比度随着溶液浓度的降低而增大(即随着溶液折射率的下降而增大)。

图4表示了干涉条纹对比度V随着溶液折射率n_x的变化。如图所示，当n_x＞n_x0时干涉条纹的对比度V随着溶液折射率n_x的增大而降低，当n_x＜n_x0时V随着折射率n_x的增大而增大。当n_x＝n_x0时，此时条纹对比度最大，也就是说以溶剂作为参考物质，待测物质折射率n_x越接近参考物质折射率n_x0，条纹对比度越大，即传感器的分辨率随溶液浓度的降低而增大。

为进一步检验本发明的可行性，特进行如下的实验：

实验1：

在实验中，应用本发明的光纤传感器测量不同折射率溶液的反射光谱图，如图5a所示，图中曲线A和B分别对应光纤传感头放置于25.93％质量百分比蔗糖溶液和48.72％质量百分比蔗糖溶液的反射光谱。其中，迈克尔逊干涉仪两臂的长度约为40cm，臂长差为1.8mm。从图5a可以看出，干涉条纹对比度随光纤传感头所置溶液折射率的增大而减小(即溶液浓度越高，对比度越小)。

表1为干涉条纹对比度与不同质量百分比浓度的同一液体(蔗糖溶液)折射率的变化关系。

表1

蔗糖溶液浓度(WT％)	对应折射率	对比度/dB
			4.76	1.3190	13.30
9.09	1.3254	12.72
			13.04	1.3313	12.31
16.67	1.3367	11.99
			20.00	1.3416	11.71
23.08	1.3462	11.46
			25.93	1.3505	11.20
28.57	1.3543	10.93
			31.03	1.3580	10.63
33.33	1.3614	10.33
			35.48	1.3646	9.99
37.50	1.3676	9.62
			39.39	1.3704	9.24
41.18	1.3730	8.83
			42.86	1.3755	8.41
44.44	1.3779	7.97
			45.95	1.3801	7.51
47.37	1.3822	7.04
			48.72	1.3842	6.56

图5b是应用本发明的光纤传感器对不同浓度蔗糖溶液折射率测量的数据结果与模拟结果。图中曲线A和B分别为实验结果和理论模拟结果。从图5b可以看出，尽管实验测量值比对应的理论模拟值要小，但是其变化趋势是一致的。其数值大小的差别主要是因为两方面的原因，一是宽带光源发出的光是椭圆偏振光而不是线偏振光，二是光纤耦合器等引起的光偏振态的退化。

实验2：

为了进一步验证本传感器的可行性，我们进行了本传感器的稳定性实验。在本实验中，应用本发明的光纤传感器测量不同折射率溶液反射谱的条纹对比度和反射峰值波长随时间的变化，如表2所示。其中，传感器参数同实验1，传感头分别放置于25.93％质量百分比蔗糖溶液(溶液1)和48.72％质量百分比蔗糖溶液(溶液2)中。在实验中通过测量离1550nm最近的峰值来观测反射峰值波长随时间变化。

图6a为应用本光纤传感器测量的反射谱条纹对比度随时间的变化关系。其中，曲线A和B分别对应光纤传感头放置于25.93％质量百分比蔗糖溶液和48.72％质量百分比蔗糖溶液的反射光谱条纹对比度随时间的变化，干涉条纹对比度随时间的波动分别为±1.8％和±2.8％。

图6b为应用本光纤传感器测量的反射谱峰值波长随时间的变化关系。其中，曲线A和B分别对应光纤传感头放置于25.93％质量百分比蔗糖溶液和48.72％质量百分比蔗糖溶液的反射光谱峰值波长随时间的变化。可以看出，干涉条纹峰值波长随时间随机变化，其主要原因是实验环境中的震动以及温度波动对迈克尔逊干涉仪干涉比光程差的影响。

从上面的实验可知，尽管反射光谱峰值波长随时间而随机变化，但是其对比度与峰值波长是无关的，而且随时间变化很小，即说明本传感器稳定性是可行的。

表2

Claims (8)

1.基于迈克尔逊干涉仪的光纤折射率传感器，其特征在于包括宽带光源（1）、光纤耦合器（2）、测量传感头（3）、参考传感头（4）、光谱仪（5）和计算机（6）；所述光纤耦合器（2）的第一输入端口与宽带光源（1）通过光纤连接，第一输出端口与测量传感头（3）通过光纤连接，第二输出端口与参考传感头（4）通过光纤连接，第二输入端口与光谱仪（5）输入端通过光纤连接；参考传感头与测量传感头反射的光在经过光纤耦合器时发生干涉，然后传输到光谱仪（5）。

2.根据权利要求1所述的基于迈克尔逊干涉仪的光纤折射率传感器，其特征在于光谱仪（5）的输出端与用于接收光谱仪的输出数据并计算折射率的所述计算机（6）通信连接。

3.根据权利要求1所述的基于迈克尔逊干涉仪的光纤折射率传感器，其特征在于所述的测量传感头（3）和参考传感头（4）均为端面与轴线相垂直的未去除包层的普通光纤尾纤。

4.如权利要求1所述的基于迈克尔逊干涉仪的光纤折射率传感器，其特征在于：光纤耦合器的分光比为50%～50%。

5.如权利要求1所述的基于迈克尔逊干涉仪的光纤折射率传感器，其特征在于所述的宽带光源为C波段的宽带光源。

6.如权利要求1～5任一项所述的基于迈克尔逊干涉仪的光纤折射率传感器，其特征在于所使用的光纤均为普通单模光纤。

7.利用权利要求1所述光纤折射率传感器的折射率测量方法，其特征在于包括：将参考传感头插入参考物质中，测量传感头插入待测物质中；参考传感头与测量传感头反射的光在经过光纤耦合器时发生干涉，干涉条纹对比度随测量传感头所处的待测物质折射率变化而变化，通过光谱仪和计算机测得干涉条纹的对比度，再经计算机计算得到待测物质的折射率。

8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于所述干涉条纹的对比度为

                                                 

，

其中

是光纤纤芯的有效折射率，

和

分别是待测物质和参考物质的折射率。

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