CN102435552B - 基于偏振主轴方向旋转的光纤折射率传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种基于偏振主轴方向旋转的光纤折射率传感器。由单色光源、起偏器、传感空心光纤、检偏器、探测器依次连接构成；所述起偏器和检偏器的偏振方向可调；所述传感空心光纤包括包层、一个椭圆形纤芯，包层的中心具有空气孔，椭圆形纤芯悬挂或熔嵌于包层内壁，椭圆形纤芯与空气孔间有0-5微米的薄包层结构；所述椭圆形纤芯的长轴与经过椭圆形纤芯的传感空心光纤圆对称轴有一夹角
单色光经过起偏器变成线偏振光后注入传感空心光纤中，光纤空气孔中注有不同液体时，由于光纤结构的非对称性使得光纤快慢偏振轴的方向会发生改变，通过检偏器和探测器可检测光纤快轴方向角的变化，即可得到待测液体的折射率。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种光纤传感器，具体地说是一种光纤折射率传感器。
背景技术
折射率是液体材料的固有属性之一，是反映液体特性的重要光学参数和生化反应参数，因此对折射率的测量研究一直受到人们的重视。传统的折射率测量通常采用阿贝折射仪、分光计等光学仪器，设备体积庞大。光纤折射率传感器因其体积小、重量轻、抗电磁干扰、抗高温高压以及耐腐蚀等优点得到了更为广泛的研究。中国专利文件“一种基于微芯光纤布拉格光栅的折射率传感器及其制备方法”(公开号：CN101832924A)和“一种基于长周期光纤光栅的生物传感器”(公开号：CN2935132)中，公开了利用长短周期光纤光栅实现波长调制型折射率传感。中国专利文件“基于强度测量的蘸粘式光纤液体分析方法及其专用分析装置”(公开号：CN101251474)中，利用光纤探头与待测液体进行周期性地接触，从光纤探头的反射光信号，获得液体折射率参数。基于自成像原理的多模干涉(MMI)型折射率传感器也被提出，但其干涉谱中不同的干涉峰对折射率的敏感度不一致。最近提出的基于F-P干涉的折射率传感器(中国专利文件“光纤法珀折射率传感器及其制造方法”，公开号：CN101464408)具有小巧灵敏的特点，但需要价格昂贵的157nm或飞秒激光器，成本较高。
可以看出光纤折射率传感器目前主要有强度调制型、波长调制型、干涉型几种，此外还有基于表面等离子体共振(SPR)和倏逝波折射率传感器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过检测偏振主轴旋转角的大小来实现液体折射率的测量，操作简单、易于制作、成本低的基于偏振主轴方向旋转的光纤折射率传感器。
本发明的目的是这样实现的：
基于偏振主轴方向旋转的光纤折射率传感器由单色光源、起偏器、传感空心光纤、检偏器、探测器依次连接构成；所述起偏器和检偏器的偏振方向可调；所述传感空心光纤包括包层、一个椭圆形纤芯，包层的中心具有空气孔，椭圆形纤芯悬挂或熔嵌于包层内壁，椭圆形纤芯与空气孔间有0-5微米的薄包层结构；所述椭圆形纤芯的长轴与经过椭圆形纤芯的传感空心光纤圆对称轴有一夹角
本发明的基于偏振主轴方向旋转的光纤折射率传感器还可以具有下列结构特征：
1、所述夹角为一非0且非90度的角。
2、所述夹角
为0或90度，且对传感空心光纤在椭圆形纤芯一侧进行非对称侧抛使椭圆形纤芯离包层外壁0-5微米。
3、所述空气孔的直径为10-80微米。
4、所述起偏器和检偏器都由光纤起偏器和偏振控制器组合构成。
5、所述检偏器和探测器由偏振态分析仪替代。
本发明的基于偏振主轴方向旋转的光纤折射率传感器由单色光源、起偏器、传感空心光纤、检偏器、探测器依次连接构成。单色光经过起偏器变成线偏振光后注入传感空心光纤中，光纤空气孔中注有不同液体时，由于光纤结构的非对称性使得光纤快慢偏振轴的方向会发生改变，通过检偏器和探测器可检测光纤快轴方向角的变化，即可得到待测液体的折射率。
若液体折射率是温度敏感的，该方法可实现温度测量。温度变化使液体折射率变化，折射率变化导致光纤快慢轴方向改变，进而实现温度测量。
与现有技术相比，本发明的优点为：
1、提出通过检测偏振主轴旋转角的变化来实现折射率测量，传感器的灵敏度取决于纤芯的椭圆率、纤芯偏转角、纤芯距离待测液体的距离。
2、该方法操作简单，易于制作、成本低。
3、该方法利用的是单色光源，不需要昂贵的宽谱光源。
附图说明
图1是基于偏振主轴方向旋转的光纤折射率传感器系统结构图；
图2a是椭圆形纤芯长轴与经过纤芯的光纤圆对称轴有一夹角
的悬挂芯空心传感光纤横截面图；图2b是光纤慢轴和快轴的方向(空气孔注入液体前(X′和Y′)和空气孔注入液体后(ζ和ξ))；
图3是折射率变化时光纤慢轴方向角变化的理论计算结果；
图4是椭圆形纤芯长轴与经过纤芯的光纤圆对称轴有一夹角
的熔嵌芯空心传感光纤横截面；
图5是椭圆形纤芯长轴与经过纤芯的光纤圆对称轴夹角为零时的悬挂芯空心传感光纤侧抛横截面；
图6是椭圆形纤芯长轴与经过纤芯的光纤圆对称轴有一夹角
的悬挂芯空心传感光纤侧抛横截面。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
具体实施方式1：
结合图1和图2，一种基于偏振主轴方向旋转的光纤折射率传感器，由单色光源1、起偏器2、传感空心光纤3、检偏器4、探测器5依次连接构成。起偏器2和检偏器4偏振方向可调。单色光经过起偏器2变成线偏振光后注入传感空心光纤3中。传感空心光纤3包括一个椭圆形纤芯31，中心具有直径10-80微米的空气孔33，纤芯31悬挂于包层32内壁，纤芯31与空气孔33间有0-5微米的薄包层结构34。椭圆形纤芯31长轴与经过纤芯的光纤圆对称轴有一非0且非90度夹角当光纤右端空气孔中注有不同液体时，由于光纤结构的非对称性使得光纤快慢偏振轴的方向会发生改变，通过检偏器和探测器可检测光纤快轴方向偏转角度θ，即可得到待测液体的折射率。
图3为空气孔半径为10微米，纤芯折射率和包层折射率差为0.0052，纤芯椭圆率为0.5，纤芯长轴为6.84微米，纤芯中心距空气孔最近距离为5.42微米，波长为1.3微米，夹角为45度和60度时，空气孔中注入不同液体时光纤快轴方位角的变化。当
为45度，折射率从1.33变化到1.4慢轴偏转角可达8.5度。
具体实施方式：2：
结合图1和图4，一种基于偏振主轴方向旋转的光纤折射率传感器，与实施例1不同的是，传感光纤为融嵌芯光纤，传感空心光纤3包括一个椭圆形纤芯31，中心具有直径10-80微米的空气孔33，纤芯31融嵌于包层32内壁，纤芯31与空气孔33间有0-5微米的薄包层结构。椭圆形纤芯31长轴与经过纤芯的光纤圆对称轴也有一非0且非90度夹角
具体实施方式3：
结合图1和图5，一种基于偏振主轴方向旋转的光纤折射率传感器，由单色光源1、起偏器2、传感空心光纤3、检偏器4、探测器5依次连接构成。起偏器2和检偏器4均由光纤起偏器和光纤控制器构成，形成全光纤测量系统。单色光经过起偏器2变成线偏振光后注入传感空心光纤3中。传感空心光纤3包括一个椭圆形纤芯31，中心具有直径10-80微米的空气孔33，纤芯31悬挂于包层32内壁，纤芯31与空气孔33间有0-5微米的薄包层结构34。椭圆形纤芯31长轴与经过纤芯的光纤圆对称轴夹角为90度。将传感空心光纤在纤芯一侧进行非对称侧抛，侧抛后光纤纤芯离外界仅有0-5微米，光纤直接置于待测液体中即可使光纤快慢轴发生改变，通过检偏器和探测器可检测光纤快轴方向偏转角度θ，即可得到待测液体的折射率。
具体实施方式4：
结合图1和图6，一种基于偏振主轴方向旋转的光纤折射率传感器，与实施例3不同的是，传感空心光纤椭圆形纤芯31长轴与经过纤芯的光纤圆对称轴有一非0且非90度夹角
将传感空心光纤在纤芯一侧进行任意方向侧抛，侧抛后光纤纤芯离外界仅有0-5微米，由于光纤本身非对称结构，光纤直接置于待测液体中即可使光纤快慢轴发生改变，通过检偏器和探测器可检测光纤快轴方向偏转角度θ，即可得到待测液体的折射率。
Claims (6)
1.一种基于偏振主轴方向旋转的光纤折射率传感器，由单色光源、起偏器、传感空心光纤、检偏器、探测器依次连接构成；其特征是：所述起偏器和检偏器的偏振方向可调；所述传感空心光纤包括包层、一个椭圆形纤芯，包层的中心具有空气孔，椭圆形纤芯悬挂或熔嵌于包层内壁，椭圆形纤芯与空气孔间有0-5微米的薄包层结构；所述椭圆形纤芯的长轴与经过椭圆形纤芯的传感空心光纤圆对称轴有一夹角
；单色光经过起偏器变成线偏振光后注入传感空心光纤中，空气孔中注有不同液体时，由于传感空心光纤结构的非对称性使得传感空心光纤快慢偏振轴的方向发生改变，通过检偏器和探测器检测传感空心光纤快轴方向角的变化，得到待测液体的折射率。
2.根据权利要求1所述的基于偏振主轴方向旋转的光纤折射率传感器，其特征是：所述夹角
为一非0且非90度的角。
3.根据权利要求1所述的基于偏振主轴方向旋转的光纤折射率传感器，其特征是：所述夹角
为0或90度，且对传感空心光纤在椭圆形纤芯一侧进行非对称侧抛使椭圆形纤芯离包层外壁0-5微米。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于偏振主轴方向旋转的光纤折射率传感器，其特征是：所述空气孔的直径为10-80微米。
5.根据权利要求1、2或3所述的基于偏振主轴方向旋转的光纤折射率传感器，其特征是：所述起偏器和检偏器都由光纤起偏器和偏振控制器组合构成。
6.根据权利要求4所述的基于偏振主轴方向旋转的光纤折射率传感器，其特征是：所述起偏器和检偏器都由光纤起偏器和偏振控制器组合构成。
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