CN102495023B - 采用光纤传感技术测定液体介质折射率的方法 - Google Patents

Abstract

该发明属于液体介质折射率测定中采用光纤传感技术进行测定的方法。包括：构建复合光波导，压制复合光波导光栅并构建折射率测量系统，待测液体的折射率测定。该发明直接采用将待测液体介质与普通单模光纤及套管组成复合光波导，并采用两个具有相同齿间距的齿条板对复合光波导加压、制得复合光波导光栅，将所得复合光波导光栅两端分别与宽谱光源发生仪及光谱分析仪连接、即组成待测液体折射率测量系统；开启宽谱光源及光谱分析仪，便可通过所得透射谱及其中心波长得到待测溶液的折射率。因而本发明具有测量系统的结构及测量方法简单，利用普通单模光纤即可实现折射率测定，且具有可调谐、可重复使用，操作方使，制作及使用成本低等特点。

Description

采用光纤传感技术测定液体介质折射率的方法

技术领域

本发明属于液体介质折射率的测定技术，特别是一种采用光纤传感技术对液体介质的折射率进行测定的方法，该方法可广泛用于环境监测、医学诊断、石油化工等生化应用领域中对液体介质化学成分的含量(浓度)进行间接测量。

背景技术

折射率是反映物质内部信息的一个基本物理参量。通过测量折射率可以间接测量与折射率相关的物理量如物质的含量(浓度)等，所以折射率测量在环境监测和石油化工等生化领域中有着极其广泛的应用。因此，对折射率测量方法的研究具有重要的实际意义。

目前，折射率的测量方法有多种，最为成熟的技术是使用阿贝折射仪(见《用阿贝折射仪测量单色光折射率》“应用光学”1997年第18卷第6期，P44-46，作者：张宗裕，徐红梅)和光纤折射率测量仪(见《测量盐溶液密度的微型光纤折射仪的研究》“仪器仪表学报”1994年第15卷第4期、P446-448，作者：金援越，王启杰，陈钟欣)。阿贝折射率仪耐恶劣环境能力差、操作复杂、测量精度低、且无法实现远程实时监控；光纤折射率测量仪是将光纤包层和纤芯腐蚀掉一部分后作为探头埋入被测介质，被测介质折射率的变化将直接影响纤芯中传输光的功率大小，通过监测传输光功率实现对折射率的测量，该测量仪虽然操作简单、但对腐蚀工艺要求较高，腐蚀过程难以控制，故重复性较差，且腐蚀后的光纤极易折断。法布里-珀罗(F-P)传感器也可以测量折射率，它的原理是将待测介质注入F-P腔内，利用反射光谱的条纹漂移来实现介质折射率的测量(《温度不敏感的微型纤维直列法布里-珀罗干涉高度敏感的折射率测量》“Temperature-insensitiveminiaturized fiber inline Fabry-Perot interferometer for highly sensitiverefractive index measurement”，2008，16(8)：5764-5769，T.Wei，Y.Han，Y.Li，H.Tsai，and H.Xiao.Opt.Express)，这种方法测量的灵敏度虽较高，但介质的注入、吸出与清洗较困难，并且F-P腔的反射一般需要镀膜来提高对比度。

在《机械感生可调长周期光纤光栅》(“Tunable mechanically induced long-periodfiber gratings”2000，25(10)：710-712，Opt.Lett)一文中，公开了一种利用单齿条板与平板施压的方法可以在光子晶体光纤(参见《基于高灵敏光子晶体光纤机械长周期光栅的折射率传感(Highly sensitive photonic crystal fiber-based refractive indexsensing using mechanical long-period grating)》“IEEE Photon”2008，20(20)：1688-1670，Technol.Lett)或边孔单模光纤(参见《边孔单模光纤中机械诱导长周期光栅用于温度和折射率传感(Mechanically induced long-period fiber grating inside-hole single-mode fiber for temperature and refractive sensing)》“Opt.Commun”，2010，283：1303-1306)上产生周期性变化、形成周期为数百微米的光纤光栅。由于光子晶体光纤的包层中有众多小孔，而边孔单模光纤的包层中也存在与纤芯对称的小孔；因此、该方法在测量时只要将待测液体直接注入两光纤包层中的小孔中，在光栅提供的相位匹配条件下，光纤的纤芯基模与不同的包层模发生谐振耦合、在传输谱中出现多个耦合谐振峰；且在光纤纤芯中传输的光会有部分进入到光纤包层周围的液体介质中，因此在液体介质折射率发生改变时，光栅模式耦合的谐振波长也会随之变化；根据液体介质折射率变化与耦合谐振峰波长移动量的对应关系、确定其折射率的变化，进而实现传感测量的目的。将光子晶体光纤及边孔单模光纤通过压力方法制作的周期为数百微米的光纤光栅，虽然具有所产生的应力变化是暂时性的(即属弹性形变)，去掉压力后、其光栅效应立刻消失，而不会对光纤物理结构产生永久性改变，可重复使用等优点；但这两类特殊设计的光纤却存在制作困难、价格昂贵，以及在与光源和光谱仪等连接时需要光纤适配器、且操作过程复杂，应用范围受限等弊端。此外，由于普通单模光纤包层的材质均匀、无可供待测液体直接注入小孔，因而该方法不适用于普通单模光纤。

发明内容

本发明的目的是针对上述背景技术存在的缺陷，改进设计一种采用光纤传感技术测定液体介质折射率的方法；该方法利用光弹效应与微弯效应形成复合光波导传输光栅所构成的折射率传感器，通过对待测流体介质折射率进行测定的方式、对其化学成分含量进行间接测量，以达到测量系统结构及测量方法简单，利用普通单模光纤即可实现折射率传感，且具有可调谐、可重构(使用)，操作方使，制作及使用成本低等目的。

本发明的解决方案是首先将待测折射率的液体介质与普通单模光纤及套管组成复合光波导，检测时将所得复合光波导置于两个具有相同齿间距的齿条板之间、并根据要求对齿板施加垂向压力，在压力作用下，复合光波导中的套管与光纤产生光弹效应与微弯效应，从而使光在传输过程中的有效折射率产生与齿条板周期相同的变化，其折射率的变化周期为几十到几百微米时，周期性变化的折射率使复合光波导中同向传播的纤芯基模与包层模发生耦合并产生谐振损耗；当纤芯基模与包层模的相位匹配时、可得到复合光波导从纤芯基模到第m阶沿x或y方向偏振的包层模谐振波长为：

${\mathrm{\λ}}_M^{x,y}=(n_{\mathrm{co}}-n_{\mathrm{cl},m}^{x,y})\mathrm{\Λ}$

式中，n_co是复合光波导的纤芯基模有效折射率，

分别是向复合光波导中第m阶谐振耦合的沿x或y方向偏振的包层模的有效折射率，Λ为复合光波导光栅的周期。

虽然复合光波导中包含了待测液体介质，但复合光波导的纤芯基模的模场主要集中在光纤纤芯内(纤芯内径很小)，对不同折射率的待测媒质，复合光波导的纤芯基模有效折射率的变化极小，可以忽略不计；然而，由于复合光波导中的包层模的模场会延伸到待测液体中，其折射率会影响每一个偏振包层模的有效折射率，从而导致纤芯基模与包层模之间的耦合条件发生改变、引起谐振波长随待测媒质折射率而变化；包层模的阶数越高其模场进入待测媒质区域的模场越多，向该模式谐振耦合产生的谐振波长的迁移越明显；当测量的光谱范围包含m阶包层模，则通过从第m阶沿x方向(或y方向)偏振包层模的耦合谐振波长的变化就可以确定待测媒质的折射率。因而，本发明方法包括：

A.构建复合光波导：首先将普通单模光纤中部用于组建折射率测量系统的一段光纤的涂覆层去掉、裸露包层并在该包层段套上弹性套管，然后在套管与包层之间注入待测液体，组成复合光波导；

B.压制复合光波导光栅并构建折射率测量系统：将由步骤A所得复合光波导置于两个具有相同齿间距的齿条板之间、并根据单模光纤的类型对齿板施加垂向压力，以制得复合光波导光栅；然后将单模光纤的输入端与宽谱光源发生仪(器)的输出端连接、而将单模光纤的输出端与光谱分析仪连接，以组成待测液体折射率测量系统；

C.待测液体的折射率测定：开启宽谱光源及光谱分析仪，得到复合光波导光栅的透射谱，并通过透射谱中的两个耦合谐振波长值确定其中心波长、进而利用中心波长得到待测溶液的折射率。

在步骤B中所述根据单模光纤的类型对齿板施加垂向压力，其压力为30-60N。

步骤C中所述通过透射谱中的两个耦合谐振波长值确定其中心波长，即：当两个耦合谐振波长的值分别为

和

时、其中心波长λ_c由下式：

${\mathrm{\λ}}_c=({\mathrm{\λ}}_m^x+{\mathrm{\λ}}_m^y)/2$

决定；其中

和

分别对应x方向偏振和y方向偏振的第m阶包层模的耦合谐振波长值。

步骤C中所述得到待测液体的折射率，其折射率n由下式：

n＝(λ_c-b)/a

决定；其中，b为绝对波长常数、单位：nm；a为复合光波导光栅的传感灵敏度、单位：nm^-1。

本发明直接采用将待测折射率的液体介质与普通单模光纤及套管组成复合光波导，并采用两个具有相同齿间距的齿条板对复合光波导加压、制得相应周期的复合光波导光栅，将所得复合光波导光栅两端分别与宽谱光源发生仪(器)及光谱分析仪连接、即组成待测液体折射率测量系统；开启宽谱光源及光谱分析仪，便可得到复合光波导光栅的透射谱及其中心波长、进而得到待测溶液的折射率。因而本发明具有测量系统的结构及测量方法简单，利用普通单模光纤即可实现折射率测定，且具有可调谐、可重构(重复使用)，操作方使，制作及使用成本低等特点。

附图说明

图1为本发明复合光波导光栅折射率传感结构示意图；

图2为本发明复合光波导结构及单模光纤、待测液体及弹性套管相互关系示意图(横向剖视图)；

图3为本发明实施方式所得透射谱图，其中：图a为去离子水、即溶液中NaCl浓度为0的待测溶液的透射谱图，图b为溶液中NaCl浓度为2wt％的待测溶液的透射谱图，图c为溶液中NaCl浓度为15wt％的待测溶液的透射谱图，图d为溶液中NaCl浓度为25wt％的待测溶液的透射谱图。

图中：1.单模光纤、1-1光纤纤芯、1-2光纤包层，2.弹性套管，3.上、下齿条板，4.宽谱光源，5.光谱分析仪，6.待测液体，F为施力方向。

具体实施方式

本实施方式以测量不同浓度NaCl溶液的折射率为例。其中复合光波导中的光纤1采用SMF-28单模光纤；套管2材料为聚四氟乙烯，壁厚70μm；上、下齿条板3上各开设200个齿间距相同的凸齿，凸齿厚度为200μm，齿间距为380μm；宽谱光源4采用SuperkCompact，光谱分析仪6型号为AQ6370B；本实施方式采用NaCl和去离子水配置质量百分比浓度分别为0(纯去离子水)、2wt％、15wt％和25wt％的四种液体介质作为待测溶液6、分别注入套管与包层之间，并将注入待测溶液后的复合光波导置于上、下齿条板3之间并施加40N的压力，然后按附图2所述方式与宽谱光源4和光谱分析仪5连接；开启宽谱光源及光谱分析仪即可对四种不同浓度的待测溶液进行折射率的测定。

附图3中的图a、b、c、d为浓度分别为0(纯去离子水)、2wt％、15wt％和25wt％四种液体的复合光波导光栅的第4阶包层模透射谱；其中心波长(根据

)分别为1664.3nm、1663.9nm、1662.4nm、1661.1nm，本实施例中a＝-68.72，b＝1755.88，通过中心波长与待测溶液折射率n的关系式：n＝(λ_c-b)/a得到四种不同浓度的NaCl溶液的折射率依次为1.3327、1.3385、1.3603和1.3792。而根据NaCl溶液的折射率n与浓度C关系的经验公式n＝0.00185×C+1.3331得到四种NaCl溶液的标准折射率分别为1.3331、1.3368、1.3608和1.3793。测量结果与标准值对比为：0.03％、0.13％、0.04％和0.01％。

因此，采用本发明实施方式测定溶液折射率的相对误差极小，确度高。

在实际测量中，在测得未知浓度溶液的折射率n后，通过相应溶液的浓度与其折射率关系对照表即可查得该溶液的浓度值；从而实现对液体介质化学成分的含量(浓度)进行间接测定的目的。

Claims (4)

1.一种采用光纤传感技术测定液体介质折射率的方法，包括：

A.构建复合光波导：首先将普通单模光纤中部用于组建折射率测量系统的一段光纤的涂覆层去掉、裸露包层并在该包层段套上弹性套管，然后在套管与包层之间注入待测液体，组成复合光波导；

B.压制复合光波导光栅并构建折射率测量系统：将由步骤A所得复合光波导置于两个具有相同齿间距的齿条板之间、并根据单模光纤的类型对齿条板施加垂向压力，以制得复合光波导光栅；然后将单模光纤的输入端与宽谱光源发生仪的输出端连接、而将单模光纤的输出端与光谱分析仪连接，以组成待测液体折射率测量系统；

C.待测液体的折射率测定：开启宽谱光源及光谱分析仪，得到复合光波导光栅的透射谱，并通过透射谱中的两个耦合谐振波长值确定其中心波长、进而利用中心波长得到待测溶液的折射率。

2.按权利要求1所述采用光纤传感技术测定液体介质折射率的方法，其特征在于在步骤B中所述根据单模光纤的类型对齿条板施加垂向压力，其压力为30-60N。

3.按权利要求1所述采用光纤传感技术测定液体介质折射率的方法，其特征在于在步骤C中所述通过透射谱中的两个耦合谐振波长值确定其中心波长，即：当两个耦合谐振波长的值分别为

和

时、其中心波长λ_c由下式：

${\mathrm{\λ}}_c=({\mathrm{\λ}}_m^x+{\mathrm{\λ}}_m^y)/2$

决定；其中

和

分别对应x方向偏振和y方向偏振的第m阶包层模的耦合谐振波长值。

4.按权利要求1所述采用光纤传感技术测定液体介质折射率的方法，其特征在于在步骤C中所述得到待测液体的折射率，其折射率n由下式：

n=(λ_c-b)/a

决定；其中，λ_c为中心波长、b为绝对波长常数、单位为nm；a为复合光波导光栅的传感灵敏度、单位为nm^-1。

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