CN102507497B - 一种基于光纤的折射率传感器及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤的折射率传感器及用于所述传感器的折射率测量方法，所述传感器包括接收测试光的第一单模光纤、与第一单模光纤连接的，接收第一单模光纤输出的测试光的，去除涂敷层和包层且具有特定长度的多模光纤，所述特定长度为当测试光向多模光纤耦合时，使得若干被激起的漏模在所述多模光纤输出端面处相干相加的长度；与多模光纤连接的，接收多模光纤输出的测试光，并将其输出的第二单模光纤；所述方法基于以上结构，测量由第一单模光纤进入的，经浸入液体中的多模光纤传播且从第二单模光纤输出的测试光的功率损耗，参考预设的功率损耗与折射率间的对应关系，依据测得的功率损耗，确定液体的折射率，降低了测量高折射率液体的成本。

Description

一种基于光纤的折射率传感器及测量方法

技术领域

本发明涉及光纤光学领域，尤其涉及一种基于光纤的折射率传感器及测量方法。

背景技术

根据液体折射率的变化，可获知液体浓度或成分的变化，所以测量液体的折射率就成为探知液体的一种重要手段。光纤折射率传感器是一种以光纤为媒介测量液体折射率的传感器，具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、电绝缘性好、灵敏度高等优点。

现有的大多数基于光纤的折射率传感器利用导模耦合的原理来测量液体折射率，这就使得此种折射率传感器仅适用于测量折射率低于传感光纤的折射率的液体，而无法测量高浓度蔗糖溶液、甘油、光纤匹配液等自身折射率高于传感光纤折射率的液体。虽然部分基于光纤光栅的传感器能够用于测量高折射率液体，但是这种传感器必须使用特种光敏光纤，且光刻工艺复杂，因而增加了测试高折射率液体的成本。所以，目前还没有一种工艺简单且成本低的传感器和方法能够用于测量高折射率液体的折射率。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于光纤的折射率传感器及测量方法，以解决目前测量折射率高于光纤的液体的折射率成本高的问题。

一种基于光纤的折射率传感器，用于测量折射率高于所述光纤折射率的液体的折射率，包括：

接收测试光的第一单模光纤；

与所述第一单模光纤连接的，接收所述第一单模光纤输出的测试光的，去除涂敷层和包层且具有特定长度的多模光纤，所述特定长度为当所述测试光向所述多模光纤耦合时，使得若干被激起的漏模在所述多模光纤输出端面处相干相加的长度；

与所述多模光纤连接的，接收所述多模光纤输出的测试光，并将其输出的第二单模光纤。

优选地，所述第一单模光纤与所述多模光纤为无偏心连接，所述多模光纤与所述第二单模光纤为无偏心连接。

优选地，所述多模光纤包括：

多模通信光纤。

优选地，所述第一单模光纤和第二单模光纤分别包括：

单模通信光纤。

优选地，所述第一单模光纤和第二单模光纤的参数相同。

优选地，所述第一单模光纤和第二单模光纤的参数不同。

一种基于光纤的折射率测量方法，用于上述传感器，包括：

测量由第一单模光纤进入的，经浸入所述液体中的特定长度的多模光纤传播且从第二单模光纤输出的测试光的功率损耗，所述特定长度为当所述测试光向所述多模光纤耦合时，使得若干被激起的漏模在所述多模光纤输出端面处相干相加的长度；

参考预设的功率损耗与折射率间的对应关系，依据所述测试光的功率损耗，确定所述液体的折射率。

优选地，所述测试光包括：

与所述单模光纤和所述多模光纤波长参数匹配的激光。

本发明实施例提供的基于光纤的测量高折射率液体的折射率传感器及方法，摒弃了传统的基于导模耦合的测量原理，使用基于漏模模间干涉的方法。将多模光纤的长度设定为能够使测试光在其中激起的漏模发生相干相加的长度，通过测量依次经由第一单模光纤、多模光纤、第二单模光纤传播的测试光的功率损耗，确定待测液体的折射率，从而打破了普通光纤不能测量高折射率液体的折射率的限制，并且，本发明实施例所公开的传感器，仅需要使用普通光纤进行简单的连接就可实现对折射率的准确测量，因此降低了测量高折射率液体的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种基于光纤的折射率传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例公开的一种基于光纤的折射率测试方法中测试光输出功率损耗随被测液体的折射率变化的曲线图；

图3为本发明实施例公开的一种基于光纤的折射率测试方法流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于光纤的折射率传感器，所述传感器采用普通光纤通过简单的预处理与简单连接即可实现。同时与所述传感器对应的，本发明还提供了一种基于光纤的折射率测试方法，用于所述传感器，当液体的折射率高于所述光纤的折射率时，适用所述传感器及方法测量其折射率。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明公开了一种基于光纤的折射率传感器，用于测量折射率高于所述光纤折射率的液体的折射率，如图1所示，包括：

接收测试光的第一单模光纤101；

与所述第一单模光纤连接的，接收所述第一单模光纤输出的测试光的，预先去除包层与涂敷层的，且具有特定长度的多模光纤102，所述特定长度为当所述测试光向所述多模光纤耦合时，使得若干被激起的漏模在所述多模光纤输出端面处相干相加的长度；

与所述多模光纤连接的，接收所述多模光纤输出的测试光，并将其输出的第二单模光纤103。

其中，所述多模光纤可以使用纤芯直径为105μm，纤芯折射率为1.45的多模光纤，剥掉其涂敷层并使用氢氟酸去除其包层。这里的纤芯直径和折射率为优选设定，但并不限于所述固定值。

所述第一单模光纤与所述多模光纤为无偏心连接，所述多模光纤与所述第二单模光纤为无偏心连接。

上述的连接方式可以为熔接或者能将三段光纤连接的其他方式。

所述折射率传感器的功能实现原理如下：

第一单模光纤和第二单模光纤为普通单模光纤，两者都支持最低阶导模；测量时浸入被测高折射率液体中的多模光纤与所述液体组成波导结构，此波导结构支持离散的漏模。将第一单模光纤的电场设为

将多模光纤的漏模电场定义为

传播常数定义为β_m+iα_m，其中m为模式阶数，实部β_m代表该阶漏模沿光纤轴向的相位特性，虚部α_m则代表其沿光纤轴向的损耗特性。

当第一单模光纤与多模光纤无偏心对接后，由第一单模光纤进入且经其传输后的测试光向多模光纤耦合，激励起若干漏模，且不同阶漏模耦合的能量由激励系数η_m决定，为：

${\mathrm{\η}}_m=\frac{{|{\∫\stackrel{\→}{E}}_{\mathrm{in}}\·{\stackrel{\→}{E}}_m\mathrm{ds}|}^2}{\∫{\left|{\stackrel{\→}{E}}_{\mathrm{in}}\right|}^2\mathrm{ds}\∫{\left|{\stackrel{\→}{E}}_m\right|}^2\mathrm{ds}}$

所述测试光在多模光纤中传播时，在传输距离z处，多模光纤内的总场可表示为：

$\stackrel{\→}{E}\left(z\right)=\underset{m}{\mathrm{\Σ}}\sqrt{{\mathrm{\η}}_m}{\stackrel{\→}{E}}_m{e}^{i{\mathrm{\β}}_{m}z}{e}^{-{\mathrm{\α}}_{m}z}$

当各阶漏模在多模光纤中传播的距离满足一定条件时，其中的若干漏模的相互间的相位差为2Nπ，N为整数，即这若干个漏模发生相干相加，光能量汇聚在光纤轴附近。取多模光纤的长度为满足上述条件的长度L，即使若干被激励起的漏模在多模光纤输出端面处相干相加，此时，由多模光纤耦合进入第二单模光纤的测试光的能量为一个极大值。

将第二单模光纤的基模场定义为

则从第二单模光纤输出的测试光的能量损耗为：

$T_{\mathrm{out}}={10\log }_{10}\left(\frac{{|\∫\stackrel{\→}{E}\left(L\right)\·{\stackrel{\→}{E}}_{\mathrm{out}}\mathrm{ds}|}^2}{\∫{\left|\stackrel{\→}{E}\left(L\right)\right|}^2\mathrm{ds}\∫{\left|{\stackrel{\→}{E}}_{\mathrm{out}}\right|}^2\mathrm{ds}}\right)$

当所述液体的折射率改变时，测试光向多模光纤耦合时激励起的各阶漏模的传播常数的实部不改变，仅其虚部由于部分反射环境的不同而单调变化，即漏模传输损耗系数单调改变。由于传输损耗系数的不同，从多模光纤输出的测试光的剩余功率就不同，相应的，在第二单模光纤输出端检测到的光功率也不同，其值随被测液体折射率单调变化，即测试光功率损耗与液体折射率是一一对应的。

图2为使用本发明公开的实施例中的折射率传感器进行测量时，测试光输出功率损耗随被测液体折射率变化的曲线，从此曲线也可看出，两者满足一一对应的关系。

基于以上原理，本发明将多模光纤的长度设定为使若干被激励起的漏模在其输出端面处满足相干相加的长度。需要说明的是，这个长度不是一个固定的长度，假设能使若干个漏模满足相干相加的最小长度为L，那么，只要多模光纤的长度满足L的整数倍即可。而且，对于使用不同参数的多模光纤，使若干个漏模满足相干相加的多模光纤的最小长度L也是不同的。

使用这种基于光纤的折射率传感器时，将其中的多模光纤浸入被测液体中，从所述第一单模光纤出输入一定功率的测试光，所述测试光在传感器中的传递原理如前所述，最终从所述第二单模光纤输出。使用普通光功率计测量输出测试光的功率损耗，即可通过查询功率损耗与液体折射率间的对应关系，确定被测液体的折射率。

需要说明的是，本实施例中所述的测试光，对其输出功率有要求为：经过所述折射率传感器的衰减后仍然能够被光功率计准确测量。参考现有普通光功率计的量程与精度，本实施例优先选用输出功率在0dBm～-20dBm之间的测试光。在实际应用中并不限制于此，可根据具体情况决定使用的输出功率。

本实施例公开的基于光纤的折射率传感器，所使用的光纤分别为普通的单模和多模光纤，并且，仅需要将第一单模光纤、多模光纤和第二单模光纤依次连接即可，而不需要复杂的光刻技术，所以，此种基于光纤的折射率传感器与其他测量高于普通光纤的液体的折射率的传感器相比，具有成本低、制作简单的优点。

进一步地，本实施例中的多模光纤可以为多模通信光纤，第一、第二单模光纤可以为单模通信光纤，这里为了制作方便而使用比较常见的通信光纤，但并不限定一定使用通信光纤。

进一步地，本实施例中的第一单模光纤和第二单模光纤的参数可以相同，也可以不同，即两者的长度等参数可以视情况任意设定。例如，可以采用两段相同的普通单模通信光纤分别作为第一单模光纤和第二单模光纤，其纤芯直径为9μm，纤芯折射率为1.4505，包层直径为125μm，包层折射率为1.4447。当第一单模光纤和第二单模光纤采用以上参数时，其中一个能够使若干被激起的漏模在多模光纤输出端面处相干相加的多模光纤的最小长度为41.2毫米，只要所述多模光纤的长度符合41.2毫米的整数倍，即可实现准确测量折射率的目的。在实际应用中，往往要求尽可能短以保证结构的紧凑性，可以根据实际情况具体确定长度。

与上述实施例中的传感器相对应的，本发明还公开了一种基于光纤的折射率测试方法，用于所述传感器，如图3所示，包括步骤：

S301：测量由第一单模光纤进入的，经浸入所述液体中的特定长度的多模光纤传播且从第二单模光纤输出的测试光的功率损耗，所述特定长度为当所述测试光向所述多模光纤耦合时，使得若干被激起的漏模在所述多模光纤输出端面处相干相加的长度；

S302：参考预设的测试光功率损耗与折射率的对应关系，依据所述测试光的功率损耗，确定所述液体的折射率。

这里存在两种应用场景：第一，由人工测量，即操作者将传感器的多模光纤放置于待测液体中，然后测量由传感器的第二单模光纤输出的测试光的功率，最后经操作者查询光功率损耗与折射率间的对应关系确定待测液体的折射率；第二，将传感器中的多模光纤固定于容器中，测量时，将待测液体注入到容器中，由处理器接收光功率计测得的功率，然后给出液体的折射率。

本发明公开的基于光纤的折射率测试方法，依据漏模模间干涉的原理，实现了仅利用普通的单模和多模光纤就可测量折射率高于普通光纤的液体的折射率，在保证测量精度的同时，降低了测量的成本。

进一步地，本实施例中所述的测试光为：与所述单模光纤和所述多模光纤波长参数匹配的激光。例如，与上一实施例中所述折射率传感器所用光纤匹配的测试光为波长1550nm的激光。使用激光保证了普通功率计测量的准确性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种基于光纤的折射率传感器，用于测量折射率高于所述光纤折射率的液体的折射率，其特征在于，包括：

接收测试光的第一单模光纤；

与所述第一单模光纤以熔接的连接方式连接的，接收所述第一单模光纤输出的测试光的，去除涂敷层和包层且具有特定长度的多模光纤，所述特定长度为当所述测试光向所述多模光纤耦合时，使得若干被激起的漏模在所述多模光纤输出端面处相干相加的长度；

与所述多模光纤以熔接的连接方式连接的，接收所述多模光纤输出的测试光，并将其输出的第二单模光纤。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一单模光纤与所述多模光纤为无偏心连接，所述多模光纤与所述第二单模光纤为无偏心连接。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述多模光纤包括：

多模通信光纤。

4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一单模光纤和第二单模光纤分别包括：

单模通信光纤。

5.根据权利要求1至4任一项所述的传感器，其特征在于，所述第一单模光纤和第二单模光纤的参数相同。

6.根据权利要求1至4任一项所述的传感器，其特征在于，所述第一单模光纤和第二单模光纤的参数不同。

7.一种基于光纤的折射率测量方法，其特征在于，用于权利要求1所述的传感器，包括：

测量由第一单模光纤进入的，经浸入所述液体中的特定长度的多模光纤传播且从第二单模光纤输出的测试光的功率损耗，所述特定长度为当所述测试光向所述多模光纤耦合时，使得若干被激起的漏模在所述多模光纤输出端面处相干相加的长度；

参考预设的功率损耗与折射率间的对应关系，依据所述测试光的功率损耗，确定所述液体的折射率。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述测试光包括：

与所述单模光纤和所述多模光纤波长参数匹配的激光。

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