CN103134776B - 基于d型保偏光纤的液体折射率绝对测量传感器 - Google Patents
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Abstract
基于D型保偏光纤的液体折射率绝对测量传感器，其特征在于：由入射光纤(1)、3-dB耦合器(2)、连接光纤(3)、第一保偏光纤(4)和第二保偏光纤(5)、液体槽(6)、偏振控制器(7)、出射光纤(8)组成；3-dB耦合器(2)一边的两个端口分别与入射光纤(1)以及出射光纤(8)相连接，3-dB耦合器(2)另两个端口分别与两段连接光纤(3)相连，两连接光纤(3)中间分别接第一保偏光纤(4)和第二保偏光纤(5)，第一保偏光纤(4)和第二保偏光纤(5)由连接光纤(3)相连，其中此段连接光纤(3)上接一个偏振控制器(7)；3-dB耦合器(2)、连接光纤(3)、第一保偏光纤(4)和第二保偏光纤(5)构成光纤环镜；本发明灵敏度高、抗外界电磁干扰能力强，可以应用于各类实际工程中。
Description
技术领域
一种基于D型保偏光纤的液体折射率绝对测量传感器，属于光纤传感技术领域。
背景技术
光纤干涉型传感器因其简单的结构和较高的灵敏度而在光纤传感领域中得到了广泛研究与应用。常见的有利用光弹性效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器；利用Sagnac效应的旋转角速度传感器以及利用倏逝场的液体折射率传感器等。20世纪70年代低损耗光纤出现以后，光纤干涉型传感器的研制有了长足进展，并很快得到实际应用。最早设计的干涉型传感器用于检测微弱的声波扰动，这项技术在80年代中后期取得了较大的成果。目前，采用Sagnac干涉光纤传感器的研究及应用现状已被广泛报道。这种传感器可被用于测量电流、声音、位移、应力、折射率等外界物理量。
在传统的光纤环镜(FLM)中插入两段长度不同的保偏光纤(PMF)构成PMF-FLM，一段作为参考光纤，一段作为传感光纤。将传感光纤一侧包层腐蚀接近纤芯构成D型保偏光纤，致使传感光纤倏逝场能与外围介质相互作用，从而改变了此段保偏光纤快慢轴的有效折射率，进而改变了FLM中正逆向传输的两束光的光程差，使干涉光谱发生漂移。通过监测干涉光谱的漂移量可以实现外围液体折射率的测量。通过测量对应两段保偏光纤的干涉光谱的波长差，可实现绝对测量，得到外围待测液体折射率的实际值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于D型保偏光纤的液体折射率绝对测量传感器。该装置能够将外围待测折射率的变化量转化为探测信号的波长漂移量。具有结构简单、易于操作、灵敏度高等特点。
本发明通过以下技术方案实现：
基于D型保偏光纤的液体折射率绝对测量传感器，由入射光纤(1)、3-dB耦合器(2)、连接光纤(3)、第一保偏光纤(4)和第二保偏光纤(5)、液体槽(6)、偏振控制器(7)、出射光纤(8)组成；3-dB耦合器(2)一边的两个端口分别与入射光纤(1)以及出射光纤(8)相连接，3-dB耦合器(2)另两个端口分别与两段连接光纤(3)相连，两连接光纤(3)中间分别接第一保偏光纤(4)和第二保偏光纤(5)，第一保偏光纤(4)和第二保偏光纤(5)由一段连接光纤(3)相连，其中此段连接光纤(3)上接一个偏振控制器(7)；3-dB耦合器(2)、连接光纤(3)和第一保偏光纤(4)和第二保偏光纤(5)构成光纤环镜。
所述的基于D型保偏光纤的液体折射率绝对测量传感器，其特征在于：入射光纤(1)、出射光纤(8)和连接光纤(3)为G.652或者G.653或者G.655单模光纤，入射光纤(1)和出射光纤(8)长度范围为20～40cm，连接光纤(3)长度范围为10～20cm。
所述的基于D型保偏光纤的液体折射率绝对测量传感器，其特征在于：第一保偏光纤(4)为熊猫型或者领结型高双折射保偏光纤，长度范围为20～30cm；第一保偏光纤(4)端面为D型，D型端面的切线(31)长度范围为80μm～100μm。
所述的基于D型保偏光纤的液体折射率绝对测量传感器，其特征在于：第二保偏光纤(5)为熊猫型或者领结型高双折射保偏光纤，长度范围为20～30cm。
所述的基于D型保偏光纤的液体折射率绝对测量传感器，其特征在于：液体槽(6)长度范围为30～40cm，宽度范围为1～2cm，高度范围为1～2cm。
所述的基于D型保偏光纤的液体折射率绝对测量传感器，其特征在于：偏振控制器(7)采用型号为FPC030或者FPC020的高消光比偏振控制器。
本发明的工作原理是：入射光由3-dB耦合器(2)分为两个反向传输的光信号，由偏振控制器(6)控制光信号偏振态，两束光经过PM-FLM后产生相位延迟Φ：
其中B为传感保偏光纤的双折射系数，L为接入保偏光纤的长度，λ为入射光波长。当两束光通过整个FLM后重新回到3-dB耦合器(2)并发生干涉，出射光呈明暗相间的干涉条纹。将传感光纤包层腐蚀到一定程度，当外围待测液体包围该段传感光纤时，该段保偏光纤快慢轴的有效折射率会受外围液体的影响。从而会改变传感光纤的双折射系数B，在FLM中正逆向传输光的相位差会改变，使干涉条纹发生改变，监测干涉光谱波长漂移量可以还原待测信号。
本发明的有益效果是：该液体折射率传感器通过在FLM接入两段长度不同，双折射系数相同的保偏光纤，第一保偏光纤(4)作传感光纤，第二保偏光纤(5)作参考光纤。由于两PMF的长度不同，当入射光进入FLM并最后重新回到3-dB耦合器(2)发生干涉时，对应第一保偏光纤(4)和第二保偏光纤(5)的干涉条纹将会有不同的干涉极小值，最终会使两干涉光谱相互叠加。将第一保偏光纤(4)的一侧在浓度为40％的氢氟酸溶液中腐蚀30分钟，使该光纤成为D型光纤。由于包层半径的减小，在第一保偏光纤(4)纤芯中传输的光的倏逝场能够与外围待测介质相互作用。当第一保偏光纤(4)浸入待测液体时，待测液体会影响保偏光纤快慢轴的有效折射率，从而会使第一保偏光纤(4)对应的干涉光谱漂移；而第二保偏光纤(5)快慢轴的有效折射率不会受外围液体的影响，因此其对应的干涉光谱不会漂移。传统的液体折射率相对测量传感器，只能检测到外围待测液体折射率的相对变化量，往往还需要设定一个初始值来得到外界液体折射率的实际值。本发明提供的液体折射率绝对测量传感器，由于对应第一保偏光纤(4)和第二保偏光纤(5)的干涉光谱的干涉极小值具有不同的波长，分别在对应第一保偏光纤(4)和第二保偏光纤(5)的干涉极小值中选取两相邻的干涉波长作为观测量，两相邻干涉极小值的初始波长间隔为该液体传感器的初始值，所以不需再另外确定初始值。当测量不同折射率大小的液体时，两相邻干涉极小值的波长间隔会改变，通过测量外围不同折射率大小的液体对应的波长间隔，便可实现绝对测量，得到待测液体折射率大小的实际值。
附图说明
图1是本发明的基于D型保偏光纤的液体折射率绝对测量传感器示意图；
图2是本发明的D型保偏光纤示意图；
图3是本发明的测量不同折射率大小液体时的干涉光谱变化实验图；
图4是本发明的折射率灵敏度曲线图。
具体实施方式
下面结合附图及实施实例对本发明作进一步描述：
参见附图1，基于D型保偏光纤的液体折射率绝对测量传感器，由入射光纤(1)、3-dB耦合器(2)、连接光纤(3)、第一保偏光纤(4)和第二保偏光纤(5)、液体槽(6)、偏振控制器(7)、出射光纤(8)组成；3-dB耦合器(2)一边的两个端口分别与入射光纤(1)以及出射光纤(8)相连接，3-dB耦合器(2)另两个端口分别与两段连接光纤(3)相连，两连接光纤(3)中间分别接保偏光纤(4)和(5)，第一保偏光纤(4)和第二保偏光纤(5)由一段连接光纤(3)相连，其中此段连接光纤(3)上接一个偏振控制器(7)；3-dB耦合器(2)、连接光纤(3)和第一保偏光纤(4)和第二保偏光纤(5)构成光纤环镜。
第一保偏光纤(4)和第二保偏光纤(5)均采用熊猫型保偏光纤，长度为分别为15cm和25cm，双折射系数均为7.7316×10-4。融接在其两端的连接光纤(3)为普通G.652单模光纤，长度为15cm。入射光纤(1)与出射光纤(7)均采用普通G.652单模光纤，长度均为30cm。偏振控制器(6)采用型号为FPC020高消光比偏振控制器。第一保偏光纤(4)为传感光纤，用于测量外围液体折射率变化，第二保偏光纤(5)为参考光纤，得到参考值，用于绝对测量。将第一保偏光纤(4)的一侧在浓度为40％的氢氟酸溶液中腐蚀30分钟，使该D型光纤端面切线变成80μm，如图2所示。实验时，将待测液体滴入液体槽(6)，使第一保偏光纤(4)完全浸入待测液体。图3为室温条件下测量的不同折射率大小液体的干涉光谱变化实验图。可见，当外围液体折射率在1.30～1.42RIU(折射率单位)的范围内变化时，对应第一保偏光纤(4)的干涉光谱向长波长方向漂移，由于第二保偏光纤(5)不受外围折射率变化影响，所以干涉光谱基本不会漂移。测量两干涉光谱的间隔，可以进行绝对测量。图4是本发明的折射率灵敏度曲线图，该传感器的灵敏度为63.77nm/RIU。
Claims (6)
1.基于D型保偏光纤的液体折射率绝对测量传感器，其特征在于：由入射光纤(1)、2×2 3-dB耦合器(2)、连接光纤(3)、第一保偏光纤(4)和第二保偏光纤(5)、液体槽(6)、偏振控制器(7)、出射光纤(8)组成；3-dB耦合器(2)一边的两个端口分别与入射光纤(1)以及出射光纤(8)相连接，3-dB耦合器(2)另两个端口分别与两段连接光纤(3)相连，两连接光纤(3)中间分别接第一保偏光纤(4)和第二保偏光纤(5)，第一保偏光纤(4)和第二保偏光纤(5)由一段连接光纤(3)相连，其中此段连接光纤(3)上接一个偏振控制器(7)；3-dB耦合器(2)、连接光纤(3)和第一保偏光纤(4)和第二保偏光纤(5)构成光纤环镜，第一保偏光纤(4)作传感光纤，第二保偏光纤(5)作参考光纤，传感光纤为D型光纤，第一保偏光纤(4)和第二保偏光纤(5)长度不同、双折射系数相同。
2.根据权利要求1所述的基于D型保偏光纤的液体折射率绝对测量传感器，其特征在于：入射光纤(1)、出射光纤(8)和连接光纤(3)为G.652或者G.653或者G.655单模光纤，入射光纤(1)和出射光纤(8)长度范围为20～40cm，连接光纤(3)长度范围为10～20cm。
3.根据权利要求1所述的基于D型保偏光纤的液体折射率绝对测量传感器，其特征在于：第一保偏光纤(4)为熊猫型或者领结型高双折射保偏光纤，第一保偏光纤(4)端面为D型，长度范围为20～30cm；D型端面切线(31)长度范围为80μm～100μm。
4.根据权利要求1所述的基于D型保偏光纤的液体折射率绝对测量传感器，其特征在于：第二保偏光纤(5)为熊猫型或者领结型高双折射保偏光纤，长度范围为20～30cm。
5.根据权利要求1所述的基于D型保偏光纤的液体折射率绝对测量传感器，其特征在于：液体槽(6)长度范围为30～40cm，宽度范围为1～2cm，高度范围为1～2cm。
6.根据权利要求1所述的基于D型保偏光纤的液体折射率绝对测量传感器，其特征在于：偏振控制器(7)采用型号为FPC030或者FPC020的高消光比偏振控制器。
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