CN105651731A - 一种基于光纤结构的液体折射率传感器 - Google Patents
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Abstract
一种基于光纤结构的液体折射率传感器，属于光纤传感领域。该传感器由光纤和液体腔构成。在弯曲部位的光纤的包层已被蚀刻掉，仅有芯层，浸没于待测液体中，液体作为光纤包层。在光纤内传播的光信号，在弯曲部位处因发生泄漏损耗而致输出光功率发生衰减，其衰减量与液体折射率密切相关。通过测定输出光功率，从而便获得液体的折射率。这是一种新型的液体折射率测量方法，具有结构简单、易于设计和制作、安全实用、调控简便等诸多优点，在医药、生物、食品安全等领域中具有广泛应用前景。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感领域，涉及一种新型光纤传感器，具体指一种基于光纤结构的液体折射率传感器。
背景技术
光纤因具有抗电磁和原子辐射干扰、耐高温、耐腐蚀、易于获取与传输信号等诸多优势而在传感器领域有十分广泛的应用，且近年来发展十分迅速。例如，光纤传感器已在磁场、电流、液位、速度、电压、温度、应力以及辐射等方面已有各种成熟传感产品问世，大大丰富了人们的生活，提高了生产效率，起着其它类型的传感器无可替代的作用。
近年来，在基础研究、医药化工、医学诊断、食品制造以及环境保护等诸多领域，需要对液体浓度进行表征，这是由于液体浓度是反映液体特性的一个重要参数。如在医学诊断中某种液体浓度可用来表征身体的健康状况；在医药化工中可用液体浓度来检测化学反应的动态过程。通常，液体浓度与其折射率或吸收系数密切相关，因而可通过准确测试液体折射率或吸收谱来获得液体的浓度参数。常见方法有布里渊散射法、布拉格光栅衍射法、拉曼光谱法等。而基于光纤的液体折射率传感器因灵敏度高、响应速度快、检测距离远、抗外界干扰能力强等方面具有潜在优势，因而在液体折射率传感应用中更具应用前景。
近年来，关于液体折射率光纤传感器的报道还不多，如光子晶体光纤结构型液体折射率传感器、长周期光纤光栅型液体折射率传感器、光纤布拉格光栅型液体折射率传感器等。这些传感器通常存在系统设计复杂、受环境影响大、成本费用高、测量范围小或灵敏度较低等突出问题，因而在实际应用中受到诸多限制。基于此，研制具有结构简单、性能好、易于设计与制作的用于液体折射率测量的传感器具有重要应用价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于液体折射率测量的光纤传感器。该传感器由弯曲光纤构成，在弯曲部位的光纤的包层已被蚀刻掉，仅有芯层，浸没于待测液体中，待测液体作为包层。在光纤内传播的光信号，在弯曲部位处因发生泄漏损耗而致输出光功率发生衰减，其衰减量与液体折射率密切相关。通过测定输出光功率，从而便获得液体的折射率。该器件具有结构简单、易于设计和制作、测试简便等诸多优点。
本发明技术方案如下：
一种用于液体折射率测量的光纤传感器，如图1所示，该图为光纤传感器的正视截面图。该传感器包括由上基片1、下基片2以及单模光纤构成。其中单模光纤由输入直光纤3、用于传感的弯曲光纤4以及输出直光纤5构成。其中底部位置的弯曲光纤4的包层已刻蚀掉。在上、下基片所围成的液体腔6装有待测液体，通道7和通道8是待测液体的注入和流出通道。图2为输入直光纤3位置处的横截面图。
所述光纤3、4、5为单模光纤，其工作波长1550nm。
所述弯曲光纤4在底部位置弯曲半径范围为150微米~500微米，其具体弯曲半径参数取决于待测液体的折射率可能范围。
所述基片1、2为玻璃。
所述待测液体的折射率应小于光纤芯层的折射率。
待测液体由输入通道7注入，注入液体腔，再经由输出通道8输出。光信号耦合进输入直光纤3，传输到弯曲光纤4的底部位置时将发生衰减，然后光信号再经由输出直光纤5输出，最后通过探测器测试其输出光功率。
本发明提供的液体折射率传感器由单模光纤和流体通道构成，其结构简单，其弯曲光纤4的底部位置光纤可以采用氢氟酸即可刻蚀掉该位置的光纤包层。这里不再详细介绍其制作过程。
本发明的工作原理是：
传感器中的弯曲光纤4的底部位置浸没在待测液体中，其光纤包层已被刻蚀掉，因而其芯层直接裸露，与待测液体接触，故其待测液体相当于作为光纤的包层，对光束起约束作用。当光信号由输入直光纤3传输到弯曲光纤4的底部位置时，使得该位置的光纤对光信号约束能力减弱，因而光束将发生泄漏，其归一化衰减率与待测液体的折射率大小有关。当待测液体折射率发生变化时，其归一化衰减率也将发生变化。因而经直光纤5输出的归一化光功率也与液体的折射率密切相关，其光功率大小反映液体折射率的大小。基于此，容易获得输出光功率与液体折射率之间的变化曲线。利用该变化曲线，一旦测得输出光功率，就可得到液体的折射率。
本发明提出的液体折射率传感器，是一种基于光纤结构的新型功能器件。其原理是利用光束在光纤裸露芯层位置处的光衰减受液体折射率的影响，这将改变光功率的输出，从而可由输出归一化光功率大小来获取待测液体折射率。该器件结构简单、易于设计与制作、测试简便等诸多优点。
附图说明
图1是本发明提供的光纤液体传感器的正视截面结构示意图。
图2是本发明提供的直光纤3所在位置的横截结构图。
图3是本发明提供的归一化光功率输出随待测液体折射率的变化关系。
图4是本发明提供的归一化光功率输出随工作波长的变化关系。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步的说明。通常，光通信系统中通信窗口为近红外光，这里，假定光信号的工作波长为1.55μm。如图1所示，假定光纤芯层折射率为1.450；其包层折射率为1.400。假定待测液体折射率的可能范围为1.400~1.445。
这里采用光束传播法（BPM）对本发明提供的液体折射率传感器的光学性能进行模拟。当待测液体的折射率在1.400~1.450之间变化时，其直光纤5输出的归一化光功率输出随液体折射率变化如图3所示。由图可以看出，其光功率输出随折射率增大而单调下降，且变化动态范围大于0.99。由图可以看出，部分光功率泄漏到液体中，其衰减光功率与液体折射率大小有关，即液体折射率越大，其泄漏到微流体通道的光功率越高。
通常，入射光信号存在一定的谱宽，约几十纳米左右，如光通信系统C带窗口为1530nm~1565nm。本发明进一步考察了本发明提供的液体折射率传感器性能对其工作波长的依赖性。这里给出了模拟结果，如图4所示，表示光功率输出随工作波长变化。模拟结果表明，其光功率输出随工作波长变化很小。因此，该器件的波长依赖性很低，这对于其实际应用十分有用。
本发明提出的基于光纤结构的液体折射率测量，其原理是利用不同液体折射率作为光纤包层，通过测量输出光功率变化，从而实现液体折射率的测量。这是一种新型的液体折射率测量方法，具有结构简单、易于设计和制作、波长依赖性低、测试简便、安全实用等诸多优点本发明所提出的一种液体折射率传感器，具有结构简单、易于设计与制作等优点，在医药、生物、工业等领域中具有广泛应用前景。
Claims (2)
1.一种基于光纤结构的液体折射率传感器，由液体腔和光纤构成；所述液体腔结构由上基片（1）与下基片（2）围成；所述光纤由输入直光纤（3）、用于传感的弯曲光纤（4）以及输出直光纤（5）构成；液体腔内有待测液体（6），待测液体经通道（7）注入液体腔，经通道（8）流出；光信号耦合进输入直光纤（3），当传输到弯曲光纤（4）的底部位置时，因光束泄漏将发生衰减，然后光信号再经由输出直光纤5输出，最后通过探测器测试其输出光功率；其输出光功率与待测液体的折射率大小密切有关，由此可得到液体的折射率。
2.根据权利要求1所述的基于光纤结构的液体折射率传感器，其特征在于，所述光纤（3、4、5）为单模光纤，上基片（1）与下基片（2）为玻璃，待测液体的折射率小于光纤芯层的折射率。
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