CN105911023A - 一种基于超声脉冲诱发光栅变形的用于测量折射率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于超声脉冲诱发光栅变形的用于测量折射率的方法，所述测量折射率的方法包括如下步骤：a)搭接光纤传感器折射率测量系统，所述系统包括一段带有连续均匀光栅的光纤、超声波发生器和解调仪，所述的带有连续均匀光栅的光纤具有多段光栅，每段光栅栅格均匀分布，所述光栅之间间隔相同；b)将所述光纤传感器折射率测量系统置于待测折射率的溶液中，记录所述解调仪采集到的离峰偏离主峰的间距；c)将步骤b)中所述的离峰偏离主峰的间距与离峰偏离主峰的间距随折射率变化的关系曲线比对，得到待测折射率溶液的折射率大小。

Description

一种基于超声脉冲诱发光栅变形的用于测量折射率的方法

技术领域

本发明涉及光纤光栅技术领域，特别涉及一种基于超声脉冲诱发光栅变形的用于测量折射率的方法

背景技术

通常，测量的目的是为了获得研究对象的有关信息，并进行相应的处理，然后再去控制对象，完成这一功能性操作即为传感技术。光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等)发生变化，称为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。近年来，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方(如高温区)，或者对人有害的地区(如核辐射区)，起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。随着密集波分复用DWDM技术、掺铒光纤放大器EDFA技术和光时分复用OTDR技术的发展和成熟，光纤通信技术正向着超高速、大容量通信系统的方向发展，并且逐步向全光网络演进。在光通信迅猛发展的带动下，光纤传感器作为对材料的应变测量，以及磁场、温度场合、溶液折射率的测量方面起到了重要的作用。

然而传统的光纤传感器仅仅围绕光源以及光纤自身材料的改变来提高传感器的精确度，其受到了很大限制。

因此，需要一种能有效地在光纤中耦合超声波的方法引起光栅变形测量折射率的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于超声脉冲诱发光栅变形的用于测量折射率的方法，在一个方面，所述测量折射率的方法包括如下步骤：

a)搭接光纤传感器折射率测量系统，所述系统包括泵浦源、第一光纤、一支波分复用器、一段带有连续均匀光栅的光纤、超声波发生器和解调仪，所述的带有连续均匀光栅的光纤一端为球状末端，所述超声波发生器设有发射探头，所述发射探头与所述球状末端固定，所述解调仪与所述带有连续均匀光栅的光纤另一端连接；所述的带有连续均匀光栅的光纤具有多段光栅，每段光栅栅格均匀分布，所述光栅之间间隔相同；

b)将所述光纤传感器折射率测量系统置于待测折射率的溶液中，记录所述解调仪采集到的离峰偏离主峰的间距；

c)将步骤b)中所述的离峰偏离主峰的间距与离峰偏离主峰的间距随折射率变化的关系曲线比对，得到待测折射率溶液的折射率大小。

在一个方面，所述的测量折射率的方法，所述步骤c)中离峰偏离主峰的间距随折射率变化的关系曲线通过标定得到，所述标定包括以下步骤：

(1)将所述带有连续均匀光栅的光纤置于可控折射率的溶液环境中；

(2)所述泵浦源发射光波进入所述第一光纤，所述超声波发生器发射超声波进入所述带有连续均匀光栅的光纤；

(3)记录解调仪时刻t采集到的离峰偏离主峰的间距；

(4)逐渐增加溶液的折射率的应变，重复所述步骤(2)至步骤(3)的过程，记录解调仪与所述步骤(3)中相同的时刻t采集到的不同折射率引起的离峰偏离主峰的间距；

(5)拟合离峰偏离主峰的间距随折射率变化的关系曲线。

在一个方面，所述的测量折射率的方法，所述球状末端是光纤末端烧结而成的小球，所述小球与所述超声探头之间通过硅胶固定。

在一个方面，所述的测量折射率的方法，所述小球与所述超声探头之间涂有导声糊，所述导声糊为光声匹配材料，用于耦合声波进入光纤。

在一个方面，所述的测量折射率的方法，步骤c)中所述的超声波以纵波形式传播，所述超声波的波长大于所述光栅的栅格长度。

在一个方面，所述的测量折射率的方法，所述超声波波长为1cm-2cm。

在一个方面，所述的测量折射率的方法，所述步骤e)中增加折射率的方法为增加溶液元素离子半径、增加或降低溶液的浓度。

在一个方面，所述的测量折射率的方法，所述的离峰偏离主峰的间距随折射率变化的关系曲线通过线性拟合或者最小二乘法进行拟合。

在另一个方面，本发明提供了所述测量折射率方法的光纤传感器测量系统，所述测量系统包括泵浦源、第一光纤、一支波分复用器、一段带有连续均匀光栅的光纤、超声波发生器和解调仪；

所述的带有连续均匀光栅的光纤一端为球状末端；

所述超声波发生器设有超射探头，所述发射探头与所述球状末端固定，所述解调仪与所述带有连续均匀光栅的光纤另一端连接，所述的带有连续均匀光栅的光纤具有多段光栅，每段光栅栅格均匀分布，所述光栅之间间隔相同。

本发明提供的一种基于超声脉冲诱发光栅变形的用于测量折射率的方法，通过将超声波薄耦合到光栅光纤中，引起光栅栅格变形，从而在光波主峰两侧形成离峰，本发明对离峰监测并进行折射率测量，使折射率测量的精确度更加准确。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示意性示出本发明测量折射率的光纤传感器测量系统；

图2示出了本发明带有连续均匀光栅光纤的示意图；

图3示出了本发明光纤耦合超声波前栅格的示意图；

图4示出了本发明光纤耦合超声波前脉冲的反射谱；

图5示出了本发明光纤耦合超声波后栅格的示意图；

图6示出了本发明光纤在超声脉冲作用下出现的离峰；

图7示出了本发明在不同折射率时离峰偏离主峰的示意图；

图8示出了本发明离峰偏离主峰间距随折射率变化的曲线。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

本发明提供了一种基于超声脉冲诱发光栅变形的用于测量折射率的方法，本实施例中，如图1所示本发明测量折射率的光纤传感器测量系统，所述系统包括泵浦源101、第一光纤102、一支波分复用器103、一段带有连续均匀光栅108的光纤106、超声波发生器105和解调仪104；带有连续均匀光栅的光纤一端为球状末端；球状末端是光纤端部通过烧结而成的小球107；超声波发生器设有超声探头，所述发超声探头与所述光纤末端的小球107通过硅胶固定。在超声探头与小球107之间涂有导声糊，导声糊作为声匹配材料使声波能够耦合至光纤中。解调仪104与所述带有连续均匀光栅108的光纤106另一端连接，用于采集光纤的反射波谱。

下面具体描述超声波诱发光栅变形的原理：

如图2所示本发明带有连续均匀光栅光纤的示意图，带有连续均匀光栅的光纤由多段相同参数的光纤光栅108串联组成或直接分布连续均匀光栅，本实施例中优选采用分布连续均匀光栅的方式制成的光栅光纤具有多段光栅，每段光栅栅格均匀分布，光栅与光栅之间的间距相同。

当泵浦源101发射的光通过本发明实施例中分布连续均匀光栅光纤的栅格时，光纤的栅格108a不会发生机械变形，如图3所示本发明光纤耦合超声波前栅格的示意图。光波完全通过光栅光纤，经解调仪104采集光栅光纤的反射波谱，反射波谱出现一个主峰，如图4所示本发明光纤耦合超声波前脉冲的反射谱。

当超声波发生器105发射出的超声波经超声探头与光纤末端烧结小球107之间导声糊将超声波耦合至光纤中，同时，泵浦源101发射出的光进入第一光纤102后通过波分复用器103将光波耦合至带有连续均匀光栅的光纤中。超声波以纵波的形式在光纤中向前传播，当超声波传播至第n段光栅前，会诱发光纤的栅格108b发生机械变形，当超声波离开第n段光栅后，机械变形恢复，如图5所示本发明光纤耦合超声波后栅格的示意图。本发明中，发射超声波的波长大于光栅光纤的栅格长度，当超声波完全穿过第n段光栅的时刻由解调仪104采集到的反射波谱会在主峰的两端出现两个离峰，如图6所示的本发明光纤在超声脉冲作用下出现的离峰。

下面具体描述本实施例中通过离峰测量溶液折射率的方法：

搭接光纤传感器折射率测量系统：

搭建测量折射率的光纤传感器系统，所述系统包括泵浦源101、第一光纤102、一支波分复用器103、一段带有连续均匀光栅的光纤106、超声波发生器105和解调仪104；带有连续均匀光栅的光纤一端为球状末端；球状末端是光纤端部通过烧结而成的小球107；超声波发生器设有超声探头，所述发超声探头与所述光纤末端的小球107通过硅胶固定。在超声探头与小球之间涂有导声糊，导声糊作为声匹配材料使声波能够耦合至光纤中。解调仪104与所述带有连续均匀光栅的光纤106另一端连接，用于采集光纤的反射波谱。

对光纤传感器折射率测量系统进行折射率标定：

将带有连续均匀光栅的光纤106置于可控折射率的溶液中：选取环氧树脂(Epoxy Resin)或丙烯酸酯作为胶粘剂，以黏贴的方式将光栅光纤的栅格区固定在材料109表面，将材料置于可控折射率的溶液中。泵浦源101发射光波进入第一光纤102，超声波发生器105发射超声波经超声探头与光纤末端烧结小球107之间导声糊将超声波耦合进入带有连续均匀光栅的光纤106，超声波在光栅光纤中以纵波的形式向前传播，超声波的波长大于光栅光纤的栅格长度，优选地，本实施例中，超声波发生器105发射的超声波波长为1cm-2cm。第一光纤102中的光波通过波分复用器103耦合至带有连续均匀光栅的光纤106。记录解调仪t时刻采集到的离峰偏离主峰的间距。

通过折射率控制器110改变溶液的折射率值n₁，记录解调仪相同时刻t采集到的折射率引起的离峰偏离主峰的间距s₁，折射率的的改变可以通过折射率控制器110对增加溶液元素离子半径、增加或降低溶液的浓度进行监测。本实施例中优选增加浓度的方式。重复上述过程，记录溶液不同折射率n₂、n₃、…n_n对应的解调仪在相同时刻t采集到的离峰偏离主峰的间距s₂、_、s₃…s_n，如图7所示本发明在不同折射率时离峰偏离主峰的示意图。拟合离峰偏离主峰的间距随折射率变化的关系曲线，曲线拟合可采用最小二乘法线性拟合，如公式1所示。

y＝ax+b (1)

曲线拟合也可采用最小二乘拟合，由下述等式(2)和(3)可推出拟合曲线。

$\frac{\∂S}{\∂a_0}=\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}(y_i-a_0-a_1{x}_i)=0---\left(2\right)$

$\frac{\∂S}{\∂a_1}=\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}(y_i-a_0-a_1{x}_i)x_i=0---\left(3\right)$

解方程组，求出a₀和a₁，就可构造出满足平方逼近条件的逼近函数。

f(x)＝a₀+a₁x (4)

如图8所示本发明实施例拟合得到的离峰偏离主峰间距随折射率变化的曲线。

对待测溶液折射率进行测量：

将光纤传感器折射率测量系统置于待测折射率的溶液中，记录时刻t采集到的离峰偏离主峰的间距s，将离峰偏离主峰的间距s与标定的光纤传感器应变测量系统离峰偏离主峰的间距随折射率变化的关系曲线比对，得到待测折射率溶液折射率的大小。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (9)

1.一种基于超声脉冲诱发光栅变形的用于测量折射率的方法，其特征在于，所述测量折射率的方法包括如下步骤：

a)搭接光纤传感器折射率测量系统，所述系统包括泵浦源、第一光纤、一支波分复用器、一段带有连续均匀光栅的光纤、超声波发生器和解调仪，所述的带有连续均匀光栅的光纤一端为球状末端，所述超声波发生器设有发射探头，所述发射探头与所述球状末端固定，所述解调仪与所述带有连续均匀光栅的光纤另一端连接；所述的带有连续均匀光栅的光纤具有多段光栅，每段光栅栅格均匀分布，所述光栅之间间隔相同；

b)将所述光纤传感器折射率测量系统置于待测折射率的溶液中，记录所述解调仪采集到的离峰偏离主峰的间距；

c)将步骤b)中所述的离峰偏离主峰的间距与离峰偏离主峰的间距随折射率变化的关系曲线比对，得到待测折射率溶液的折射率大小。

2.根据权利要求1所述的测量折射率的方法，其特征在于，所述步骤c)中离峰偏离主峰的间距随折射率变化的关系曲线通过标定得到，所述标定包括以下步骤：

(1)将所述带有连续均匀光栅的光纤置于可控折射率的溶液环境中；

(2)所述泵浦源发射光波进入所述第一光纤，所述超声波发生器发射超声波进入所述带有连续均匀光栅的光纤；

(3)记录解调仪时刻t采集到的离峰偏离主峰的间距；

(4)逐渐增加溶液的折射率的应变，重复所述步骤(2)至步骤(3)的过程，记录解调仪与所述步骤(3)中相同的时刻t采集到的不同折射率引起的离峰偏离主峰的间距；

(5)拟合离峰偏离主峰的间距随折射率变化的关系曲线。

3.根据权利要求1所述的测量折射率的方法，其特正在于，所述球状末端是光纤末端烧结而成的小球，所述小球与所述发射探头之间通过硅胶固定。

4.根据权利要求3所述的测量折射率的方法，其特征在于，所述小球与所述发射探头之间涂有导声糊，所述导声糊为光声匹配材料，用于耦合声波进入光纤。

5.根据权利要求2所述的测量折射率的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的超声波以纵波形式传播，所述超声波的波长大于所述光栅的栅格长度。

6.根据权利要求2或5所述的测量折射率的方法，其特征在于，所述超声波波长为1cm-2cm。

7.根据权利要求2所述的测量折射率的方法，其特征在于，所述步骤(4)中增加折射率的方法为增加溶液元素离子半径、增加或降低溶液的浓度。

8.根据权利要求2所述的测量折射率的方法，其特征在于，所述的离峰偏离主峰的间距随折射率变化的关系曲线通过线性拟合或者最小二乘法进行拟合。

9.一种权利要求1所述测量折射率方法的光纤传感器测量系统，其特征在于，所述测量系统包括泵浦源、第一光纤、一支波分复用器、一段带有连续均匀光栅的光纤、超声波发生器和解调仪；

所述的带有连续均匀光栅的光纤一端为球状末端；

所述超声波发生器设有发射探头，所述发射探头与所述球状末端固定，所述解调仪与所述带有连续均匀光栅的光纤另一端连接，所述的带有连续均匀光栅的光纤具有多段光栅，每段光栅栅格均匀分布，所述光栅之间间隔相同。