CN106556574B - 在线双光束干涉型光纤折射率传感器及折射率检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于传感技术领域，提供了一种在线双光束干涉型光纤折射率传感器，包括第一单模光纤、第一长周期光纤光栅、传感单模光纤、第二长周期光纤光栅、参考单模光纤、多模光纤及第二单模光纤，激光自第一单模光纤输入，经第一长周期光纤光栅耦合到传感单模光纤中，以纤芯模和包层模形式传播，于第二长周期光纤光栅处发生模式转换，传感单模光纤中的纤芯模和包层模分别耦合到参考单模光纤的包层和纤芯，参考单模光纤输出的光于多模光纤中合光干涉由第二单模光纤输出，通过波长解调获得折射率变化。本发明由于参考单模光纤的光程补偿提高了检测灵敏度。传感单模光纤和参考单模光纤的温度补偿效应消除了温度干扰。通过激光波长解调提高了检测精度。

Description

在线双光束干涉型光纤折射率传感器及折射率检测装置
技术领域
本发明属于光学传感技术领域，特别涉及一种在线双光束干涉型光纤折射率传感器及包括该传感器的折射率检测装置。
背景技术
在线双光束干涉型光纤折射率传感器，是一种结构紧凑型的干涉型传感器，它通过纤芯模与包层模干涉产生干涉条纹，利用外界折射率的变化对包层模有效折射率进行调制，最终通过条纹的移动对外界折射率进行解调，可用于生物、医学等领域。现有在线双光束干涉型光纤折射率传感器是直接通过对干涉条纹进行解调来检测，由于双光束干涉条纹为三角函数型，峰值较宽，同时条纹解调时还存在温漂等干扰，因此解调精度低。另外，外界折射率对包层模式有效折射率调制量小，所以灵敏度较低。因此，需要对传统折射率传感器进行结构上的改进，以提高灵敏度、降低温度和应变干扰。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在线双光束干涉型光纤折射率传感器，旨在提高灵敏度和精度，并降低温度和应变干扰。
本发明是这样实现的，一种在线双光束干涉型光纤折射率传感器，包括沿着激光传输方向依次连接的第一单模光纤、第一长周期光纤光栅、传感单模光纤、第二长周期光纤光栅、参考单模光纤、多模光纤及第二单模光纤，在进行折射率检测时，所述传感单模光纤处于待检测物质中；激光自所述第一单模光纤输入，通过所述第一长周期光纤光栅耦合到所述传感单模光纤的纤芯和包层中，分别以纤芯模和包层模的模式传播，并于所述第二长周期光纤光栅处发生模式转换，将所述传感单模光纤中的纤芯模耦合到所述参考单模光纤的包层中并继续传播，将所述传感单模光纤中的包层模耦合到所述参考单模光纤的纤芯中并继续传播，所述参考单模光纤的包层和纤芯输出的光于所述多模光纤中合光干涉，并通过所述第二单模光纤输出，用以进行激光波长解调，获得待检测物质折射率变化。
本发明的另一目的在于提供一种折射率检测装置，包括沿着光传输方向依次设置的光纤放大器、光纤隔离器、光纤耦合器、带通型光纤滤波器以及上述的在线双光束干涉型光纤折射率传感器，在所述光纤耦合器的输出端还连接有光谱检测仪，所述光纤放大器、光纤隔离器、光纤耦合器、带通型光纤滤波器以及在线双光束干涉型光纤折射率传感器组成激光谐振腔。
本发明提供的在线双光束干涉型光纤折射率传感器与传统在线双光束干涉型光纤折射率传感器相比，具有以下优点：
第一，参考单模光纤的光程补偿使自由光谱范围大大增大，干涉条纹漂移量增大，检测灵敏度增高。
第二，传感单模光纤和参考单模光纤中的包层模和纤芯模进行切换，二者的配合具有温度补偿效应，传感单模光纤和参考单模光纤的温度扰动对光程差的调制量近似抵消，可大幅消除温度、应变的干扰，而第一、第二长周期光纤光栅的温度、应变形成的漂移对干涉条纹影响可以忽略。
第三，该传感器采用激光波长解调方式，使干涉峰值大大锐化，解调精度大大提高，进而提高了折射率变化的检测精度。
采用上述在线双光束干涉型光纤折射率传感器的折射率检测装置，大幅提高了检测灵敏度，并且有效消除了温度、应变等干扰，提高了该检测装置的可靠性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的在线双光束干涉型光纤折射率传感器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的折射率检测装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：
请参考图1，本发明实施例提供一种在线双光束干涉型光纤折射率传感器，包括沿着激光传输方向依次连接的第一单模光纤1、第一长周期光纤光栅2、传感单模光纤3、第二长周期光纤光栅4、参考单模光纤5、多模光纤6及第二单模光纤7，所有光纤以熔接方式依次对接。本实施例中，第一长周期光纤光栅2能使满足衍射条件的波长的光分为两路，一路沿着传感单模光纤的包层，一路沿着传感单模光纤的纤芯，第二长周期光纤光栅4能使满足衍射条件的波长的光进行模式转换。对于在传感单模光纤3的纤芯传播的光，可耦合进参考单模光纤5的包层以包层模形式传播，对于传感单模光纤3的包层中传播的光，可耦合进参考单模光纤5的纤芯以纤芯基模形式传播。最终形成两个传播路径，即：路径1—“纤芯模-包层模”和路径2—“包层模-纤芯模”。在进行折射率检测时，传感单模光纤3处于待检测环境中，其他部件不接触待检物质。激光自第一单模光纤1输入，通过第一长周期光纤光栅2耦合到传感单模光纤3的纤芯和包层中，分别以纤芯模和包层模的模式传播，并于第二长周期光纤光栅4处发生模式转换，将传感单模光纤3中的纤芯模耦合到参考单模光纤5的包层中，转换为包层模继续传播，将传感单模光纤3中的包层模耦合到参考单模光纤5的纤芯中，转换为纤芯模继续传播，两个路径的激光经参考单模光纤5输出后，进入多模光纤6进行合光干涉，并由多模光纤6耦合进第二单模光纤7中，干涉光谱由相应的光谱检测仪检测，通过对该光谱进行波长解调，可以获得传感单模光纤3的包层折射率变化，进而获得检测物质的折射率变化。
在本实施例中，经过第二长周期光纤光栅4的切换作用，实现了传感单模光纤3和参考单模光纤5之间的“包层模—纤芯模”以及“纤芯模—包层模”的转换。这两个路径的光束存在光程差，最终干涉形成干涉条纹，条纹的峰值与两束光的光程差相关。当传感单模光纤3置于待测物质环境中，当待测物质折射率改变时，传感单模光纤3的包层的有效折射率发生改变，两束光的光程差发生改变，进而透射峰发生漂移，通过光谱检测仪检测透射峰激光波长的改变可以解调出待测物质折射率的变化。
进一步地，将传感单模光纤3的纤芯模及基模的有效折射率记为ncore，包层模具有多个级次成分，然而能量基本集中在低阶模上，可忽略高阶成分，其有效折射率记为nclad。记参考单模光纤5的纤芯模和包层模的有效折射率分别为n'core和n'clad。由于纤芯模有效折射率与外界折射率无关，故n'core＝ncore。假设传感单模光纤3与参考单模光纤5的长度分别为l和l'。那么最终产生的干涉光谱条纹的强度以及相位差为：
其中，第m级次干涉峰与折射率之间的关系为：
当传感单模光纤3的外界折射率发生改变时，包层模折射率nclad会发生改变，干涉峰发生漂移，其灵敏度为：
从式中可看出，(n'clad-ncore)l'/l项的存在使折射率传感灵敏度大大提高。
本发明实施例提供的在线双光束干涉型光纤折射率传感器与传统在线双光束干涉型光纤折射率传感器相比，具有以下优点：
第一，参考单模光纤5的光程补偿使自由光谱范围大大增大，干涉条纹漂移量增大，检测灵敏度增高。
第二，传感单模光纤3和参考单模光纤5中的包层模和纤芯模进行切换，二者的配合具有温度补偿效应，传感单模光纤3和参考单模光纤5的温度扰动对光程差的调制量近似抵消，可大幅消除温度、应变的干扰，而第一长周期光纤光栅2和第二长周期光纤光栅4的温度、应变形成的漂移对干涉条纹影响可以忽略。
第三，该传感器采用激光波长解调方式，使干涉峰值大大锐化，解调精度大大提高，进而提高了折射率变化的检测精度。
在本发明实施例中，要将第一长周期光纤光栅2、传感单模光纤3、第二长周期光纤光栅4、参考单模光纤5及多模光纤6的包层外的涂覆层去掉，以免包层中的光进入涂覆层增加损耗。
进一步地，第一单模光纤1、第一长周期光纤光栅2、传感单模光纤3、第二长周期光纤光栅4、参考单模光纤5、多模光纤6及第二单模光纤7需保持拉直状态，以防止多模干涉的干扰，保证较高的条纹对比度。
进一步地，在进行折射率测量时，需要避免第一长周期光纤光栅2、第二长周期光纤光栅4、参考单模光纤5的包层接触到待测物质，以避免灵敏度降低。
在本实施例中，第一长周期光纤光栅2的损耗峰深度大于3dB且小于6dB，使激光耦合进入纤芯和包层的光能量接近第二长周期光纤光栅4的损耗峰深度为20dB以上，使传感单模光纤3和参考单模光纤5之间的转换率尽量高，减少包层模—包层模和纤芯模—纤芯模的转换，提高条纹对比度。
在本发明实施例中，传感单模光纤3和参考单模光纤5的包层和纤芯对光的损耗不同，对温度、应变干扰的受影响程度也不同，因此二者的长度接近，有利于抵消温度干扰。同时，该长度差还会影响检测灵敏度，长度差越小，越有利于提高灵敏度，在本实施例中，该长度差的选择原则是使干涉条纹的自由光谱范围等于第一长周期光纤光栅第一阶损耗峰的带宽，以实现最优的动态范围和灵敏度。
本发明进一步提供一种折射率检测装置，如图2，包括沿着光传输方向依次设置的光纤放大器01、光纤隔离器02、光纤耦合器03、带通型光纤滤波器04以及上述的在线双光束干涉型光纤折射率传感器05，在光纤耦合器03的输出端还连接有光谱检测仪06。优选地，在激光谐振腔内还设有光纤偏振控制器07。其中，光纤放大器01、光纤偏振控制器07、光纤隔离器02、光纤耦合器03、带通型光纤滤波器04以及在线双光束干涉型光纤折射率传感器05通过单模光纤首尾熔接组成光纤激光谐振腔。光纤放大器01可以自发产生荧光，并为激光谐振腔提供足够增益，该增益大于整个激光谐振腔的损耗。
在本实施例中，当光纤放大器01工作时，会产生自发辐射光在腔内传播，在光纤放大器01的放大作用下，产生激振，光纤偏振控制器07控制激光腔的偏振态以实现稳定的激光输出，由于带通型光纤滤波器04和在线双光束干涉型光纤折射率传感器05的滤波作用，会使透射率最大即损耗最小的波长实现激射，在光纤耦合器03输出端稳定地输出单波长激光。当在线双光束干涉型光纤折射率传感器05的峰值波长随着外界折射率的变化而发生漂移时，光纤激光波长也会相应发生改变。最终通过光谱检测仪06对激光波长进行解调，即可测量出折射率的变化。
相应的，光纤隔离器02工作波段与带通型光纤滤波器04的透射波段相同，以保证光能够沿着单向传播，光纤隔离器02与光纤耦合器03的出光方向保持一致。带通型光纤滤波器04限制激光工作波长，在线双光束干涉型光纤折射率传感器05对激光进行二次滤波。
进一步地，带通型光纤滤波器04的中心波长及带宽与第一长周期光纤光栅2及第二长周期光纤光栅4的第一阶损耗峰的中心波长及带宽保持一致，以使传感单模光纤3的包层中只有一个低阶模式传播，使激光器稳定工作。
本发明实施例将上述的在线双光束干涉型光纤折射率传感器05融合于激光腔中，采用激光波长解调方式，使干涉峰值大大锐化，解调精度大大提高，进而提高了折射率变化的检测精度。另外，采用上述在线双光束干涉型光纤折射率传感器05，大幅提高了检测灵敏度，并且有效消除了温度、应变等干扰，提高了该检测装置的可靠性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种在线双光束干涉型光纤折射率传感器，其特征在于，包括沿着激光传输方向依次连接的第一单模光纤、第一长周期光纤光栅、传感单模光纤、第二长周期光纤光栅、参考单模光纤、多模光纤及第二单模光纤，在进行折射率检测时，所述传感单模光纤处于待检测物质中；激光自所述第一单模光纤输入，通过所述第一长周期光纤光栅耦合到所述传感单模光纤的纤芯和包层中，分别以纤芯模和包层模的模式传播，并于所述第二长周期光纤光栅处发生模式转换，将所述传感单模光纤中的纤芯模耦合到所述参考单模光纤的包层中并继续传播，将所述传感单模光纤中的包层模耦合到所述参考单模光纤的纤芯中并继续传播，所述参考单模光纤的包层和纤芯输出的光于所述多模光纤中合光干涉，并通过所述第二单模光纤输出，用以进行激光波长解调，获得待检测物质折射率变化。
2.如权利要求1所述的在线双光束干涉型光纤折射率传感器，其特征在于，所述第一长周期光纤光栅、传感单模光纤、第二长周期光纤光栅、参考单模光纤及多模光纤的包层外不设有涂覆层。
3.如权利要求1所述的在线双光束干涉型光纤折射率传感器，其特征在于，所述第一单模光纤、第一长周期光纤光栅、传感单模光纤、第二长周期光纤光栅、参考单模光纤、多模光纤及第二单模光纤保持拉直状态。
4.如权利要求1所述的在线双光束干涉型光纤折射率传感器，其特征在于，所述第一长周期光纤光栅的损耗峰深度大于3dB且小于6dB，所述第二长周期光纤光栅的损耗峰深度为20dB以上。
5.如权利要求1所述的在线双光束干涉型光纤折射率传感器，其特征在于，所述传感单模光纤和参考单模光纤的长度差的选取原则为使干涉条纹的自由光谱范围等于所述第一长周期光纤光栅第一阶损耗峰的带宽。
6.如权利要求1所述的在线双光束干涉型光纤折射率传感器，其特征在于，所述第一单模光纤、第一长周期光纤光栅、传感单模光纤、第二长周期光纤光栅、参考单模光纤、多模光纤及第二单模光纤以熔接方式依次对接。
7.一种折射率检测装置，其特征在于，包括沿着光传输方向依次设置的光纤放大器、光纤隔离器、光纤耦合器、带通型光纤滤波器以及权利要求1至6任一项所述的在线双光束干涉型光纤折射率传感器，在所述光纤耦合器的输出端还连接有光谱检测仪，所述光纤放大器、光纤隔离器、光纤耦合器、带通型光纤滤波器以及在线双光束干涉型光纤折射率传感器组成激光谐振腔。
8.如权利要求7所述的折射率检测装置，其特征在于，所述光纤放大器采用自发产生荧光并为激光谐振腔提供足够增益的光纤放大器。
9.如权利要求7所述的折射率检测装置，其特征在于，在所述激光谐振腔内还设有光纤偏振控制器。
10.如权利要求7所述的折射率检测装置，其特征在于，所述带通型光纤滤波器的中心波长及带宽与第一长周期光纤光栅及第二长周期光纤光栅的第一阶损耗峰的中心波长及带宽保持一致。
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