CN107044969B - 差分强度调制测量液体折射率的光纤传感装置及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开差分强度调制测量液体折射率的光纤传感装置及测量方法，所述光纤传感装置包括宽带光源、传感模块和基于波分复用器(WDM)的解调模块，其中传感模块包括光纤环行器和光纤传感器。所述光纤传感器由依次连接的单模光纤一(SMF1)、无芯光纤(NCF)、单模光纤二(SMF2)，光纤布拉格光栅一(FBG1)和光纤布拉格光栅二(FBG2)组成。所述光纤传感装置包括透射式和反射式。SMF1‑NCF‑SMF2(SNS)构成带通三角滤波器，FBG1、FBG2中心波长分别在滤波器透射谱的左、右线性边沿。外界折射率变化使滤波器谱形漂移，而FBG1、FBG2反射谱不变，因此外界折射率变化被调制为FBG1与FBG2反射光强度差的变化。本发明无需波长解调仪，可大幅度降低成本，抑制输入光波动和温度变化对测量结果的影响，适合实际应用。

Description

差分强度调制测量液体折射率的光纤传感装置及测量方法
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，涉及一种光纤折射率传感装置，尤其涉及一种可以温度自补偿的差分强度调制的光纤折射率传感装置及其测量方法。
背景技术
光纤传感器因为其结构简单、灵敏度高、抗电磁干扰、易于远程监控、便于复用组网等优势而被广泛应用。光纤折射率传感器主要分为光纤光栅型、光纤马赫-曾德尔干涉型、光纤法布里-珀罗干涉型、光纤萨格纳克干涉型、光纤迈克尔逊干涉型、多模干涉型、光纤锥型折射率传感器，可以应用于石油化工、医疗卫生等领域。多模干涉型折射率传感器因灵敏度高、制作简单，成本低廉等特点在近几年受到学者的广泛关注。
2007年，李恩邦研究了单模光纤(SMF)-无芯光纤(NCF)-SMF(SNS)结构级联光纤布拉格光栅(FBG)的透射式和反射式波长调制型光纤传感装置，实现温度与折射率同时测量，其中反射式传感装置将FBG与在NCF末端镀有反射膜的SMF-NCF结构熔接而成(李恩邦，同时测量液体温度和折射率的光纤传感装置，CN 1963400A，2007)。2012年，薛林林等研究了一种测量高折射率的SMF-多模光纤(MMF)-SMF(SMS)结构的光纤折射率传感器，将两段单模通信光纤和一段去除涂覆层与包层且长度特定的MMF进行无偏心熔接，通过测量透射谱的输出功率损耗确定外界溶液的折射率(薛林林、杨利、钱景仁，一种基于光纤的折射率传感器及测量方法，CN 102507497A，2012)。2015年，刘铁根等研究了基于SNS结构的波长调制型传感器，通过监测SNS结构透射谱中两个波谷的波长漂移量来实现温度与折射率的同时测量(刘铁根、陈耀飞、韩群、刘芳超、姚蕴秩，光纤传感器及制作方法、液体温度和折射率同时测量方法，CN 104713660A，2015)。
当前报道的多模干涉型折射率传感器主要使用多模光纤或无芯光纤，多模光纤需将其包层进行腐蚀才能对外界折射率敏感，其工艺复杂且缺乏良好的重复性，因此目前更倾向于选用直接将外界溶液作为包层的无芯光纤作为多模干涉型折射率传感器的光学器件。另外，目前多模干涉型传感器的折射率测量主要通过波长调制或绝对强度调制。其中波长调制型传感器需要使用造价高昂的波长解调系统；绝对强度调制型传感器存在光源波动、光源老化与光路传输损耗变化对测量准确性产生影响，这些都限制了波长调制型和绝对强度调制型传感器的实际应用。能够抑制传感器输入光强度变化对输出影响的相对强度调制型折射率传感器必将拓宽其应用前景，因此开发了一种差分强度调制测量液体折射率的光纤传感装置。
发明内容
本发明的目的是克服现有的基于多模干涉测量折射率的测量方案和装置中所存在的不足，提供一种差分强度调制测量液体折射率的光纤传感装置及测量方法。
本发明技术方案如下：
本发明提供一种差分强度调制测量液体折射率的光纤传感装置，该光纤传感装置为透射式光纤传感装置或反射式光纤传感装置，光纤传感装置包括宽带光源、传感模块和基于波分复用器(WDM)的解调模块，所述传感模块包括光纤环行器和光纤传感器；
所述光纤传感器由依次连接的单模光纤一(SMF1)、无芯光纤(NCF)、单模光纤二(SMF2)，光纤布拉格光栅一(FBG1)和光纤布拉格光栅二(FBG2)组成；所述透射式光纤传感装置中宽带光源的输出端依次连接单模光纤一(SMF1)、无芯光纤(NCF)、单模光纤二(SMF2)、光纤环行器1端口，从光纤环行器1端口输出的光进入光纤环行器2端口，光纤环行器2端口依次连接光纤布拉格光栅一(FBG1)、光纤布拉格光栅二(FBG2)，光信号经光纤布拉格光栅一(FBG1)、光纤布拉格光栅二(FBG2)反射后进入光纤环行器2端口，然后经过光纤环行器3端口输出，光纤环行器3端口连接基于波分复用器(WDM)的解调模块；所述反射式光纤传感装置中宽带光源的输出端连接光纤环行器1端口，光信号经光纤环行器2端口输出，光信号依次经过单模光纤一(SMF1)、无芯光纤(NCF)、单模光纤二(SMF2)、光纤布拉格光栅一(FBG1)、光纤布拉格光栅二(FBG2)，从光纤布拉格光栅一(FBG1)和光纤布拉格光栅二(FBG2)反射的光依次经过单模光纤二(SMF2)、无芯光纤(NCF)、单模光纤一(SMF1)后进入光纤环行器2端口，然后经过光纤环行器3端口输出，光纤环行器3端口连接基于波分复用器(WDM)的解调模块；所述无芯光纤(NCF)的长度选择符合沿着无芯光纤(NCF)形成的多模干涉自映像周期数为4的整数倍所对应的长度，所述单模光纤一-无芯光纤-单模光纤二(SNS)结构的透射谱为近似对称的三角形，所述光纤布拉格光栅一(FBG1)和光纤布拉格光栅二(FBG2)的中心波长选择分别在由单模光纤一(SMF1)、无芯光纤(NCF)、单模光纤二(SMF2)组成的SNS三角滤波器的左、右边沿的线性区域中。
所述基于波分复用器(WDM)的解调模块中，传输至解调模块的信号输入WDM的1端口(公共端)，WDM的2端口(透射端)滤出中心波长较低的光纤布拉格光栅一(FBG1)的反射光，WDM的3端口(反射端)滤出中心波长较高的光纤布拉格光栅二(FBG2)的反射光，上述WDM的2端口和3端口分别连接光探测器一和光探测器二，光探测器一和光探测器二将携带折射率信息的光强信号转换为电压信号后交由信号处理与控制单元处理。
本发明提供一种基于差分强度调制测量液体折射率的多点光纤传感装置，多点光纤传感装置为多点透射式光纤传感装置或多点反射式光纤传感装置；所述多点透射式光纤传感装置中，宽带光源的输出端连接光开关1公共端，信号处理与控制单元控制光开关1、2、3的选择，将光开关1、2、3的通道n端口分别连接第n个透射式传感器的1、2、3端口，即：光开关1的通道n端口依次连接第n个传感器的1端口、单模光纤一(SMF1)、无芯光纤(NCF)、单模光纤二(SMF2)、第n个传感器2端口，光开关2的n端口、光开关2公共端、光纤环行器1端口，光纤环行器2端口依次连接光开关3公共端、光开关3的通道n端口、第n个传感器的3端口、光纤布拉格光栅一(FBG1)、光纤布拉格光栅二(FBG2)，光信号经光纤布拉格光栅一(FBG1)、光纤布拉格光栅二(FBG2)反射后再进入光纤环行器2端口，然后经过光纤环行器3端口输出，光纤环行器3端口连接波分复用器(WDM)1端口(公共端)，WDN的2端口(透射端)和3端口(反射端)分别连接光探测器一和光探测器二，光探测器一和光探测器二所输出的信号由信号处理与控制单元采集并处理。
所述多点反射式光纤传感装置中，宽带光源的输出端连接光纤环行器1端口，光信号经光纤环行器2端口输出，光纤环行器2端口连接光开关公共端，信号处理与控制单元控制光开关的通道选择，将光开关的通道n端口连接反射式传感器n的1端口，反射式传感器n的2和3端口连接，即：光开关的通道n端口依次连接反射式传感器n的1端口、单模光纤一(SMF1)、无芯光纤(NCF)、单模光纤二(SMF2)、光纤布拉格光栅一(FBG1)、光纤布拉格光栅二(FBG2)，光信号经光纤布拉格光栅一(FBG1)、光纤布拉格光栅二(FBG2)反射后再次进入单模光纤二(SMF2)、无芯光纤(NCF)、单模光纤一(SMF1)，经光开关后，进入光纤环行器2端口，然后经过光纤环行器3端口输出，光纤环行器3端口连接波分复用器(WDM)1端口(公共端)，WDN的2端口(透射端)和3端口(反射端)分别连接光探测器一和光探测器二，光探测器一和光探测器二所输出的信号由信号处理与控制单元采集并处理。
本发明提供一种基于差分强度调制测量液体折射率的光纤传感装置的差分强度调制方法，当外界折射率变化时，无芯光纤(NCF)的有效折射率发生变化，SNS结构三角形透射谱发生波长漂移，而光纤布拉格光栅一(FBG1)和光纤布拉格光栅二(FBG2)的反射谱不随外界折射率的改变而发生变化，从而光纤布拉格光栅一(FBG1)和光纤布拉格光栅二(FBG2)的反射光强度改变，因光纤布拉格光栅一(FBG1)和光纤布拉格光栅二(FBG2)的中心波长分别在SNS三角滤波器的左、右边沿的线性区域中，最终导致光纤布拉格光栅一(FBG1)与光纤布拉格光栅二(FBG2)各自反射光强度的差值显著改变；所述透射式光纤传感模块输出光中，光纤布拉格光栅一(FBG1)与光纤布拉格光栅二(FBG2)各自反射光强度的差值为：
ΔI＝I1-I2＝∫S(λ)T1(λ-Δλ)δ(λ-λ1)dλ-∫S(λ)T2(λ-Δλ)δ(λ-λ2)dλ
＝S(λ1)T1(λ1-Δλ)-S(λ2)T2(λ2-Δλ)
所述反射式光纤传感结构输出光中，FBG1与FBG2各自反射光强度的差值为：
ΔI＝I1-I2＝∫S(λ)T1 2(λ-Δλ)δ(λ-λ1)dλ-∫S(λ)T2 2(λ-Δλ)δ(λ-λ2)dλ
＝S(λ1)T1 2(λ1-Δλ)-S(λ2)T2 2(λ2-Δλ)
式中，ΔI为差分强度，I1、I2分别为FBG1、FBG2反射光的强度，S(λ)为光源输出的功率谱密度函数，T1(λ)、T2(λ)分别为FBG1和FBG2所对应的SNS滤波器线性边沿的谱函数，δ(λ)为光纤光栅的反射谱函数(由于FBG1和FBG2的带宽远小于SNS透射谱带宽，FBG1和FBG2的反射谱函数近似为冲击函数)，λ1、λ2分别为FBG1、FBG2的中心波长，Δλ为因外界折射率改变而引起的SNS滤波器透射谱的波长漂移量，因此，外界折射率变化被调制为FBG1和FBG2反射光强度差的变化。
本发明具有如下有益效果：
1.相对绝对强度调制，差分强度调制可以提高折射率测量的灵敏度。当外界折射率变化时，SNS结构的谱形将发生平移，而FBG的反射谱不随外界折射率发生变化，从而导致两FBG反射光的强度发生变化。由于两FBG中心波长分别位于SNS透射谱的左右线性边沿，因此会造成一个FBG反射光强降低，而另一个FBG反射光强升高。通过WDM分别滤出两FBG的反射光，并计算两者差值。所得到的强度差相比单一FBG的反射光强度具有更高的折射率灵敏度。
2.相比单一SNS结构，可进行温度自补偿，具有极低的温度交叉灵敏度。SNS结构的透射与FBG的反射谱均在温度变化时发生平移，且温度灵敏度相近。当温度变化后，SNS结构透射谱与两FBG反射谱相对位置变化很小，两FBG反射光强度几乎无变化，因此该结构具有较低的温度交叉灵敏度，可提高折射率测量的准确性。
3.相比绝对强度调制，可抑制传感器输入光强波动对测量结果的影响，提高测量的准确性。传感器输入光强度的波动(包括光源波动和传输光纤弯曲引起的波动)对绝对强度调制型光纤传感器的准确性造成很大的影响。由于传感器输入光强度的波动对本发明结构中两FBG反射光的强度变化影响为同向(即变化趋势相同)，因此输入光波动对两FBG反射光差分强度的影响远小于对单一FBG反射光强度的影响。
4.相比波长调制型SNS结构传感器，避免使用昂贵的波长解调设备，降低了装置的成本。
5.传感器制作采用自动熔接模式，无需对光纤进行特殊处理(如腐蚀)，具有较好的制作重复性，便于量产和标准化。
附图说明
图1是差分强度调制测量液体折射率的光纤传感装置组成框图；
图2是透射式光纤传感装置示意图；
图3是反射式光纤传感装置示意图；
图4是透射式传感器结构示意图；
图5是反射式传感器结构示意图；
图6是差分强度调制原理示意图；
图7是基于波分复用器(WDM)的解调模块示意图；
图8是多点反射式光纤传感装置；
图9是多点透射式光纤传感装置；
图10是实测反射式传感结构差分强度与折射率的关系；
图11是实测反射式折射率传感器的抗输入光波动干扰的效果；
图12是实测反射式传感结构中温度对差分强度的影响；
图13是实测透射式传感结构差分强度与折射率的关系；
图14是实测透射式折射率传感器的抗输入光波动干扰的效果；
图15是实测透射式传感结构中温度对差分强度的影响。
图6中：
WL1、WL2分别为SNS结构带通三角滤波器左侧线性区的开始、结束的波长，WR1、WR2分别为SNS结构带通三角滤波器右侧线性区的开始、结束的波长，T1(λ)、T2(λ)分别为FBG1和FBG2所对应的SNS滤波器线性边沿的谱函数，λ1、λ2分别为FBG1、FBG2的中心波长，Δλ为因外界折射率改变而引起的滤波器波长漂移量，I1、I2分别为FBG1、FBG2在中心波长处的反射光强度。
具体实施方式
在下文中，将结合附图阐述本发明的具体实施方式。但本发明的实施和保护范围不限于此，对本发明作实质性相同的等同替换均属于本发明的保护范围。
本发明的一种差分强度调制测量液体折射率的光纤传感装置，其组成框图如图1所示。宽带光源输出的光经过传感装置转换成光纤布拉格光栅一(FBG1)和光纤布拉格光栅二(FBG2)的反射光，进入基于波分复用器(WDM)的解调模块进行信号处理，最终实现对外界溶液的折射率测量。
本发明的一种差分强度调制测量液体折射率的透射式光纤传感装置，其示意图如图2所示。将宽带光源输出的光经过SNS结构的带通三角波形滤波器(见图6)后连接光纤环行器的1端口，从光纤环行器2端口输出后经两个合适波长的FBG1和FBG2反射后，再经光纤环行器2端口输入，从光纤环行器3端口输出连接基于WDM的解调模块(见图7)，WDM的2端口(透射端)滤出FBG1所在波段的光信号，WDM的3端口(反射端)滤出FBG2所在波段的光信号，两个携带FBG1和FBG2强度信息的光分别经过光探测器一和光探测器二，转换后的电信号由信号处理与控制单元进行数据采集与处理，最终实现外界折射率的实时测量。如图4是透射式传感器，在此结构中，无芯光纤两端分别熔接单模光纤一(SMF1)和单模光纤二(SMF2)，光纤环行器的1端口连接FBG2，光纤环形器的2端口连接FBG1和FBG2，经过FBG1和FBG2反射后的光沿反方向传播至光纤环行器的2端口，光纤环行器的3端口连接基于WDM的解调模块。
下面具体描述单模光纤-无芯光纤-单模光纤(SNS)结构透射谱呈带通三角波形的原理：
光在SNS结构中传播时，会发生多模干涉现象，而多模干涉中存在自映像效应。所谓自映像效应是指入射光场在传播方向上呈周期性再现的现象。在SNS结构中，当光从单模光纤一(SMF1)传入到无芯光纤(NCF)时，由于模场不匹配，在NCF的输入端会激发出一系列的高阶模式，各高阶模式在NCF的传输过程中，因不同的导模纵向传播常数β不同，到达无芯光纤与单模光纤二(SMF2)熔接处时会存在光程差，各高阶模式相互干涉叠加，造成能量的重新分布，从而形成多模干涉。当各模式光在NCF传输过程中的相位差为2π的整数倍时，会形成能量的聚集，类似于是输入光在这个位置处重新聚焦再现。当无芯光纤的长度确定，且光场聚焦点的位置恰好在无芯光纤(NCF)的输出端处，则该波长的光能以较小的损耗耦合到单模光纤二(SMF2)中，形成干涉峰。
当SNS结构中无芯光纤(NCF)的长度和直径一定时，SNS结构透射谱的干涉峰的波长为：
式中，p是沿着无芯光纤形成的自映像周期数，nNCF是SNS结构中NCF的有效折射率，DNCF是NCF的直径，LN是NCF的长度。当p为4倍自映像周期的整数倍时，光谱带宽最窄，峰值插入损耗最小，并且可以呈现近似于对称三角形状的透射光谱。在空气中，一旦确定了SNS结构的自由中心波长，NCF的折射率和直径，NCF的长度就被唯一限定。当外界的溶液折射率发生变化时，会引起NCF的有效折射率发生改变从而导致干涉峰的漂移。
本发明的一种差分强度调制测量液体折射率的反射式光纤传感装置，其示意图如图3所示。宽带光源输出的光经过光纤环行器1端口，从光纤环行器2端口输出连接SNS结构的带通三角滤波器，经FBG1、FBG2反射后再通过SNS结构滤波，经SNS结构的带通三角滤波器两次滤波后的光从光纤环行器2端口输入，光纤环行器3端口输出，通过基于WDM的解调模块(见图7)，WDM的2端口(透射端)滤出FBG1所在波段的光信号，WDM的3端口(反射端)滤出FBG2所在波段的光信号，两个携带FBG1和FBG2强度信息的光分别经过光探测器一和光探测器二，转换后的电信号由信号处理单元进行数据采集与处理，最终实现外界折射率的实时测量。如图5是反射式传感器，在此结构中，无芯光纤(NCF)左右分别熔接单模光纤一(SMF1)和单模光纤二(SMF2)，光在无芯光纤(NCF)中发生多模干涉，SNS结构作为带通三角滤波器对光信号进行滤波，单模光纤二(SMF2)与FBG1-FBG2级联光栅熔接，经过FBG1、FBG2反射后，又通过SNS结构滤波器进行二次滤波，得到的信号传输至光纤环行器2端口。
本发明的一种差分强度调制测量液体折射率的差分强度调制方法，其原理示意图如图6所示。特定长度的SNS光纤结构的透射谱呈近似对称三角形，构成带通三角波形光滤波器。以蒸馏水中的SNS透射谱为初始状态，其左边沿线性区域为WL1～WL2，右边沿线性区域为WR1～WR2，且左右边沿线性区的斜率符号相反，数值相近。当外界折射率增加时，SNS滤波器的透射谱会向长波方向发生漂移，波长漂移量为Δλ，则左线性区域变为(WL1+Δλ)～(WL2+Δλ)，右线性区域变为(WR1+Δλ)～(WR2+Δλ)。为保证折射率测量范围内，两FBG中心波长始终位于SNS结构透射谱相应边沿的线性区域中，FBG1与FBG2的中心波长的取值范围分别为(WL1+Δλ)～WL2和(WL1+Δλ)～WR2。由于SNS的透射谱随外界折射率的变化发生偏移，而FBG的反射谱不受外界折射率变化的影响，因此，外界折射率的变化将导致两FBG反射光强度的变化，即FBG1和FBG2反射的光的强度携带有外界的折射率信息。由于两FBG中心波长分别位于SNS结构透射谱两个线性边沿，因此会造成一个FBG反射光强降低，而另一个FBG反射光强升高。通过WDM的2端口(透射端)和3端口(反射端)分别滤出FBG1、FBG2的反射光，并求两者差值(差分)。
对于透射式传感器，光经过SNS结构后经FBG1和FBG2反射，两FBG反射光没有再次进入SNS结构，而直接进入基于WDM的解调模块。FBG1和FBG2反射光分别从WDM的2端口(透射端)和3端口(反射端)滤出，反射光强度差可表示为：
其中，ΔI为差分强度差，I1、I2分别为FBG1、FBG2反射光的强度，S(λ)为光源输出的功率谱密度函数，T1(λ)、T2(λ)分别为FBG1和FBG2所对应的SNS滤波器线性边沿的谱函数，δ(λ)为光纤光栅的反射谱函数(由于FBG1和FBG2的带宽远小于SNS透射谱带宽，因此FBG1和FBG2的反射谱函数近似为冲击函数)，λ1、λ2分别为FBG1、FBG2的中心波长，Δλ为因外界折射率改变而引起的SNS滤波器透射谱的波长漂移量。
反射式传感器的测量液体折射率的原理与透射式一致，只不过光从SNS结构传输至FBG1和FBG2后，FBG1和FBG2的反射光需要多经过一次SNS结构滤波后，进入基于WDM的解调模块。FBG1和FBG2的反射光强度差可以表示为
所得到的强度差相比单一FBG的反射光强度具有更高的折射率灵敏度。另外，SNS的干涉谱与FBG的反射谱均在温度变化时发生平移，且温度灵敏度相近。当温度改变化后，SNS干涉谱与两FBG反射谱相对位置变化很小，两FBG反射光强度几乎无变化，因此该结构具有较低的温度交叉灵敏度。由于传感器输入光强度的波动对本发明结构中两FBG反射光的强度变化影响为同向(即变化趋势相同)，因此输入光波动对差分强度的影响远小于对单一FBG反射光强度的影响，具有抑制输入光强度变化对测量结果影响的能力。根据外界折射率与两FBG反射光强度差的计算公式，信号处理与控制单元可计算得到外界液体折射率信息。
如图7是基于波分复用器(WDM)的解调模块。经过透射式传感器或反射式传感器的输出光为FBG1和FBG2反射光的叠加，每个FBG反射光的强度携带有外界折射率的信息。通过WDM分别对透射式传感器或反射式传感器的输出光进行滤波，从WDM的2端口滤出包含λ1波段的波形(带通滤波器)，从WDM的3端口滤出包含λ2的波形(带阻滤波器)。将WDM输出的两FBG的反射光强信号转换成电信号传输到信号处理与控制单元，通过计算其差值并代入相应折射率转换公式得到外界的折射率值。
本发明的一种多点反射式光纤传感装置，其示意图如图8所示。宽带光源输出的光经过光纤环行器，连接一个由信号处理与控制单元控制的1×n光开关(n＞1)，由于采用时分复用方式，各路反射式传感器中NCF的长度和FBG的中心波长可相同。信号处理与控制单元控制光开关选通n通道，从而实现光环行器2端口与反射式传感器n的1端口连接。宽带光源的输出光经过SNS带通三角滤波器滤波、FBG1与FBG2反射、SNS带通三角滤波器再滤波后，反射光从光纤环行器2端口输入，从光纤环行器3端口输出，连接到基于WDM的解调模块，在基于WDM的解调模块中，传输至解调模块的信号输入WDM的1端口(公共端)，WDM的2端口(透射端)滤出中心波长较低的光纤布拉格光栅一(FBG1)的反射光，WDM的3端口(反射端)滤出中心波长较高的光纤布拉格光栅二(FBG2)的反射光，上述WDM的2端口和3端口分别连接光探测器一和光探测器二，光探测器一和光探测器二将携带折射率信息的光强信号转换成电信号交由信号处理与控制单元，实现在LabView界面或STM32实时多点测量外界折射率。SNS带通三角滤波器的透射谱在光源光谱范围内呈现为对称三角形，光纤布拉格光栅一(FBF1)和光纤布拉格光栅二(FBF2)的中心波长分别位于SNS结构三角滤波器透射谱的左右两个线性边沿。当外界折射率变化时，SNS结构的透射谱将发生平移，而两光纤布拉格光栅FBG、FBG2反射谱不发生变化，因此FBG1、FBG2的反射光强呈现相反的变化趋势。利用WDM的2端口(透射端)、3端口(反射端)分别滤出FBG1、FBG2的反射光，并通过求两路反射光的强度差，表征外界折射率。
本发明的多点透射式光纤传感装置，其示意图如图9所示。信号处理与控制单元控制1×n光开关1、2、3(n＞1)，由于采用时分复用方式，各路反射式传感器中NCF的长度和FBG的中心波长可相同。宽带光源的输出端连接光开关1公共端，光开关1的通道n端口依次连接第n个传感器的1端口、单模光纤一(SMF1)、无芯光纤(NCF)、单模光纤二(SMF2)、第n个传感器2端口，光开关2的n端口、光开关2公共端、光纤环行器1端口，光纤环行器2端口依次连接光开关3公共端、光开关3的通道n端口、第n个传感器的3端口、光纤布拉格光栅一(FBG1)、光纤布拉格光栅二(FBG2)，光信号经光纤布拉格光栅一(FBG1)、光纤布拉格光栅二(FBG2)反射后再进入光纤环行器2端口，然后经过光纤环行器3端口输出，光纤环行器3端口连接波分复用器(WDM)1端口(公共端)，在基于WDM的解调模块中，传输至解调模块的信号输入WDM的1端口(公共端)，WDM的2端口(透射端)滤出中心波长较低的光纤布拉格光栅一(FBG1)的反射光，WDM的3端口(反射端)滤出中心波长较高的光纤布拉格光栅二(FBG2)的反射光，上述WDM的2端口和3端口分别连接光探测器一和光探测器二，光探测器一和光探测器二将携带折射率信息的光强信号转换成电信号交由信号处理与控制单元，实现在LabView界面或STM32实时多点测量外界折射率。SNS的透射谱在光源光谱范围内呈现为对称三角形，光纤布拉格光栅一(FBF1)和光纤布拉格光栅二(FBF2)的中心波长分别位于SNS结构透射谱的左右两个线性边沿。当外界折射率变化时，SNS结构的透射谱将发生平移，而两光纤布拉格光栅FBG、FBG2反射谱不发生变化，因此FBG1、FBG2的反射光强呈现相反的变化趋势。利用WDM的2端口(透射端)、3端口(反射端)分别滤出FBG1、FBG2的反射光，并通过求两路反射光的强度差，表征外界折射率。
作为应用实例1，将本发明的反射式传感器用于甘油与蒸馏水混合的溶液中进行折射率测量。实施例涉及一种单点反射式折射率测量。不同浓度的甘油溶液是通过甘油与蒸馏水不同的体积比配制而成的，再取样通过阿贝折射率标定每一种甘油溶液的折射率。给反射式传感器一定的轴向应力，用UV胶将传感器固定在钢化玻璃上确保具有相似的热膨胀系数，再将此钢化玻璃放置在加热控制台上为后续的温度测量做准备。甘油溶液的标定的折射率值为1.3326至1.4066，并保持阿贝仪标定折射率与实验测量折射率的外界温度始终在24℃左右。按照图3的反射式光纤传感装置搭建光路。在传感区域依次滴入不同浓度的甘油溶液，用光功率计暂代信号处理与控制单元得到两光纤光栅的反射光强度。图10是差分强度调制后的折射率响应度，在1.3326至1.3702，1.3702-1.4066折射率范围内，折射率灵敏度分别达到-199.6dB/RIU，-355.5dB/RIU。图11是采取差分强度调制后传感装置对输入光强波动抑制效果的验证结果，当外界溶液的折射率为1.3702时，调整宽带光源的驱动电流从140mA逐渐升至210mA(步进为10mA)，对应的光源功率从3mW升至10mW，单独的FBG1与FBG2的反射光强在光源输出强度变化7mW的过程中，功率分别变化了3.51dB，3.33dB，而通过差分强度调制，两FBG的光强差只改变了0.18dB，从而验证了该调制方法能够抑制因光源波动、光源老化、光路传输损耗等对测量结果的影响。图12是差分强度调制后的温度响应度，调整加热控制台的温度从24℃升至100℃(步进为10℃)。由于无芯光纤和光纤光栅具有相似的热膨胀系数，温度灵敏度均在10pm/℃左右，因此当温度升高，SNS滤波器与FBG1、FBG2的波形都会向长波长方向漂移。经过差分强度调制后，温度灵敏度的值为0.0148dB/℃，经计算，因温度变化造成折射率测量的误差值仅为7.41×10-5RIU/℃(@1.3326-1.3702)，4.16×10-5RIU/℃(@1.3702-1.4066)。从而验证了该透射式传感器可以抑制温度的交叉灵敏度，实现温度自补偿。
作为应用实例2，将本发明的透射式传感器用于甘油与蒸馏水混合的溶液中进行折射率测量。实施例涉及一种单点透射式折射率测量。不同浓度的甘油溶液是通过甘油与蒸馏水不同的体积比配制而成的，再取样通过阿贝折射率标定每一种甘油溶液的折射率。给反射式传感器一定的轴向应力，用UV胶将传感器固定在钢化玻璃上确保具有相似的热膨胀系数，再将此钢化玻璃放置在加热控制台上为后续的温度测量做准备。甘油溶液的标定的折射率值为1.333至1.4034，并保持阿贝仪标定折射率与实验测量折射率的外界温度始终在22℃左右。按照图2的透射式光纤传感装置搭建光路。在传感区域依次滴入不同浓度的甘油溶液，用光功率计暂代信号处理与控制单元得到两光纤光栅的反射光强度。图13是强度差调制后的折射率响应度，在1.333至1.3727，1.3727至1.4034折射率范围内，折射率灵敏度分别为-85.57884dB/RIU，-164.68281dB/RIU。图14是采取差分强度调制后传感装置对输入光强波动抑制效果的验证结果，当外界溶液的折射率为1.3402时，调整宽带光源的驱动电流从140mA逐渐升至210mA(步进为10mA)，对应的光源功率从3mW升至10mW，单独的FBG1与FBG2在光源输出强度变化7mW的过程中，功率分别变化了3.53dB，3.06dB，而通过差分强度调制，双FBG的光强差只改变了0.47dB，从而验证了该调制方法能够抑制因光源波动、光源老化、光路传输损耗等对测量结果的影响。图15是差分强度调制后的温度响应度，调整加热控制台的温度从22℃升至100℃(步进为10℃)，由于无芯光纤和光纤光栅具有相似的热膨胀系数，温度灵敏度均在10pm/℃左右，因此当温度升高，SNS滤波器与FBG1、FBG2的波形都会向长波长方向漂移。经过差分强度调制后，温度灵敏度的值为0.0063dB/℃，经计算，因温度变化造成折射率测量的误差值仅7.362×10-5RIU/℃(@1.3326-1.3727)，3.826×10- 5RIU/℃(@1.3727-1.4034)。因此该反射式传感器可以抑制温度的交叉灵敏度，从而实现温度自补偿。

Claims (5)

1.一种差分强度调制测量液体折射率的光纤传感装置，其特征在于，该光纤传感装置为透射式光纤传感装置或反射式光纤传感装置，光纤传感装置包括宽带光源、传感模块和基于波分复用器(WDM)的解调模块，所述传感模块包括光纤环行器和光纤传感器；
所述光纤传感器由依次连接的单模光纤一(SMF1)、无芯光纤(NCF)、单模光纤二(SMF2)，光纤布拉格光栅一(FBG1)和光纤布拉格光栅二(FBG2)组成；所述透射式光纤传感装置中宽带光源的输出端依次连接单模光纤一(SMF1)、无芯光纤(NCF)、单模光纤二(SMF2)、光纤环行器1端口，从光纤环行器1端口输出的光进入光纤环行器2端口，光纤环行器2端口依次连接光纤布拉格光栅一(FBG1)、光纤布拉格光栅二(FBG2)，光信号经光纤布拉格光栅一(FBG1)、光纤布拉格光栅二(FBG2)反射后进入光纤环行器2端口，然后经过光纤环行器3端口输出，光纤环行器3端口连接基于波分复用器(WDM)的解调模块；所述反射式光纤传感装置中宽带光源的输出端连接光纤环行器1端口，光信号经光纤环行器2端口输出，光信号依次经过单模光纤一(SMF1)、无芯光纤(NCF)、单模光纤二(SMF2)、光纤布拉格光栅一(FBG1)、光纤布拉格光栅二(FBG2)，从光纤布拉格光栅一(FBG1)和光纤布拉格光栅二(FBG2) 反射的光依次经过单模光纤二(SMF2)、无芯光纤(NCF)、单模光纤一(SMF1)后进入光纤环行器2端口，然后经过光纤环行器3端口输出，光纤环行器3端口连接基于波分复用器(WDM)的解调模块；所述无芯光纤(NCF)的长度选择符合沿着无芯光纤(NCF)形成的多模干涉自映像周期数为4的整数倍所对应的长度，所述单模光纤一-无芯光纤-单模光纤二(SNS)结构的透射谱为近似对称的三角形，所述光纤布拉格光栅一(FBG1)和光纤布拉格光栅二(FBG2)的中心波长选择分别在由单模光纤一(SMF1)、无芯光纤(NCF)、单模光纤二(SMF2)组成的SNS三角滤波器的左、右边沿的线性区域中。
2.根据权利要求1所述的一种差分强度调制测量液体折射率的光纤传感装置，其特征在于：所述基于波分复用器(WDM)的解调模块中，传输至解调模块的信号输入WDM的公共端1端口，WDM的透射端2端口滤出中心波长较低的光纤布拉格光栅一(FBG1)的反射光,WDM的反射端3端口滤出中心波长较高的光纤布拉格光栅二(FBG2)的反射光,上述WDM的透射端2端口和反射端3端口分别连接光探测器一和光探测器二，光探测器一和光探测器二将携带折射率信息的光强信号转换为电压信号后交由信号处理与控制单元处理。
3. 一种根据权利要求1或2所述一种差分强度调制测量液体折射率的光纤传感装置，其特征在于：所述透射式光纤传感装置中，宽带光源的输出端连接光开关1公共端，信号处理与控制单元控制光开关1、2、3的选择，将光开关1、2、3的通道n端口分别连接第n个透射式传感器的1、2、3端口，即：光开关1的通道n端口依次连接第n个传感器的1端口、单模光纤一(SMF1)、无芯光纤(NCF)、单模光纤二(SMF2)、第n个传感器2端口，光开关2的n端口、光开关2公共端、光纤环行器1端口，光纤环行器2端口依次连接光开关3公共端、光开关3的通道n端口、第n个传感器的3端口、光纤布拉格光栅一(FBG1)、光纤布拉格光栅二(FBG2)，光信号经光纤布拉格光栅一(FBG1)、光纤布拉格光栅二(FBG2)反射后再进入光纤环行器2端口，然后经过光纤环行器3端口输出，光纤环行器3端口连接波分复用器(WDM) 公共端1端口，WDM的透射端2端口和反射端3端口分别连接光探测器一和光探测器二，光探测器一和光探测器二所输出的信号由信号处理与控制单元采集并处理。
4. 一种根据权利要求1或2所述一种差分强度调制测量液体折射率的光纤传感装置，其特征在于：宽带光源的输出端连接光纤环行器1端口，光信号经光纤环行器2端口输出，光纤环行器2端口连接光开关公共端，信号处理与控制单元控制光开关的通道选择，将光开关的通道n端口连接反射式传感器n的1端口，反射式传感器n的2和3端口连接，即：光开关的通道n端口依次连接反射式传感器n的1端口、单模光纤一(SMF1)、无芯光纤(NCF)、单模光纤二(SMF2)、光纤布拉格光栅一(FBG1)、光纤布拉格光栅二(FBG2)，光信号经光纤布拉格光栅一(FBG1)、光纤布拉格光栅二(FBG2)反射后再次进入单模光纤二(SMF2)、无芯光纤(NCF)、单模光纤一(SMF1)，经光开关后，进入光纤环行器2端口，然后经过光纤环行器3端口输出，光纤环行器3端口连接波分复用器(WDM) 公共端1端口，WDM的透射端2端口和反射端3端口分别连接光探测器一和光探测器二，光探测器一和光探测器二所输出的信号由信号处理与控制单元采集并处理。
5.一种根据权利要求1-4所述的任一差分强度调制测量液体折射率的光纤传感装置的差分强度调制方法，其特征在于：当外界折射率变化时，无芯光纤(NCF)的有效折射率发生变化，SNS结构三角形透射谱发生波长漂移，而光纤布拉格光栅一(FBG1)和光纤布拉格光栅二(FBG2)的反射谱不随外界折射率的改变而发生变化，从而光纤布拉格光栅一(FBG1)和光纤布拉格光栅二(FBG2)的反射光强度改变，因光纤布拉格光栅一(FBG1)和光纤布拉格光栅二(FBG2)的中心波长分别在SNS三角滤波器的左、右边沿的线性区域中，最终导致光纤布拉格光栅一(FBG1)与光纤布拉格光栅二(FBG2)各自反射光强度的差值显著改变；所述透射式光纤传感模块输出光中，光纤布拉格光栅一(FBG1)与光纤布拉格光栅二(FBG2)各自反射光强度的差值为：
；
所述反射式光纤传感结构输出光中，FBG1与FBG2各自反射光强度的差值为：
；
式中，ΔI为差分强度，I1、I2分别为FBG1、FBG2反射光的强度，S(λ)为光源输出的功率谱密度函数，T1(λ)、T2(λ)分别为FBG1和FBG2所对应的SNS滤波器线性边沿的谱函数，δ(λ)为光纤光栅的反射谱函数（由于FBG1和FBG2的带宽远小于SNS透射谱带宽，FBG1和FBG2的反射谱函数近似为冲击函数），λ1、λ2分别为FBG1、FBG2的中心波长，Δλ为因外界折射率改变而引起的SNS滤波器透射谱的波长漂移量，因此，外界折射率变化被调制为FBG1和FBG2反射光强度差的变化。
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