CN110375777A - 一种光纤传感器及其制备和测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种光纤传感器及其制备和测量方法，用以解决光纤传感器针对液体折射率测量易受光源影响，稳定性差和可靠性低的问题。所述光纤传感器包括第一光纤、第二光纤和第三光纤，其中：所述第一光纤、第二光纤和第三光纤顺序级联，所述第二光纤包含两根纤芯，以及所述第二光纤上设置有微槽，所述微槽穿透所述第二光纤的第一根纤芯，而不破坏所述第二光纤的第二根纤芯。

Description

一种光纤传感器及其制备和测量方法
技术领域
本发明涉及光纤传感器技术领域，尤其涉及一种光纤传感器及其制备和测量方法。
背景技术
液体折射率是反映液体内部信息的一个基本物理参量，其测量在化学分析、光学研究、生物医学、食品制造与检测等领域有着广泛的应用。光纤传感器具有抗电磁干扰、轻巧、灵敏度高等优势，为液体折射率的测量提供了一种行之有效的方法。
目前，基于光纤传感器的液体折射率测量方法有很多，如光纤长周期光栅法、光纤布拉格光栅法、法布里-珀罗干涉仪法等。基于光纤长周期光栅的折射率测量方法具有较高的灵敏度，但由于长周期光纤光栅受自身的弯曲影响大，使其可靠性大大降低；基于光纤布拉格光栅法的折射率测量方法需剥去光纤的包层，增大光纤倏逝波与待测溶液的相互作用，引起光栅谐振波长的移动，从而实现折射率的测量，该类传感器的强度减弱，稳定性差；基于法布里-珀罗干涉仪的折射率测量方法具有体积小的优势，但是其制作工艺比较复杂，成本高，易受光源稳定性影响。
由此可见，现有光纤传感器针对液体折射率测量存在受光源影响，稳定性差和测量可靠性低等问题，无法满足实际应用的需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是光纤传感器针对液体折射率测量易受光源影响，稳定性差和可靠性低的问题，提供一种光纤传感器及其制备和测量方法。
本发明采用的技术方案是提供一种光纤传感器，包括第一光纤、第二光纤和第三光纤，其中：
所述第一光纤、第二光纤和第三光纤顺序级联，所述第二光纤包含两根纤芯，以及所述第二光纤上设置有微槽，所述微槽穿透所述第二光纤的第一根纤芯，而不破坏所述第二光纤的第二根纤芯。
在一种可能的实施方式中，所述第一光纤和所述第三光纤为单模光纤。
在一种可能的实施方式中，所述第二光纤由二氧化硅材料制成，所述第一根纤芯和所述第二根纤芯在所述第二光纤中对称设置。
在一种可能的实施方式中，所述微槽垂直于所述第二光纤。
在一种可能的实施方式中，所述微槽为矩形。
在一种可能的实施方式中，所述矩形长度为1mm-2mm。
本发明还提供一种上述光纤传感器的制备方法，包括：
切平第一光纤和第三光纤的端面；
在所述第二光纤上加工所述微槽，所述微槽穿透所述第二光纤的第一根纤芯，而不破坏所述第二光纤的第二根纤芯；
分别熔接所述第一光纤和第三光纤的端面与所述第二光纤的两个端面。
在一种可能的实施方式中，在所述第二光纤上加工所述微槽，具体包括：
利用飞秒激光在垂直于所述第二光纤方向上加工矩形微槽。
本发明还提供一种基于上述光纤传感器的测量方法，包括：
沿所述第一光纤传输光源发出的光；
在所述第一光纤和所述第二光纤的交界端面，所述光分为沿所述第二光纤的第一纤芯传输的传感光和沿所述第二光纤的第二纤芯传输的参考光；
在所述第二光纤和所述第三光纤的交界端面，所述传感光和所述参考光发生干涉；
根据干涉光谱，确定所述第二光纤的微槽中传输介质的折射率。
在一种可能的实施方式中，在沿所述第一光纤传输光源发出的光之前，还包括：
在所述第二光纤的微槽中填充液体；
根据所述干涉光谱，确定所述第二光纤的微槽中传输介质的折射率，具体包括：
根据所述干涉光谱，确定所述第二光纤的微槽中液体的折射率。
在一种可能的实施方式中，根据所述干涉光谱，确定所述第二光纤的微槽中传输介质的折射率，具体包括：
根据所述干涉光谱，确定所述传感光和所述参考光的光程差；
根据所述光程差和所述微槽中第二纤芯的长度，确定所述第二光纤的微槽中传输介质的折射率。
采用上述技术方案，本发明至少具有下列优点：
本发明提供的光纤传感器结构简单紧凑，降低了制作光纤传感器的成本，基于本发明所提供的光纤传感器的测量方法中，通过第一光纤和第二光纤的交界端面产生分别沿第一根纤芯传输的传感光和沿第二纤芯传输的参考光，参考光和传感光在单根纤芯上传输，避免了外界环境变化对测量结果的影响，从而提高了测量结果的精度。
附图说明
图1a为本发明实施例的光纤传感器的结构示意图；
图1b为本发明实施例的光纤传感器制备方法流程示意图；
图1c为本发明实施例的光纤传感器方法测量流程示意图；
图2为本发明实施例的第一种基于光纤传感器的测量方法示意图；
图3为本发明实施例的第二种基于光纤传感器的测量方法示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。
如图1a所示，其为本发明实施例提供的光纤传感器的结构示意图，包括第一光纤11，第二光纤12和第三光纤13，其中，第一光纤11、第二光纤12和第三光纤13顺序级联，第二光纤12包含两根纤芯，第二光纤12上设置有微槽121，微槽121穿透第二光纤的第一根纤芯122，而不破坏第二光纤12的第二根纤芯123。
其中，第一光纤11和第三光纤13可以为单模光纤，第二光纤为双芯光纤。
本发明实施例提供的光纤传感器可以用于测量第二光纤上设置的微槽中的传输介质的折射率。具体测量原理如下：在第二光纤的微槽中填充待测折射率的传输介质，其可以为液体、气体或者固体等，本发明实施例对此不进行限定。光源发出的光通过第一光纤的纤芯在第一光纤中传播，到达第一光纤和第二光纤的交界端面后分为两束，其中一束光沿第二光纤的第一纤芯传输，为了便于描述，本发明实施例中称之为传感光，另外一束光沿第二光纤的第二纤芯传输，为了便于描述，本发明实施例中称之为参考光，由于微槽中介质的作用，使得传感光和参考光到达第二光纤和第三光纤的交界端面时存在光程差，传感光和参考光在到达第二光纤和第三光纤的交界端面发生干涉，干涉光沿第三光纤的纤芯继续传输，具体实施时，第三光纤可以与测量终端连接，例如，该测量终端可以为微光谱仪，测量终端与计算机连接，第三光纤中传输的干涉光输入到测量终端后获得干涉光谱，最终向计算机输出干涉光谱，利用计算机分析干涉光谱，便可以确定出微槽中的传输介质的折射率。其中，光程差为折射率与传输介质长度的函数，具体实施时，可以通过分析干涉光谱获得传感光和参考光的光程差，传输介质长度为第二光纤的微槽中被穿透的第一纤芯的长度，纤芯长度可以根据实际需要预先设定，本发明实施例对此不进行限定，例如，纤芯长度可以为1mm-2mm。
在一种可能的实施方式中，第二光纤可以采用二氧化硅材料制成，第二光纤中的两根光纤对称设置。第二光纤上设置的微槽可以为矩形、半圆形、方形或者到三角形等各种规则图形，微槽垂直于第二光纤。
如图1b所示，其为图1a所示的光纤传感器的制备方法，包括以下步骤：
S101、切平第一光纤和第三光纤的端面。
本步骤中，可以将第一光纤和第二光纤的端面切平备用。
S102、在第二光纤上加工微槽。
本步骤中，可以利用飞秒激光在垂直于第二光纤方向上加工一个微槽，其中，在第二光纤上加工的微槽穿透第二光纤的第一根纤芯，在到达第二纤芯之前停止，即微槽不破坏第二光纤的第二根纤芯。这样，光在第二光纤中可以沿第一纤芯和第二纤芯传输，而由于第一纤芯上微槽中传输介质的作用，使得在第一纤芯中传输的传感光和在第二纤芯中传输的参考光到达第二光纤和第三光纤的交界端面时存在光程差，而光程差与微槽中传输介质的折射率和传输介质长度相关，由此可以确定微槽中传输介质的折射率。
具体实施时，加工的微槽可以为方形、矩形、倒三角、半圆等各种规则形状。
S103、分别熔接第一光纤和第三光纤的端面与第二光纤的两个端面。
本步骤中，将第一光纤的端面与第二光纤的第一端面熔接，将第三光纤的端面与第二光纤的第二端面熔接。
至此，完成了光纤传感器的制备流程，需要说明的是，具体实施时，步骤S101和步骤S102没有一定的先后执行顺序，步骤S102也可以先于步骤S101实施，两个步骤也可以同时实施，本发明实施例对此不进行限定。
本发明实施例提供的光纤传感器，结构简单紧凑，从而降低了制备成本。
基于图1a所示的光纤传感器，本发明实施例还提供了一种折射率测量方法，如图1c所示，可以包括以下步骤：
S111、沿第一光纤传输光源发出的光。
具体实施时，光源发出的光沿第一光芯的纤芯在第一光纤中传输。
S112、在第一光纤和第二光纤的交界端面，光分为沿第二光纤的第一纤芯传输的传感光和沿第二光纤的第二纤芯传输的参考光。
光源发出的光通过第一光纤传输，到达第一光纤和第二光纤的交界端面分为分别沿第二光纤的第一纤芯传输的传感光和沿第二光纤的第二纤芯传输的参考光继续传输。由于第二光纤的第一纤芯上微槽中传输介质的作用，使得沿第一纤芯传输的传感光和沿第二纤芯传输的参考光到达第二光纤和第三光纤的交界端面存在光程差，传感光和参考光在第二光纤和第三光纤的交界端面发生干涉。
S113、在第二光纤和第三光纤的交界端面，传感光和参考光发生干涉。
S114、根据干涉光谱，确定第二光纤的微槽中传输介质的折射率。
具体实施时，步骤S113中传感光和参考光发生干涉后继续沿第三光纤传输，为了测量微槽中被测传输介质的折射率，本发明实施例中，第三光纤可以与测量终端连接，测量终端与计算机连接，干涉光输入到测量终端后，通过测量终端解调获得干涉光谱，测量终端将获得的干涉光谱输入计算机，计算机通过分析干涉光谱得到微槽中传输介质的折射率。
具体地，通过分析干涉光谱可以得到传感光和参考光的光程差，结合微槽中被穿透的第一光芯的长度，可以确定出微槽中传输介质的折射率。
例如，在利用光纤传感器测量液体折射率时，可以在微槽中填充被测液体，或者将光纤传感器浸入被测液体中。光源发出的光沿第一光纤的纤芯传输，到达第一光纤和第二光纤的交界端面时，分为沿第一纤芯传输的传感光和沿第二纤芯传输的参考光，传感光经过微槽中液体的作用，传感光和参考光到达第二光纤和第三光纤的交界端面存在光程差，传感光和参考光在第二光纤和第三光纤的交界端面发生干涉后沿第三光纤的纤芯继续传输，进入与第三光纤连接的测量终端，测量终端对干涉光解调得到干涉光谱，将得到的干涉光谱输入到计算机中进行分析得到传感光和参考光的光程差，根据光程差和微槽中第一纤芯的长度可以确定出微槽中液体的折射率。
为了更好地理解本发明实施例，以下结合具体的实施例对本发明的实施过程进行说明。
如图2所示，其为本发明实施例提供的第一种基于光纤传感器的测量方法示意图。光源为宽带的掺铒光纤自发辐射光源(Amplified Spontaneous Emission，ASE)201，通过光隔离器202进入可调谐法珀滤波器(FFT-TF)203，变为窄带的波长扫描光，FFP-TF203由计算机210触发产生的锯齿波电压211驱动，波长扫描的光被耦合器204分为两束。一束注入光纤传感器205，反射回来的光经光电探测器209后由采集卡采集一系列的采样点进入计算机210，另一束光被注入一个波长为梳状的光纤标准具206，然后经过标准具206后面的光纤光栅207，然后经光电探测器208后得到波长进入计算机210，由计算机建立采样点与波长之间的对应关系得到干涉光谱，对得到的干涉光谱进行分析，确定参考光与传感光的光程差，根据光程差与第二光纤中被穿透的第一光芯的长度确定微槽中传输介质的折射率。
如图3所示，其为本发明实施例提供的第一种基于光纤传感器的测量方法示意图。光源为宽带的掺铒光纤自发辐射光源(Amplified Spontaneous Emission，ASE)，通过第一光纤入射到光纤传感器中，在第一光纤和第二光纤的交界端面，入射光分为了两束光，分别沿着第二光纤的两个纤芯传输，由于微槽内折射率与纤芯折射率不同，使得两束光产生光程差，在第二光纤和第三光纤的交界端面发生干涉，沿着第三光纤输出至微光谱仪解调模块得到干涉光谱输入计算机，计算机对接收到的干涉光谱进行分析，得到参考光与传感光的光程差，根据光程差与第二光纤中被穿透的第一光芯的长度确定微槽中传输介质的折射率。
利用本发明实施例提供的光纤传感器测量折射率的方法，不受光源稳定性的影响，传感光和参考光在同一光纤上传输，避免了外界环境变化对折射率测量结果带来的影响，从而提高了测量结果精度。
通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

Claims (11)

1.一种光纤传感器，其特征在于，包括：第一光纤、第二光纤和第三光纤，其中：
所述第一光纤、第二光纤和第三光纤顺序级联，所述第二光纤包含两根纤芯，以及所述第二光纤上设置有微槽，所述微槽穿透所述第二光纤的第一根纤芯，而不破坏所述第二光纤的第二根纤芯。
2.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述第一光纤和所述第三光纤为单模光纤。
3.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述第二光纤由二氧化硅材料制成，所述第一根纤芯和所述第二根纤芯在第二光纤中对称设置。
4.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述微槽垂直于所述第二光纤。
5.根据权利要求1～4任一权利要求所述的光纤传感器，其特征在于，所述微槽为矩形。
6.根据权利要求5所述的光纤传感器，其特征在于，所述矩形长度为1mm-2mm。
7.一种权利要求1～6中任一项所述光纤传感器的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
切平第一光纤和第三光纤的端面；
在所述第二光纤上加工所述微槽，所述微槽穿透所述第二光纤的第一根纤芯，而不破坏所述第二光纤的第二根纤芯；
分别熔接所述第一光纤和第三光纤的端面与所述第二光纤的两个端面。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述第二光纤上加工所述微槽，具体包括：
利用飞秒激光在垂直于所述第二光纤方向上加工矩形微槽。
9.一种基于权利要求1～6任一项所述光纤传感器的测量方法，其特征在于，所述方法包括：
沿所述第一光纤传输光源发出的光；
在所述第一光纤和所述第二光纤的交界端面，所述光分为沿所述第二光纤的第一纤芯传输的传感光和沿所述第二光纤的第二纤芯传输的参考光；
在所述第二光纤和所述第三光纤的交界端面，所述传感光和所述参考光发生干涉；
根据干涉光谱，确定所述第二光纤的微槽中传输介质的折射率。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在沿所述第一光纤传输光源发出的光之前，所述方法还包括：
在所述第二光纤的微槽中填充液体；
所述根据所述干涉光谱，确定所述第二光纤的微槽中传输介质的折射率，具体包括：
根据所述干涉光谱，确定所述第二光纤的微槽中液体的折射率。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述根据所述干涉光谱，确定所述第二光纤的微槽中传输介质的折射率，具体包括：
根据所述干涉光谱，确定所述传感光和所述参考光的光程差；
根据所述光程差和所述微槽中第二纤芯的长度，确定所述第二光纤的微槽中传输介质的折射率。
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