CN112683847A - 基于错位熔接级联双腔的液体折射率传感器及传感方法 - Google Patents
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Abstract
基于错位熔接级联双腔的液体折射率传感器及传感方法，它属于液体折射率测量技术领域。本发明解决了现有方法对液体折射率进行测量时的测量准确度低的问题。本发明通过使石英腔和液体腔的自由光谱范围接近但不相等，使石英腔和液体腔干涉谱产生游标效应，进而可大幅提高传感器的灵敏度，进而提高测量准确度。同时错位熔接制备的开放腔开口大，液体容易进入腔内，且腔内不容易产生残留气泡。光纤微腔反射面镀膜，提高反射率，反射光更容易参数干涉，提高了传感器性能。本发明可以应用于液体折射率测量。
Description
技术领域
本发明属于液体折射率测量技术领域，具体涉及一种基于错位熔接级联双腔的液体折射率传感器及传感方法。
背景技术
折射率是物质的一种物理性质。液体折射率的测量适用于石油工业、油脂工业、制药工业、制漆工业、食品工业、日用化学工业、制糖工业和地质勘察等领域。
食品生产中常用的工艺控制指标，通过测定液态食品的折射率，可以鉴别食品的组成，确定食品的浓度，判断食品的纯净程度及品质。
液态食品的折射率都有一定的范围，当食品因掺杂、浓度改变等原因而引起食品的品质发生了变化时，其折射率也会发生变化，所以通过测定液体折射率可以判断食品是否正常，因此，测量液体折射率是十分必要的。
虽然现有技术中已经有研究人员进行过液体折射率测量的研究，但是采用现有方法对液体折射率进行测量时的测量准确度仍然较低。
发明内容
本发明的目的是为解决采用现有方法对液体折射率进行测量时的测量准确度低的问题，而提出了一种基于错位熔接级联双腔的液体折射率传感器及传感方法。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
基于本发明的一个方面，一种基于错位熔接级联双腔的液体折射率传感器，所述液体折射率传感器包括宽带光源、光纤环形器、级联双腔传感头和光谱仪，其中：
所述宽带光源的输出端与光纤环形器的输入端相连接，光纤环形器的输入输出端与级联双腔传感头的输入端相连接；
光纤环形器的输出端与光谱仪的输入端相连接；
所述级联双腔传感头包括第一单模光纤、第一透反膜、第二单模光纤、第二透反膜、第三单模光纤、第三透反膜和第四单模光纤；
所述第一单模光纤的一端镀有第一透反膜，第二单模光纤的一端与第一单模光纤镀有第一透反膜的一端向熔接；
第二单模光纤的另一端镀有第二透反膜，第三单模光纤的一端与第二单模光纤镀有第二透反膜的一端错位熔接；
第四单模光纤的一端镀有第三透反膜，第三单模光纤的另一端与第四单模光纤镀有第三透反膜的一端错位熔接；
错位熔接后，第二单模光纤、第三单模光纤和第四单模光纤之间的区域形成液体腔。
基于本发明的另一个方面，一种基于错位熔接级联双腔的液体折射率传感器的传感方法，所述方法具体包括以下步骤：
宽带光源发出的光信号经光纤环形器的输入端输入光纤环形器，再经光纤环形器的输入输出端输出至级联双腔传感头；
经级联双腔传感头反射回来的光信号经光纤环形器的输入输出端输入回光纤环形器，再经光纤环形器的输出端传输到光谱仪；
通过检测光谱仪接收到的光信号的干涉谱包络平移量，来对液体折射率进行检测。
进一步地，所述光谱仪接收到的光信号的干涉谱包络自由光谱范围FSRenvelope为：
FSRenvelope＝M·FSRliquid
其中，M为包络放大因子，FSRliquid为液体腔的自由光谱范围；
FSRsilica为石英腔的自由光谱范围；
则当液体腔内的被测液体折射率发生变化时，光谱仪接收到的光信号的干涉谱包络平移量Δλenvelope与液体腔干涉谱平移量Δλliquid的关系表示为
Δλenvelope＝MΔλliquid
通过检测光谱仪接收到的光信号的干涉谱包络平移量，获得液体折射率的变化量。
本发明的有益效果是：本发明提出了基于错位熔接级联双腔的液体折射率传感器及传感方法，通过使石英腔和液体腔的自由光谱范围接近但不相等，使石英腔和液体腔干涉谱产生游标效应，进而可大幅提高传感器的灵敏度，进而提高测量准确度。
错位熔接制备的开放腔开口大，液体容易进入腔内，且腔内不容易产生残留气泡。光纤微腔反射面镀膜，提高反射率，反射光更容易参数干涉，提高了传感器性能。
附图说明
图1是本发明的基于错位熔接级联双腔的液体折射率传感器示意图；
图2是本发明的错位熔接级联双腔传感头示意图；
图3是单模光纤的示意图；
图4是错位熔接处截面图；
其中，单模光纤的直径为125微米；光纤错位处两单模光纤纤芯距离L3为79.5-100微米；
图5是石英腔干涉谱的示意图；
图6是液体腔干涉谱的示意图；
图7是级联双腔干涉谱的示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1、图2、图3和图4所示。本实施方式所述的一种基于错位熔接级联双腔的液体折射率传感器，所述液体折射率传感器包括宽带光源1、光纤环形器2、级联双腔传感头3和光谱仪4，其中：
所述宽带光源1的输出端与光纤环形器2的输入端201相连接，光纤环形器2的输入输出端202与级联双腔传感头3的输入端相连接；
光纤环形器2的输出端203与光谱仪4的输入端相连接；
所述级联双腔传感头3包括第一单模光纤301、第一透反膜302、第二单模光纤303、第二透反膜304、第三单模光纤305、第三透反膜306和第四单模光纤307；
所述第一单模光纤301的一端镀有第一透反膜302，第二单模光纤303的一端与第一单模光纤301镀有第一透反膜302的一端向熔接；
第二单模光纤303的另一端镀有第二透反膜304，第三单模光纤305的一端与第二单模光纤303镀有第二透反膜304的一端错位熔接；
第四单模光纤307的一端镀有第三透反膜306，第三单模光纤305的另一端与第四单模光纤307镀有第三透反膜306的一端错位熔接；
错位熔接后，第二单模光纤303、第三单模光纤305和第四单模光纤307之间的区域形成液体腔。
本实施方式的工作原理为：
当宽带光源1发出的入射光经光纤环形器2入射至单模光纤1与单模光纤2之间的透反膜(M1)时，一部分入射光发生反射(该部分反射光称为第一束反射光)，而另一部分入射光透射后继续传播；当这部分透射光传播到单模光纤2与单模光纤3的错位熔接面(M2)时，一部分光反射，另一部分光透射后继续传播；该部分透射光继续传播到单模光纤3和单模光纤4的错位熔接面(M3)时，一部分光反射，另一部分光透射。当以上三部分反射光，在干涉仪中相遇时，产生干涉，干涉谱为石英腔和液体腔干涉谱的叠加。当石英腔和液体腔的光程相近但不相等时，干涉谱就会出现包络。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述错位熔接在竖直方向的错位量为79.5～100微米，在水平方向的错位量为0。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述第三单模光纤305的长度为L2。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述第二单模光纤303的长度为L1。
本实施方式的第二单模光纤303为石英腔。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述第四单模光纤307的另一端切割成斜面，且斜面与纤芯垂直方向的夹角大于8度。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述第一透反膜302、第二透反膜304和第三透反膜306的反射率均为4％～8％。
本实施方式的目的是使经该面反射的光不能返回第四单模光纤的纤芯内。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述第一单模光纤301、第二单模光纤303、第三单模光纤305和第四单模光纤307的纤芯5的直径均为10微米。
具体实施方式八：本实施方式所述的基于错位熔接级联双腔的液体折射率传感器的传感方法，所述方法具体包括以下步骤：
宽带光源1发出的光信号经光纤环形器2的输入端201输入光纤环形器2，再经光纤环形器2的输入输出端202输出至级联双腔传感头3；
经级联双腔传感头3反射回来的光信号经光纤环形器2的输入输出端202输入回光纤环形器2，再经光纤环形器2的输出端203传输到光谱仪4；
通过检测光谱仪4接收到的光信号的干涉谱包络平移量，来对液体折射率进行检测。
具体实施方式九：结合图5、图6和图7说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式八不同的是：所述光谱仪4接收到的光信号的干涉谱包络自由光谱范围FSRenvelope为：
FSRenvelope＝M·FSRliquid
其中，M为包络放大因子，FSRliquid为液体腔的自由光谱范围；
FSRsilica为石英腔的自由光谱范围；
则当液体腔内的被测液体折射率发生变化时，光谱仪4接收到的光信号的干涉谱包络平移量Δλenvelope与液体腔干涉谱平移量Δλliquid的关系表示为
Δλenvelope＝MΔλliquid
通过检测光谱仪4接收到的光信号的干涉谱包络平移量，获得液体折射率的变化量。
所以，当液体腔干涉谱平移量变化Δλliquid时，光谱仪(4)接收到的光信号的干涉谱包络平移量为MΔλliquid，相对于单腔，本发明的传感器折射率灵敏度提高了M倍。
本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (7)
1.基于错位熔接级联双腔的液体折射率传感器，其特征在于，所述液体折射率传感器包括宽带光源(1)、光纤环形器(2)、级联双腔传感头(3)和光谱仪(4)，其中：
所述宽带光源(1)的输出端与光纤环形器(2)的输入端(201)相连接，光纤环形器(2)的输入输出端(202)与级联双腔传感头(3)的输入端相连接；
光纤环形器(2)的输出端(203)与光谱仪(4)的输入端相连接；
所述级联双腔传感头(3)包括第一单模光纤(301)、第一透反膜(302)、第二单模光纤(303)、第二透反膜(304)、第三单模光纤(305)、第三透反膜(306)和第四单模光纤(307)；
所述第一单模光纤(301)的一端镀有第一透反膜(302)，第二单模光纤(303)的一端与第一单模光纤(301)镀有第一透反膜(302)的一端向熔接；
第二单模光纤(303)的另一端镀有第二透反膜(304)，第三单模光纤(305)的一端与第二单模光纤(303)镀有第二透反膜(304)的一端错位熔接；
第四单模光纤(307)的一端镀有第三透反膜(306)，第三单模光纤(305)的另一端与第四单模光纤(307)镀有第三透反膜(306)的一端错位熔接；
错位熔接后，第二单模光纤(303)、第三单模光纤(305)和第四单模光纤(307)之间的区域形成液体腔。
2.根据权利要求1所述的基于错位熔接级联双腔的液体折射率传感器，其特征在于，所述错位熔接在竖直方向的错位量为79.5～100微米，在水平方向的错位量为0。
3.根据权利要求1所述的基于错位熔接级联双腔的液体折射率传感器，其特征在于，所述第四单模光纤(307)的另一端切割成斜面，且斜面与纤芯垂直方向的夹角大于8度。
4.根据权利要求1所述的基于错位熔接级联双腔的液体折射率传感器，其特征在于，所述第一透反膜(302)、第二透反膜(304)和第三透反膜(306)的反射率均为4％～8％。
5.根据权利要求1所述的基于错位熔接级联双腔的液体折射率传感器，其特征在于，所述第一单模光纤(301)、第二单模光纤(303)、第三单模光纤(305)和第四单模光纤(307)的纤芯(5)的直径均为10微米。
6.基于权利要求1所述的基于错位熔接级联双腔的液体折射率传感器的传感方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：
宽带光源(1)发出的光信号经光纤环形器(2)的输入端(201)输入光纤环形器(2)，再经光纤环形器(2)的输入输出端(202)输出至级联双腔传感头(3)；
经级联双腔传感头(3)反射回来的光信号经光纤环形器(2)的输入输出端(202)输入回光纤环形器(2)，再经光纤环形器(2)的输出端(203)传输到光谱仪(4)；
通过检测光谱仪(4)接收到的光信号的干涉谱包络平移量，来对液体折射率进行检测。
7.根据权利要求6所述的基于错位熔接级联双腔的液体折射率传感器的传感方法，其特征在于，所述光谱仪(4)接收到的光信号的干涉谱包络自由光谱范围FSRenvelope为：
FSRenvelope＝M·FSRliquid
其中，M为包络放大因子，FSRliquid为液体腔的自由光谱范围；
FSRsilica为石英腔的自由光谱范围；
则当液体腔内的被测液体折射率发生变化时，光谱仪(4)接收到的光信号的干涉谱包络平移量Δλenvelope与液体腔干涉谱平移量Δλliquid的关系表示为
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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