CN113533255B - 一种折射率传感器及系统 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种折射率传感器及系统，属于光纤传感器技术领域。该折射率传感器包括：第一单模光纤的两端分别与第一偏心光纤的第二端和辅助光纤的第一端错位连接，在第一偏心光纤的第二端、第一单模光纤的外壁和辅助光纤的第一端之间形成液体腔。本申请中液体腔位于第一单模光纤的表面，减小了液体腔的深度，便于液体注入，且液体在注入液体腔的时候不容易产生气泡，提高了液体注入速率，从而也提高了折射率传感器的测量效率。

Description

一种折射率传感器及系统

技术领域

本申请实施例涉及光纤传感器技术领域，尤其涉及一种折射率传感器及系统。

背景技术

基于光纤微腔的光纤法布里-珀罗干涉计具有抗腐蚀、抗电磁干扰、结构紧凑、稳定性好、灵敏度高等优点，已经广泛应用于各个传感领域，比如能源环保、工矿企业、航空航天、医药卫生等领域。

目前在使用基于光纤微腔的光纤法布里-珀罗干涉计测量液体折射率时，存在液体难以注入光纤微腔，且光纤微腔内容易产生气泡，液体注入速率低的问题。

发明内容

鉴于上述问题，本申请实施例提供了一种折射率传感器及系统，克服了上述问题或者至少部分地解决了上述问题。

根据本申请实施例的第一个方面，提供了一种折射率传感器，该折射率传感器包括：第一偏心光纤、第一单模光纤和辅助光纤；

所述第一偏心光纤的第一端用于与光纤连接器连接，所述第一偏心光纤的第二端与所述第一单模光纤的第一端错位连接，所述第一单模光纤的第二端与所述辅助光纤的第一端错位连接，所述第一偏心光纤的第二端、所述第一单模光纤的外壁和所述辅助光纤的第一端之间形成液体腔，所述第一偏心光纤的纤芯与所述液体腔连通，所述液体腔用于容纳待测液体。

可选地，所述辅助光纤为第二偏心光纤；

所述第二偏心光纤的纤芯也与所述液体腔连通，所述第二偏心光纤的纤芯构成石英腔，所述石英腔的自由光谱范围是所述液体腔的自由光谱范围的预设倍数。

可选地，所述预设倍数大于或等于0.9且小于或等于0.99，或者，所述预设倍数大于或等于1.01且小于或等于1.10。

可选地，所述第一偏心光纤的纤芯和所述第二偏心光纤的纤芯相对，且完全暴露在所述第一单模光纤的外壁之外。

可选地，所述折射率传感器还包括：第一金属膜和第二金属膜；

所述第一金属膜位于所述第一偏心光纤的第二端的端面，所述第二金属膜位于所述辅助光纤的第一端的端面。

可选地，所述折射率传感器还包括：第三金属膜；

所述第三金属膜位于所述第二偏心光纤的第二端的端面。

可选地，所述第一金属膜和所述第二金属膜的反射率为3%至8%中的任一值。

可选地，所述折射率传感器还包括：第二单模光纤；

所述第二单模光纤的第一端用于与所述光纤连接器连接，所述第二单模光纤的第二端与所述第一偏心光纤的第一端错位连接。

根据本申请实施例的第二个方面，提供了一种折射率传感系统，该折射率传感系统包括：宽带光源、光纤连接器、光谱仪和第一方面所述的折射率传感器；

所述宽带光源与所述光纤连接器的第一端连接，所述光纤连接器的第二端与所述折射率传感器连接，所述光纤连接器的第三端与所述光谱仪连接。

根据本申请实施例的第三个方面，提供了一种装置，该装置包括第二方面所述的折射率传感系统，所述折射率传感系统用于测量液体的折射率。

本申请实施例通过将第一单模光纤的两端分别与第一偏心光纤的第二端和辅助光纤的第一端错位连接，在第一偏心光纤的第二端、第一单模光纤的外壁和辅助光纤的第一端之间形成液体腔。本申请中液体腔位于第一单模光纤的表面，减小了液体腔的深度，便于液体注入，且液体在注入液体腔的时候不容易产生气泡，提高了液体注入速率，从而也提高了折射率传感器的测量效率。

上述说明仅是本申请实施例技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请实施例的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请实施例的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本申请的具体实施方式。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本申请实施例提供的一种折射率传感器的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的另一种折射率传感器的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种折射率传感系统的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种第一干涉谱和第三干涉谱的示意图，其中，图4中的（a）图为第一干涉谱的示意图，图4中的（b）图为第三干涉谱的示意图；

图5为本申请实施例提供的一种包络谱的示意图；

图6为本申请实施例提供的一种第一干涉谱和第三干涉谱随折射率的变化发生平移的示意图，其中，图6中的（a）图为第一干涉谱随折射率的变化发生平移的示意图，图6中的（b）图为第三干涉谱随折射率的变化发生平移的示意图；

图7为本申请实施例提供的一种包络谱随折射率的变化发生平移的示意图，其中，图7中的（a）图为待测液体的折射率是1.400时包络谱的示意图，图7中的（b）图为待测液体的折射率是1.401时包络谱的示意图；

图8为本申请实施例提供的一种第一干涉谱、第三干涉谱和包络谱峰值随待测液体折射率的变化曲线。

附图标记：

1：宽带光源，2：光纤连接器，3：折射率传感器，4：光谱仪，31：第一偏心光纤，32：第一单模光纤，33：辅助光纤，34：第一金属膜，35：第二金属膜，36：第三金属膜，37：第二单模光纤，321：液体腔，331：石英腔，M1：第一反射界面，M2：第二反射界面，M3：第三反射界面，P1：第一干涉谱，P3：第三干涉谱，P4：第一包络谱，P5：第二包络谱，X：长波方向，R：入射光，F1：第一反射光，F2：第二反射光，F3：第三反射光，Q1：第一干涉谱峰值随待测液体折射率的变化曲线，Q2：第三干涉谱峰值随待测液体折射率的变化曲线，Q3：包络谱峰值随待测液体折射率的变化曲线。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

本申请的说明书和权利要求书及附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖而不排除其它的内容。单词“一”或“一个”并不排除存在多个。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语“实施例”并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

此外，本申请的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序，可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指两个以上（包括两个），同理，“多组”指的是两组以上（包括两组）。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，机械结构的“相连”或“连接”可以是指物理上的连接，例如，物理上的连接可以是固定连接，例如通过固定件固定连接，例如通过螺丝、螺栓或其它固定件固定连接；物理上的连接也可以是可拆卸连接，例如相互卡接或卡合连接；物理上的连接也可以是一体地连接，例如，焊接、粘接或一体成型形成连接进行连接。电路结构的“相连”或“连接”除了可以是指物理上的连接，还可以是指电连接或信号连接，例如，可以是直接相连，即物理连接，也可以通过中间至少一个元件间接相连，只要达到电路相通即可，还可以是两个元件内部的连通；信号连接除了可以通过电路进行信号连接外，也可以是指通过媒体介质进行信号连接，例如，无线电波。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

图1为本申请实施例提供的一种折射率传感器的结构示意图，如图1所示，该折射率传感器包括：第一偏心光纤31、第一单模光纤32和辅助光纤33。第一偏心光纤31的第一端用于与光纤连接器2连接，第一偏心光纤31的第二端与第一单模光纤32的第一端错位连接，第一单模光纤32的第二端与辅助光纤33的第一端错位连接，第一偏心光纤31的第二端、第一单模光纤32的外壁和辅助光纤33的第一端之间形成液体腔321，第一偏心光纤31的纤芯与液体腔321连通，液体腔321用于容纳待测液体。

需要说明的是，偏心光纤指的是纤芯不在光纤的中心，而在靠近光纤表面的位置。本申请中，第一偏心光纤31的纤芯接近第一偏心光纤31的表面。第一偏心光纤31包括纤芯和包层，包层包裹在纤芯的外侧，第一偏心光纤31的外径可以是125μm（微米），其纤芯直径可以是10μm，纤芯距离第一偏心光纤31的表面的距离可以是10至20μm，或者可以是更小的数值，这样，便于在第一偏心光纤31的第二端、第一单模光纤32的外壁和辅助光纤33的第一端之间形成深度较浅的表面微腔（即，液体腔321，该液体腔321为法布里-珀罗传感干涉计）。

第一单模光纤32也包括纤芯和包层，包层也包裹在纤芯的外侧，第一单模光纤32的直径可以是125μm，其纤芯直接可以是10μm。辅助光纤33可以是空心光纤、偏心光纤、单模光纤等，辅助光纤33的直径也可以是125μm，辅助光纤33在此处用于为进入液体腔321的光提供反射面。

为了便于形成深度较浅的液体腔321，本申请实施例在制备折射率传感器时，可以先将第一偏心光纤31的第二端与第一单模光纤32的第一端错位熔接，在第一偏心光纤31的第二端形成第一反射界面M1。其中，该错位熔接使得第一偏心光纤31的纤芯暴露出来能与液体腔321连通，且较优地，可以是第一偏心光纤31的纤芯恰好完全暴露出来与液体腔321连通，这样，进入第一偏心光纤31纤芯的光恰好能全部进入液体腔321，且可以保证液体腔321深度较浅，因此，可以在保证液体腔321深度较浅的同时减少光的损耗。再切割第一单模光纤32使得切割后的第一单模光纤32的长度达到第一预设长度（第一预设长度可以是100至200μm中的任一数值）。然后，将第一单模光纤32的第二端与辅助光纤33的第一端错位熔接，在辅助光纤33的第一端形成第二反射界面M2。其中，该错位熔接使得辅助光纤33的外壁与第一偏心光纤31的外壁差不多平齐，这样便于形成深度较浅的液体腔321。之后，切割辅助光纤33至第二预设长度。最后，在形成深度较浅的液体腔321之后，便可以向该液体腔321中填充待测液体，通过该折射率传感器检测待测液体的折射率。

进一步地，当该折射率传感器是如上面实施例的单腔结构时，即仅具有液体腔321时，为了避免透过第二反射界面M2进入辅助光纤33的光从辅助光纤33的第二端反射后进入液体腔321，影响该折射率传感器的灵敏度，本申请实施例可以将辅助光纤33的第二端的端面设置成斜面，且与辅助光纤33的第一端的端面之间可以具有预设夹角，且该夹角的度数不等于零。当该预设夹角设置地合适，辅助光纤33的第二端的端面将不会有光反射回液体腔321。

其中，预设夹角可以根据光的传输原理确定，且预设夹角的度数可以是大于或等于7度的任一数值，例如，预设夹角的度数可以是8度、10度等，只要保证透过第二反射界面M2进入辅助光纤33的光不会从辅助光纤33的第二端反射回液体腔321即可，本申请实施例对此不作限定。

在一些实施例中，为了使本申请实施例提供的折射率传感器具有双腔游标效应，以提高该折射率传感器的灵敏度，辅助光纤33可以为第二偏心光纤。第二偏心光纤的纤芯也与液体腔321连通，第二偏心光纤的纤芯构成石英腔331，石英腔331的自由光谱范围是液体腔321的自由光谱范围的预设倍数。

当辅助光纤33为第二偏心光纤时，第二偏心光纤的第一端与第一单模光纤32的第二端错位熔接，如果该错位熔接使得第二偏心光纤的纤芯与液体腔321连通，则第二偏心光纤的纤芯可以构成该折射率传感器的石英腔331，如此可以形成双腔级联结构。在这种结构下，第二偏心光纤的第二端形成第三反射界面M3，透过第二反射界面M2的光进入石英腔331后，一部分在第三反射界面M3处发生反射，剩余部分透过第三反射界面M3进入空气。

在制备该具有双腔级联结构的折射率传感器时，不同于单腔结构的是，在切割完第一单模光纤32后，将第一单模光纤32的第二端与第二偏心光纤的第一端错位熔接。其中，该熔接使得第二偏心光纤的纤芯暴露出来能与液体腔321连通，且较优地，可以是第二偏心光纤的纤芯恰好完全暴露在第一单模光纤32的外壁之外与液体腔321连通，此时第一偏心光纤31的纤芯与第二偏心光纤的纤芯相对，或者说第一偏心光纤31的纤芯与第二偏心光纤的纤芯在一条直线上，这样，进入液体腔321的光能尽可能多地进入石英腔331，损耗较小，且可以保证液体腔321深度较浅。再切割第二偏心光纤，使得第二偏心光纤的长度达到第二预设长度。其中，该第二预设长度可以根据石英腔331的自由光谱范围和液体腔321的自由光谱范围的预设倍数来确定。该预设倍数可以是大于或等于0.9且小于或等于0.99，也可以是大于或等于1.01且小于或等于1.10，本申请实施例对此不作限定。

值得注意的是，本申请中既可以是石英腔331的自由光谱范围是液体腔321的自由光谱范围的预设倍数，也可以是液体腔321的自由光谱范围是石英腔331的自由光谱范围的预设倍数，只要保证液体腔321的自由光谱范围和石英腔331的自由光谱范围接近但不相等，能产生游标效应即可。

一般地，折射率传感器在测量液体折射率时，如果反射界面两侧介质的折射率相近（一般反射界面一侧的介质为石英，另一侧的介质为待测液体），则该反射界面的反射率将较低，从而无法测量出一些折射率与石英相近的液体的折射率，因此，在一些实施例中，如图2所示，为了提高第一反射界面M1和第二反射界面M2的反射率，以增大该折射率传感器的折射率测量范围，该折射率传感器还可以包括第一金属膜34和第二金属膜35。第一金属膜34位于第一偏心光纤31的第二端的端面，第二金属膜35位于辅助光纤33的第一端的端面。

第一金属膜34和第二金属膜35的材质可以相同，也可以不相同。第一金属膜34和第二金属膜35的厚度较薄，且两者的反射率均可以为3%至8%之间的任一数值。

在第一反射界面M1镀第一金属膜34可以提高第一反射界面M1的反射率，在第二反射界面M2镀第二金属膜35可以提高第二反射界面M2的反射率，从而可以增大该折射率传感器的折射率测量范围。也就是说，本申请实施例可以测量的折射率范围大，对待测液体没有折射率范围的要求，不仅可以测折射率与石英折射率相差较大的液体，还可以测折射率与石英折射率相近的液体。

在一些实施例中，由于光在经过第一偏心光纤31、液体腔321和第二偏心光纤之后均会有损耗，从而从第三反射界面M3反射回石英腔331的光较弱，为了提高第三反射界面M3的反射率以提高从第三反射界面M3反射的光的强度，来提高该折射率传感器的灵敏度，如图2所示，该折射率传感器还可以包括第三金属膜36。第三金属膜36位于第二偏心光纤的第二端的端面。

第三金属膜36的材质可以与第一金属膜34和第二金属膜35的材质相同，也可以不同。第三金属膜36的厚度较薄且其反射率可以为3%至8%之间的任一数值。

值得指出的是，如果光在经过第一偏心光纤31、液体腔321和第二偏心光纤之后损耗过大，可以再适当提高第三金属膜36的反射率，使得从第三反射界面M3反射的光与第一反射界面M1反射的光，以及从第二反射界面M2反射的光的强度相当。这样，可以提高该折射率传感器的检测准确度。

在一些实施例中，如图2所示，该折射率传感器还可以包括：第二单模光纤37。第二单模光纤37的第一端用于与光纤连接器2连接，第二单模光纤37的第二端与第一偏心光纤31的第一端错位连接。

需要说明的是，第二单模光纤37的结构和尺寸可以与第一单模光纤32的相同。在第一偏心光纤31的第一端错位连接第二单模光纤37，可以更好地适配现有的光纤连接器。

在该实施例中，与前面的制备折射率传感器时的不同点在于，首先要将第二单模光纤37的第二端与第一偏心光纤31的第一端错位熔接，然后切割第一偏心光纤31，将第一偏心光纤31的第二端与第一单模光纤32的第一端错位熔接。较优地，可以是第二单模光纤37的第二端与第一偏心光纤31的第一端对芯熔接，即，将第二单模光纤37的纤芯与第一偏心光纤31的纤芯熔接在一起。这样，进入第二单模光纤37的光可以几乎没有损耗地进入第一偏心光纤31，有利于提高该折射率传感器的测量精度。

本申请实施例中，通过将第一单模光纤32的两端分别与第一偏心光纤31的第二端和辅助光纤33的第一端错位连接，在第一偏心光纤31的第二端、第一单模光纤32的外壁和辅助光纤33的第一端之间形成液体腔321。本申请中液体腔321位于第一单模光纤32的表面，减小了液体腔321的深度，便于液体注入，且液体在注入液体腔321的时候不容易产生气泡，提高了液体注入速率，从而也提高了折射率传感器的测量效率。

图3为本申请实施例提供的一种折射率传感系统的结构示意图。如图3所示（图3中箭头代表光信号的传输方向），该折射率传感系统包括：宽带光源1、光纤连接器2、光谱仪4和前面任一实施例的折射率传感器3。宽带光源1与光纤连接器2的第一端连接，光纤连接器2的第二端与折射率传感器3连接，光纤连接器2的第三端与光谱仪4连接。

需要说明的是，宽带光源1用于提供光源，且宽带光源1可以提供任一波长的光，例如，可以提供波长为1200nm（纳米）至1600nm的光。

另外，光纤连接器2用于连接光纤器件，光纤连接器2可以是光纤环形器和光纤耦合器中的任意一种。光纤连接器2还可以传输光，宽带光源1发出的入射光R可以经过光纤连接器2进入折射率传感器3，从折射率传感器3反射回来的光也可以经过光纤连接器2进入光谱仪4。光谱仪4用于接收折射率传感器3反射回来的光并基于该反射回来的光测出折射率传感器3的干涉谱。

其中，为了保证光传输的单方向性，还可以在宽带光源1与光纤连接器2之间设置光纤隔离器，从而宽带光源1发出的光可以经过光纤隔离器进入光纤连接器2，但不能从光纤隔离器返回至宽带光源1，从而不会对宽带光源1造成损害。

以上面实施例的双腔级联结构的折射率传感器3为例，本申请提供的温度传感系统中，宽带光源1发出的入射光R经过光纤连接器2进入折射率传感器3中第二单模光纤37，然后进入第一偏心光纤31。进入第一偏心光纤31的入射光R中的一部分在第一反射界面M1处发生反射，产生第一反射光F1，剩余部分透过第一反射界面M1进入液体腔321。透过第一反射界面M1进入液体腔321的光中的一部分在第二反射界面M2处发生反射，产生第二反射光F2，剩余部分透过第二反射界面M2进入石英腔331。进入石英腔331的入射光R中的一部分在第三反射界面M3处发生反射，产生第三反射光F3，剩余很小部分透过第三反射界面M3进入空气。折射率传感器3反射回来的第一反射光F1、第二反射光F2和第三反射光F3可以经过光纤连接器2进入光谱仪4。光谱仪4根据第一反射光F1和第二反射光F2可以测得第一干涉谱P1（如图4中的（a）图所示），根据第二反射光F2和第三反射光F3可以测得第二干涉谱。

另外，本申请实施例中第一反射界面M1和第三反射界面M3之间可以构成复合腔，且第一反射光F1和第三反射光F3相遇后也能产生干涉，光谱仪4根据第一反射光F1和第三反射光F3可以测得第三干涉谱P3（如图4中的（b）图所示）。

在一些实施例中，折射率传感器3反射回来的光包括第一反射光F1、第二反射光F2和第三反射光F3，总的复振幅可以通过如下第一表达式表示：

（1）

其中，E_r（λ）是折射率传感器3的总反射光复振幅，A是第一反射光F1的振幅，B是第二反射光F2的振幅，C是第三反射光F3的振幅，n₁是待测液体的折射率，n₂是石英的折射率，L₁是液体腔321的腔长，L₂是石英腔331的腔长，λ是入射光R的波长。

其中，A、B和C可以通过如下第二表达式表示：

（2）

其中，E₀是入射光R的振幅，R₁是第一反射界面M1的反射率，R₂是第二反射界面M2的反射率，R₃是第三反射界面M3的反射率，α是液体腔321内光的损耗系数。

根据第一表达式可知，该折射率传感器3的干涉谱可以通过如下第三表达式表示：

（3）

其中，I_r（λ）是折射率传感器3的干涉谱的强度。上述第三表达式中包括四部分，第一部分表示直流分量，I_cd=A²+B²+C²，第二部分表示液体腔321的干涉谱（即第一干涉谱P1），第三部分表示复合腔的干涉谱（即第三干涉谱P3），为高频分量，第四部分表示石英腔331的干涉谱（即第二干涉谱）。

由第二表达式可知，A>B>C，因此，第三表达式中第四部分的振幅明显小于第二部分和第三部分，可见，该折射率传感器3中液体腔321和复合腔起主要作用，而石英腔331起次要作用。为了便于分析，后续将忽略第四部分对干涉谱的影响。同时，考虑到直流分量对干涉谱形状无影响，因此第一部分也可以忽略不计。因此，上述第三表达式简化后可以得到如下第四表达式：

（4）

在一些实施例中，液体腔321干涉谱的第m₁个波谷或波峰对应的波长和复合腔的第m₂个波谷或波峰对应的波长可以通过如下第五表达式表示：

（5）

其中，λ _m1是第一干涉谱P1中第m₁个波谷或波峰对应的波长，λ _m2是第三干涉谱P3中第m₂个波谷或波峰对应的波长。需要说明的是，第一干涉谱P1具有N1个波峰或波谷，N1是大于0的整数，m₁是大于0且小于或等于N1的整数，第三干涉谱P3具有N2个波峰或波谷，N2是大于0的整数，m₂是大于0且小于或等于N2的整数。

将上述第五表达式对待测液体折射率n₁求导，可得液体腔321的折射率灵敏度和复合腔的折射率灵敏度，如下述第六表达式所示：

（6）

其中，S₁是液体腔321的折射率灵敏度，S₂是复合腔的折射率灵敏度。

由于石英腔331的光程n₂L₂与液体腔321的光程n₁L₁接近（），则石英腔331的自由光谱范围和液体腔321的自由光谱范围接近，所以该折射传感器将产生游标效应（该游标效应不同于普通游标效应，普通游标效应只出现单个包络谱），该折射传感器的干涉谱中将出现两个自由光谱范围相同、相位差为π的包络谱，包括第一包络谱P4（如图5中箭头所指示的虚线）和第二包络谱P5（如图5中箭头所指示的实线），这两个包络谱包络可以近似通过如下第七表达式表示：

（7）

其中，I_Envelope-1（λ）是第一包络谱P4的强度，I_Envelope-2（λ）是第二包络谱P5的强度，D是这两个包络谱的振幅。

在一些实施例中，基于第六表达式，该折射率传感器3的包络谱的折射率灵敏度可以通过如下第八表达式表示：

（8）

其中，S_Envelope是该折射率传感器3的包络谱的折射率灵敏度，M为常规游标效应的放大倍率。上面第八表达式中的游标效应放大因子可以通过如下第九表达式表示：

（9）

其中，FSR₁和FSR₂分别表示液体腔321和复合腔的自由光谱范围。上面第九表达式中的液体腔321和复合腔的自由光谱范围可以通过如下第十表达式表示：

（10）

将上面第六表达式带入第八表达式，同时考虑到，则该折射率传感器3的折射率灵敏度可以通过如下第十一表达式表示：

（11）

根据上面第十一表达式可知，该折射率传感器3的折射率灵敏度比单个液体腔321的折射率灵敏度提高了M/2倍，比复合腔提高了M倍。因此，本申请实施例提供的双腔级联结构的折射率传感器3的灵敏度明显大于单个液体腔321的灵敏度。

图6示出了一种第一干涉谱P1和第三干涉谱P3随折射率的变化发生平移的示意图，其中，图6中的（a）图为第一干涉谱P1随折射率的变化发生平移的示意图，图6中的（b）图为第三干涉谱P3随折射率的变化发生平移的示意图，液体腔321的自由光谱范围（FSR₁）分别为4.8nm，复合腔的自由光谱范围（FSR₂）为2.6nm，满足游标效应产生条件（），能产生两个包络谱。图7示出了一种包络谱随折射率的变化发生平移的示意图，其中，图7中的（a）图为待测液体的折射率是1.400时包络谱的示意图，图7中的（b）图为待测液体的折射率是1.401时包络谱的示意图，如图6和图7可以看出，当待测液体的折射率由1.400变化到1.401时，液体腔321的干涉谱（即，第一干涉谱P1）、复合腔的干涉谱（即，第三干涉谱P3）和包络谱（包括第一包络谱P4和第二包络谱P5）均向长波方向X平移，第一干涉谱P1移动1.10nm，第三干涉谱P3移动0.55nm，而包络谱移动了9nm，可见，包络谱的平移量明显大于第一干涉谱P1和第三干涉谱P3的平移量。

图8示出了一种第一干涉谱P1、第三干涉谱P3和包络谱峰值随待测液体折射率的变化曲线，根据第一干涉谱峰值随待测液体折射率的变化曲线Q1可知液体腔321的折射率灵敏度为1100nm/RIU，根据第三干涉谱峰值随待测液体折射率的变化曲线Q2可知复合腔的折射率灵敏度为500nm/RIU，根据包络谱峰值随待测液体折射率的变化曲线Q3可知包络谱的折射率灵敏度为7883nm/RIU。由此可见，包络谱的折射率灵敏度相对于液体腔321提高了7.2倍，相对于复合腔提高了14.4倍。

在一些实施例中，本申请还提供了一种装置，该装置包括前述实施例的折射率传感系统，其中折射率传感系统用于检测液体折射率。

综上所述，本申请实施例通过将第一单模光纤32的两端分别与第一偏心光纤31的第二端和辅助光纤33的第一端错位连接，在第一偏心光纤31的第二端、第一单模光纤32的外壁和辅助光纤33的第一端之间形成液体腔321。本申请中液体腔321位于第一单模光纤32的表面，减小了液体腔321的深度，因此便于液体注入，且在液体注入液体腔321的时候不容易产生气泡，提高了液体注入速率，从而也提高了折射率传感器的测量效率。

本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本申请的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种折射率传感器，其特征在于，所述折射率传感器包括：第一偏心光纤(31)、第一单模光纤(32)和辅助光纤(33)；

所述第一偏心光纤(31)的第一端用于与光纤连接器(2)连接，所述第一偏心光纤(31)的第二端与所述第一单模光纤(32)的第一端错位连接，所述第一单模光纤(32)的第二端与所述辅助光纤(33)的第一端错位连接，所述第一偏心光纤(31)的第二端、所述第一单模光纤(32)的外壁和所述辅助光纤(33)的第一端之间形成液体腔(321)，所述液体腔(321)用于容纳待测液体；

所述辅助光纤(33)为第二偏心光纤，所述第一偏心光纤(31)的纤芯和所述第二偏心光纤的纤芯相对，且所述第一偏心光纤(31)的纤芯和所述第二偏心光纤的纤芯恰好完全暴露在所述第一单模光纤(32)的外壁之外与所述液体腔(321)连通。

2.根据权利要求1所述的折射率传感器，其特征在于，所述第二偏心光纤的纤芯构成石英腔(331)，所述石英腔(331)的自由光谱范围是所述液体腔(321)的自由光谱范围的预设倍数。

3.根据权利要求2所述的折射率传感器，其特征在于，所述预设倍数大于或等于0.9且小于或等于0.99，或者，所述预设倍数大于或等于1.01且小于或等于1.10。

4.根据权利要求1所述的折射率传感器，其特征在于，所述折射率传感器还包括：第一金属膜(34)和第二金属膜(35)；

所述第一金属膜(34)位于所述第一偏心光纤(31)的第二端的端面，所述第二金属膜(35)位于所述辅助光纤(33)的第一端的端面。

5.根据权利要求2所述的折射率传感器，其特征在于，所述折射率传感器还包括：第三金属膜(36)；

所述第三金属膜(36)位于所述辅助光纤(33)的第二端的端面。

6.根据权利要求4所述的折射率传感器，其特征在于，所述第一金属膜(34)和所述第二金属膜(35)的反射率为3％至8％中的任一值。

7.根据权利要求1所述的折射率传感器，其特征在于，所述折射率传感器还包括：第二单模光纤(37)；

所述第二单模光纤(37)的第一端用于与所述光纤连接器(2)连接，所述第二单模光纤(37)的第二端与所述第一偏心光纤(31)的第一端错位连接。

8.一种折射率传感系统，其特征在于，所述折射率传感系统包括：宽带光源(1)、光纤连接器(2)、光谱仪(4)和权利要求1-7任一项所述的折射率传感器(3)；

所述宽带光源(1)与所述光纤连接器(2)的第一端连接，所述光纤连接器(2)的第二端与所述折射率传感器(3)连接，所述光纤连接器(2)的第三端与所述光谱仪(4)连接。

9.一种装置，其特征在于，所述装置包括权利要求8所述的折射率传感系统，所述折射率传感系统用于测量液体的折射率。

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