CN201724901U

CN201724901U - 光纤布拉格光栅折射率传感器

Info

Publication number: CN201724901U
Application number: CN2010202094706U
Authority: CN
Inventors: 蒙红云; 黄旭光
Original assignee: South China Normal University
Current assignee: South China Normal University
Priority date: 2010-05-31
Filing date: 2010-05-31
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2020-05-31

Abstract

本实用新型公开了光纤布拉格光栅折射率传感器，包括宽带光源(1)、光纤耦合器(2)、传输光纤(3)、光纤传感头(4)和光谱仪(5)，所述宽带光源(1)连接到光纤耦合器(2)的输入端，光纤耦合器(2)的一输出端通过传输光纤(3)与到光纤传感头(4)连接，光纤耦合器(2)的另一输出端与光谱仪(5)连接，光纤传感头(4)反射的光通过光纤耦合器(2)传输到光谱仪(5)，光谱仪(5)与计算机(6)通信连接；所述光纤传感头(4)为带尾纤的普通光纤布拉格光纤光栅。本传感器可实现折射率测量，也可以实现折射率和温度的同时测量，具有实时在线和远程检测的能力，测量范围大、灵敏度高、稳定性强、操作方便。

Description

光纤布拉格光栅折射率传感器

技术领域

本实用新型涉及一种折射率传感器，尤其涉及一种光纤布拉格光栅的折射率传感器。

背景技术

折射率在物理、生物、化学等学科领域是一个很重要的参数，对其精确测量在化工、医药、食品等相关工业部门有重要意义和用途。因此，许多的测量折射率的方法应运而生。传统的测量方法有掠入射法、衍射光栅法、激光照射法和CCD测量法，还有宽带吸收光谱法、滴定法和荧光淬火等测量方法，但是大多数这些方法都只局限于可见光范围而且都是取样的方法，不能进行实时的监控。随后，光声、SPR传感器和拉曼光谱等一些新技术相继出现，但是这些方法价格昂贵并且不易操作。基于长周期光纤光栅的折射率计具有较高的灵敏度，但是由于长周期光纤光栅受自身的弯曲影响大，可靠性受到大大影响。基于法布里-珀罗腔的折射率计，虽然具有体积小的优点，但是制造复杂且昂贵，易受光源稳定性的影响。当前基于光纤布拉格光栅的折射率传感方法，都是通过去除光纤包层，利用光纤渐逝波（evanescent field）与外界（待测折射率物质）相互作用，引起光纤光栅布拉格波长移动来实现折射率的测量。这种方法缺点是由于光纤的包层被去除，可承受的强度减弱，影响传感器的应用，同时成本上升。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供光纤布拉格光栅折射率传感器，具体技术方案如下。

一种光纤布拉格光栅折射率传感器，包括宽带光源、光纤耦合器、传输光纤、光纤传感头、光谱仪和计算机，所述宽带光源连接到光纤耦合器的输入端，光纤耦合器的一输出端通过传输光纤与到光纤传感头连接，光纤耦合器的另一输出端与光谱仪的输入端连接，光纤传感头反射的光通过光纤耦合器传输到光谱仪的输入端；所述光纤传感头为带尾纤的普通光纤布拉格光纤光栅。

上述的光纤布拉格光栅折射率传感器中，还包括用于接收光谱仪的输出数据并计算折射率的计算机，光谱仪输出端与所述计算机通信连接。

上述的光纤布拉格光栅折射率传感器中，所述光纤传感头由普通单模光纤和刻在该普通单模光纤上的光纤布拉格光栅构成。

上述的光纤布拉格光栅折射率传感器中，所述普通单模光纤为未经去除包层处理的单模光纤。

上述的光纤布拉格光栅折射率传感器中，光纤传感头的所述尾纤长度大于光源的相干长度,尾纤端面与尾纤长度方向垂直。

上述的光纤布拉格光栅折射率传感器中，光纤耦合器的分光比为10％～90％：90%～10％。

上述的光纤布拉格光栅折射率传感器中，所述宽带光源为C-波段（1520nm-1570nm）的光纤宽带光源，所述传输光纤为普通单模光纤。

上述的光纤布拉格光栅折射率传感器中，所述光纤传感头是带尾纤的普通光纤布拉格光纤光栅，布拉格波长在所述宽带光源波长范围内，反射率为任意。

上述的光纤布拉格光栅折射率传感器中，计算机根据布拉格光纤光栅的边模抑制比随其尾纤端面所处的待测材料折射率而变化的规律，计算出待测材料折射率。

进行测量时，光纤传感头插入待测物质（如液体）中。布拉格光纤光栅的边模抑制比随其尾纤端面所处的待测材料折射率而变化的规律原理如下：

布拉格光纤光栅的反射率

随波长

的变化可以表示为：

(1)

其中

(2)

为光纤光栅布拉格波长，

为光纤纤芯的折射率变化, 为光纤光栅的光栅周期,

为光纤光栅的周期数，

为纤芯中的功率百分比，V为光纤光栅的结构常数。当波长远离布拉格波长时，有

。光纤光栅尾纤端面的菲涅耳反射

与波长无关，表示为：

(3)

其中

为纤芯折射率，

为所需测量材料的折射率。

当光纤布拉格光栅到尾纤端面的长度大于经过光源的相干长度时，布拉格波长位置的反射强度

为：

(4)

在远离布拉格波长位置的反射光强

可以表示为：

(5)

于是，得到光纤光栅的边模抑制比SMSR为

(6)

如果，

并且

足够大，则有

(7)

公式（6）和（7）表明，光纤布拉格光栅的边模抑制比与布拉格光栅的峰值反射率和尾纤端面反射率有关。通过测量光纤布拉格光栅的边模抑制比，即可以获得所需测量材料的折射率。

本实用新型与现有技术相比，具有如下的优点：

（1）本实用新型的传感器可以很好地消除光源的不稳定性以及传感系统内部光路分支中不同损耗引起的测量误差、降低了外界环境变化对测量带来的影响，提高了测量精度；

（2）本实用新型的传感器可以实现对折射率与温度的同时测量；

（3）本实用新型的传感器结构简单，不需要对光纤布拉格光栅做腐蚀等去除光纤包层的处理；

（4）除了用于一般性液体检测外，还可对微量、危险液体检测，以及进行气态或固体物质的折射率测量。此外，本实用新型也可以应用于聚合物固化过程监控，因为材料固化时由液相向固相的转变会反映在材料的折射率变化上，所以此过程的监测可以通过测试其折射率变化来进行；

（5）本实用新型的光纤传感器可以实现折射率的测量，也可以实现折射率和温度的同时测量。本实用新型光纤布拉格光栅中的渐逝波与外界没有相互作用，因此光纤布拉格波长不随外界折射率而变化。所以，本实用新型的传感器还可以利用光纤布拉格光栅的热光效应（光纤布拉格波长随温度而变化，一般为0.01nm/℃）来进行温度测量，即实现折射率和温度的同时测量。

附图说明

图1是本实用新型实施方式中的光纤布拉格光栅折射率传感器构成示意图。

图2是图1所示光纤传感头结构示意图。

图3是光纤传感头与待测物质的分界面时的光路图。

图4是本实用新型的传感器在不同折射率溶液中的反射光谱。

图5是应用本实用新型的传感器进行不同折射率溶液测量的数据结果与拟合曲线。

图6是应用本实用新型的传感器在不同温度溶液中的反射光谱。

图7是应用本实用新型的传感器进行不同温度溶液测量的数据结果与线性拟合曲线。

附图中，宽带光源1、光纤耦合器2、传输光纤3、光纤传感头4、光谱仪5、计算机6、光纤布拉格光栅7、普通单模光纤8、待测液体9，光纤传感头与待测物的分界面10。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施作进一步详细的说明，但本实用新型的实施和保护范围不限于此，对本实用新型作实质相同的等同替换均属于本实用新型的保护范围。

参见图1，光纤布拉格光栅折射率传感器包括宽带光源1、光纤耦合器2、传输光纤3、光纤传感头4、光谱仪5和计算机6。其中，宽带光源1连接到光纤耦合器2的一端，光纤耦合器2的另一端通过传输光纤3连接到光纤传感头4，经过光纤传感头4反射的光通过光纤耦合器2连接到光谱仪5，计算机6与光谱仪5通信连接，进行数据处理。具体是由光谱仪测量出传感头处于不同折射率溶液中的反射光谱，其相应数据输入到计算机，通过计算获得光纤光栅的边模抑制比，根据上述公式（6）或者（7）即可获得溶液的折射率；实现温度测量时，通过光谱仪测量不同温度下的反射光谱，通过计算机计算出光纤光栅布拉格波长的漂移量，进而可以反推出温度的变化。

图2中所示即为本实用新型的光纤传感头结构示意图，它由光纤布拉格光栅7和普通单模光纤8组成，光纤布拉格光栅7和普通单模光纤8为同一根单模光纤，光纤布拉格光栅7为刻录在单模光纤上的布拉格光纤光栅。

在图3中，4表示图1所示的光纤传感头，9表示待测的液体，10表示光纤传感头与待测物的分界面。

在实用新型中，所述的宽带光源1波长范围为1520nm-1570nm。光纤耦合器2的分光比为（10％～90％）：（90%～10％），比较常用的是50％：50％。传输光纤3为普通单模光纤。

为了进一步检验本实用新型的可行性，特进行如下的实例：

实例1：

在实例中，应用本实用新型光纤传感器测量不同折射率溶液的反射光谱图，如图4所示，图中曲线a、b、c和d分别对应光纤传感头放置于空气、纯净水、12%质量百分比蔗糖溶液和24%质量百分比蔗糖溶液中的结果。从图4可以看出，光纤布拉格光栅的边模抑制比随光纤传感头所置溶液折射率的增大而增大。

表1为光纤布拉格光栅边模抑制比与不同质量百分比浓度的同一液体（蔗糖溶液）折射率的变化关系表。

表1

蔗糖溶液浓度（%）	对应折射率	边模抑制比/dB
			0	1.3119	24.15
0.038461538	1.31761	24.46
			0.074074074	1.3229	24.81
0.107142857	1.32781	25.16
			0.137931034	1.33238	25.48
0.166666667	1.33665	25.86
			0.193548387	1.34064	26.23
0.21875	1.34438	26.57
			0.242424242	1.3479	26.92
0.264705882	1.35121	27.31
			0.285714286	1.35433	27.68
0.305555556	1.35727	28.04
			0.324324324	1.36006	28.34

在图5中，是应用本实用新型进行不同浓度蔗糖溶液折射率测量的数据结果与线性拟合曲线。图中的实线为理论曲线，小方点为实例测量值，可见，测量值能很好地与理论值相符合。

实例2：

在本实例中，应用本实用新型的传感器测量了15%质量百分比蔗糖溶液随温度的变化情况，如图6所示，蔗糖溶液温度分别为30^oC和60^oC的传感器反射光谱图，可以看出，光纤布拉格光栅的布拉格波长随温度增大而向长波方向移动，且其边模抑制比保持不变（蔗糖溶液折射率随温度变化不明显）。

表2为光纤布拉格光栅的布拉格波长随温度的变化关系表。

表2

温度/^oC	布拉格波长/nm
			1536.40
35	1536.44
		40	1536.50
45	1536.55
		50	1536.60
55	1536.64
		60	1536.69

在图7中，是应用本实用新型进行相同浓度蔗糖溶液温度测量的数据结果与线性拟合曲线。图中的实线为理论曲线，小方点为实例测量值，可见，测量值能很好地与理论值相符合，R²（线性相关度的平方）高达0.998，布拉格波长随温度的变化为0.0098nm/℃。

由于光纤布拉格光栅的边模抑制比和布拉格波长与折射率和温度不产生交叉敏感作用，因此本传感器可以单独应用于折射率测量以及折射率和温度的同时测量。

Claims

1.光纤布拉格光栅折射率传感器，其特征在于包括宽带光源(1)、光纤耦合器(2)、传输光纤(3)、光纤传感头(4)和光谱仪(5)，所述宽带光源(1)连接到光纤耦合器(2)的输入端，光纤耦合器(2)的一输出端通过传输光纤(3)与到光纤传感头(4)连接，光纤耦合器(2)的另一输出端与光谱仪(5)的输入端连接，光纤传感头(4)反射的光通过光纤耦合器(2)传输到光谱仪(5)输入端；所述光纤传感头（4）为带尾纤的普通光纤布拉格光纤光栅。

2.如权利要求1所述的光纤布拉格光栅折射率传感器，其特征在于还包括用于接收光谱仪的输出数据并计算折射率的计算机(6)，光谱仪(5)的输出端与所述计算机（6）通信连接。

3.如权利要求1所述的光纤布拉格光栅折射率传感器，其特征在于所述光纤传感头（4）由普通单模光纤和刻在该普通单模光纤上的光纤布拉格光栅（7）组成。

4.如权利要求3所述的光纤布拉格光栅折射率传感器，其特征在于所述普通单模光纤为未经去除包层处理的单模光纤。

5.如权利要求1所述的所述的光纤布拉格光栅折射率传感器，其特征在于光纤传感头的所述尾纤长度大于光源的相干长度,尾纤端面与尾纤长度方向垂直。

6.如权利要求1所述的光纤布拉格光栅折射率传感器，其特征在于光纤耦合器的分光比为10％～90％：90%～10％。

7.如权利要求1～6任一项所述的光纤布拉格光栅折射率传感器，其特征在于所述传输光纤为普通单模光纤。