一种基于倏逝波原理的光纤传感器仿真方法技术

一种基于倏逝波原理的光纤传感器仿真方法，基于传感器仿真领域，通过计算出传感器指示剂染料的材料在不同光波长下的复折射率光谱，然后确定传感器结构的有限元模型，设置材料厚度并将材料的复折射率光谱加载到传感器感应区间内，经过仿真计算得到光纤传感器的光强传输比光谱，最后将光纤传感器的光强传输比光谱转化为光纤传感器的吸光率光谱，判断出指示剂染料的创新是否合理，大大降低了设计成本，对设计指示剂染料有重要指导意义。

【技术实现步骤摘要】
一种基于倏逝波原理的光纤传感器仿真方法
本专利技术涉及传感器仿真领域，特别涉及一种基于倏逝波原理的光纤传感器仿真方法。
技术介绍
目前，行业内对基于倏逝波原理的光纤传感器的功能及性能验证基本通过加工制造后在实验室进行实验，一般来说，对基于倏逝波原理的光纤传感器的创新主要有以下三个方面：第一，通过改变传感器结构，例如直式探头变化为U型探头，增加材料对光在传播过程中的吸收；第二，采用新的指示剂染料与被测物发生反应，从而造成不同波段光的传播损耗；第三，对凝胶-溶胶工艺技术的改进。而对基于倏逝波原理的光纤传感器的仿真在工程中未找到应用，而实际上，通过仿真技术可以在实际加工前验证结构及指示剂染料的创新是否合理，大大降低设计成本，对工程项目具有重大意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：提供了一种基于倏逝波原理的光纤传感器仿真方法，计算出传感器指示剂染料的材料在不同光波长下的复折射率光谱，然后确定传感器结构的有限元模型，设置材料厚度并将材料的复折射率光谱加载到传感器感应区间内，经过仿真计算得到光纤传感器的光强传输比光谱，最后将光纤传感器的光强传输比光谱转化为光纤传感器的吸光率光谱，判断出指示剂染料的创新是否合理，解决了上述问题。本专利技术采用的技术方案如下：一种基于倏逝波原理的光纤传感器仿真方法，包括以下步骤：步骤1：计算传感器指示剂染料的材料在不同光波长下的复折射率光谱；步骤2：确定传感器结构的有限元模型，设置传感器指示剂染料的材料厚度并将所述材料的复折射率光谱加载到传感器感应区间内；步骤3：仿真计算得到光纤传感器的光强传输比光谱；步骤4：将光纤传感器的光强传输比光谱转化为光纤传感器的吸光率光谱。为了更好地实现本方案，进一步地，所述步骤S1计算指示剂染料材料在不同光波长下的复折射率光谱，包括计算复折射率的实部部分与虚部部分，复折射率表示为：N＝n-ik其中，N为指示剂染料材料的复折射率，n为复折射率的实部部分，k为复折射率的虚部部分。为了更好地实现本方案，进一步地，指示剂染料的材料复折射率光谱的实部部分计算为：根据全反射条件，假设仿真的入射光线的入射角后，根据n1sinθi＞n估算复折射率的实部值，其中，n1为纤芯折射率，θi为入射光线的入射角。为了更好地实现本方案，进一步地，所述指示剂染料的材料复折射率光谱的虚部部分计算为：通过指示剂染料材料的实际吸光率光谱计算材料的吸光系数对应波长的频谱，具体为：其中，α为材料的吸光系数，A为材料的吸光率，t为材料的厚度；再通过指示剂染料材料的吸光系数，求出其消光系数，具体为：其中，k为材料的消光系数即材料的复折射率的虚部部分，f为光的频率，c为光在真空中的传输速度。为了更好地实现本方案，进一步地，所述倏逝波的透射深度的确定方法为：式中，δ为倏逝波的透射深度，λ为光的波长。为了更好地实现本方案，进一步地，所述仿真计算得到光纤传感器的光强传输比T的方法为：其中，P0为进入光纤传感器的光的入射功率，Px为穿出光纤传感器的光的出射功率，σ为固体的电导率，E0为进入光纤传感器的光的入射电场强度，Ex为射出光纤传感器的光的电场强度；E0与Ex的关系为：其中，x为光纤传感器的长度。为了更好地实现本方案，进一步地，将光纤传感器的光强传输比T光谱转化为光纤传感器的吸光率A的方法为：A＝log10(T)。本方案所述的一种基于倏逝波原理的光纤传感器的仿真方法，可以从光纤传感器结构以及指示剂染料材料两方面去仿真其吸收率光谱来验证基于倏逝波原理的光纤传感器的功能及性能，本方案提出的仿真方法准确性高，完善了基于倏逝波原理的光纤传感器的正向设计流程，通过仿真手段将基于倏逝波原理的光纤传感器问题集中在概念设计阶段解决，缩短了传感器的设计周期。综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：1.本专利技术所述的一种基于倏逝波原理的光纤传感器仿真方法，计算出传感器指示剂染料的材料在不同光波长下的复折射率光谱，然后确定传感器结构的有限元模型，设置材料厚度并将材料的复折射率光谱加载到传感器感应区间内，经过仿真计算得到光纤传感器的光强传输比光谱，最后将光纤传感器的光强传输比光谱转化为光纤传感器的吸光率光谱，判断出指示剂染料的创新是否合理，大大降低了设计成本；2.本专利技术所述的一种基于倏逝波原理的光纤传感器仿真方法，计算出传感器指示剂染料的材料在不同光波长下的复折射率光谱，然后确定传感器结构的有限元模型，设置材料厚度并将材料的复折射率光谱加载到传感器感应区间内，经过仿真计算得到光纤传感器的光强传输比光谱，最后将光纤传感器的光强传输比光谱转化为光纤传感器的吸光率光谱，判断出指示剂染料的创新是否合理，对设计指示剂染料有重要指导意义；3.本专利技术所述的一种基于倏逝波原理的光纤传感器仿真方法，计算出传感器指示剂染料的材料在不同光波长下的复折射率光谱，然后确定传感器结构的有限元模型，设置材料厚度并将材料的复折射率光谱加载到传感器感应区间内，经过仿真计算得到光纤传感器的光强传输比光谱，最后将光纤传感器的光强传输比光谱转化为光纤传感器的吸光率光谱，判断出指示剂染料的创新是否合理，避免了多次实体测量带来的材料浪费。附图说明为了更清楚地说明本技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，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他相关的附图，其中：图1是本专利技术的方法步骤框图；图2是本专利技术的TSPP在pH＝5溶液中实际的吸收率光谱图；图3是本专利技术的TSPP染料充当光纤指示剂时仿真得出的吸收率光谱。具体实施方式为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术工作人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。下面结合图1至图3对本专利技术作详细说明。实施例1一种基于倏逝波原理的光纤传感器仿真方法，如图1，包括以下步骤：步骤1：计算传感器指示剂染料的材料在不同光波长下的复折射率光谱；步骤2：确定传感器结构的有限元模型，设置传感器指示剂染料的材料厚度并将所述材料的复折射率光谱加载到传感器感应区间内；步骤3：仿真计算得到光纤传感器的光强传输比光谱；步骤4：将光纤传感器的光强传输比光谱转化为光纤传感器的吸光率光谱。工作原理：本方案所述的一种基于倏逝波原理的光纤传感器的仿真方法，可以从光纤传感器结构以及指示剂染料材料两方面去仿真其吸收率光谱来验证基于倏逝波原理的光纤传感器的功能及性能，本方案本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于倏逝波原理的光纤传感器仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1：计算传感器指示剂染料的材料在不同光波长下的复折射率光谱；/n步骤2：确定传感器结构的有限元模型，设置传感器指示剂染料的材料厚度并将所述材料的复折射率光谱加载到传感器感应区间内；/n步骤3：仿真计算得到光纤传感器的光强传输比光谱；/n步骤4：将光纤传感器的光强传输比光谱转化为光纤传感器的吸光率光谱。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于倏逝波原理的光纤传感器仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：计算传感器指示剂染料的材料在不同光波长下的复折射率光谱；
步骤2：确定传感器结构的有限元模型，设置传感器指示剂染料的材料厚度并将所述材料的复折射率光谱加载到传感器感应区间内；
步骤3：仿真计算得到光纤传感器的光强传输比光谱；
步骤4：将光纤传感器的光强传输比光谱转化为光纤传感器的吸光率光谱。


2.根据权利要求1所述的一种基于倏逝波原理的光纤传感器仿真方法，其特征在于：所述步骤S1计算指示剂染料材料在不同光波长下的复折射率光谱，包括计算复折射率的实部部分与虚部部分，复折射率表示为：
N＝n-ik
其中，N为指示剂染料材料的复折射率，n为复折射率的实部部分，k为复折射率的虚部部分。


3.根据权利要求2所述的一种基于倏逝波原理的光纤传感器仿真方法，其特征在于：指示剂染料的材料复折射率光谱的实部部分计算为：根据全反射条件，假设仿真的入射光线的入射角后，根据n1sinθi＞n估算复折射率的实部值，其中，n1为纤芯折射率，θi为入射光线的入射角。


4.根据权利要求2或3所述的一种基于倏逝波原理的光纤传感器仿真方法，其特征在于：所述指示剂染料的材料复折射率光谱的虚部部分计算为：通过指示剂染...

【专利技术属性】
技术研发人员：许扬，李小燕，樊伟，刘兆强，薛双喜，邹波涛，
申请(专利权)人：四川泛华航空仪表电器有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51