基于游标效应的并行级联折射率传感器和折射率检测方法技术

本发明专利技术公开了基于游标效应的并行级联折射率传感器和折射率检测方法，装置包括：单模光纤L1和单模光纤L2，单模光纤L1和单模光纤L2并联，单模光纤L1剥去聚合物涂覆层；单模光纤L1的和单模光纤L2上均设置有两个半圆形弯曲，半圆形弯曲不满足全反射条件；方法包括：将单模光纤L1上游的弯曲浸入待测液体中，获取谱线的波谷波长偏移量数据；基于波长偏移量数据，从预置的波长偏移量

【技术实现步骤摘要】
基于游标效应的并行级联折射率传感器和折射率检测方法


[0001]本专利技术涉及基于游标效应的并行级联折射率传感器和折射率检测方法，属于光纤传感检测


技术介绍

[0002]光纤传感器具有结构紧凑、抗外界干扰能力强、传感信号灵敏等许多优点。近些年来，光纤传感器已被广泛地研究并应用于大量领域，如温度测量、压力传感、折射率测量、磁场探测和应变监测等。
[0003]在一系列光纤传感器中，基于游标效应的光纤传感器发展迅速，因为它能极大地提高光纤干涉传感器的灵敏度。近年来，基于游标效应有人提出了级联结构的光纤干涉仪，也有人提出了并行结构的光纤干涉仪。例如，2014年提出的利用空心光子晶体光纤(HC
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PCF)的大模场特性，将两段HC
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PCF嵌入单模光纤(SMF)中，构成级联法布里
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珀罗干涉仪(FPI)结构的游标效应光纤传感器，将其应用于应力和磁场的测量，较之单一FPI，该传感器的灵敏度提高了约29倍。2015年提出的串联Sagnac干涉仪的游标效应光纤温度传感器，较之单一Sagnac干涉仪,其灵敏度提高了约9倍。2019年提出的利用两个法布里
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珀罗干涉仪的并行配置，其应变传感灵敏度是单个开腔FPI的4.6倍。但是，目前为止，还没有文献报道出关于基于游标效应的并行级联结构的MZ光纤传感器的研究，其有广泛的研究和发展前景。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供基于游标效应的并行级联折射率传感器和折射率检测方法，本专利技术通过将单模光纤弯曲制作成折射率传感器，利用外界折射率变化会造成透射谱线偏移的现象，并利用游标效应原理放大偏移量，构造光纤干涉仪传感结构，实现对折射率进行高灵敏度测量的目的。
[0005]为达到上述目的，第一方面，本专利技术提供基于游标效应的并行级联折射率传感器，包括：
[0006]作为标尺的滑动部分用于传感的单模光纤L1和作为标尺的固定部分用于参考的单模光纤L2，所述单模光纤L1和单模光纤L2并联接入相同的光源，所述单模光纤L1剥去聚合物涂覆层；
[0007]所述单模光纤L1的和单模光纤L2上均设置有两个用作MZ干涉仪的半圆形弯曲，各所半圆形弯曲不满足全反射条件，各所述半圆形弯曲的半径不同，属于同一单模光纤上的两相邻半圆形弯曲之间的距离大于任一弯曲的半径；
[0008]沿所述单模光纤L1光线传播方向，位于上游的弯曲用于浸入待测折射率的液体中，位于下游的弯曲置于折射率恒定的环境中；
[0009]所述单模光纤L1和单模光纤L2的出口端经耦合后接入光谱分析仪。
[0010]进一步地，所述单模光纤L1的和单模光纤L2通过耦合器并联。
[0011]进一步地，各所述半圆形弯曲的半径满足：
[0012]各半圆形弯曲在的透射光谱图至少有两个完整的波谷。
[0013]第二方面，本专利技术的提供基于游标效应的并行级联折射率检测方法，包括如下步骤：
[0014]将单模光纤L1上游的弯曲浸入待测液体中，获取谱线的波谷波长偏移量数据；
[0015]基于波长偏移量数据，从预置的波长偏移量
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折射率关系曲线确定待测液体的折射率。
[0016]进一步地，预置波长偏移量
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折射率关系曲线，包括：
[0017]将单模光纤L1上游的弯曲依次置入不同折射率的液体样本中，在不同折射率液体下，获取谱线的波谷波长偏移量数据；
[0018]将波长偏移量与折射率对应，构造波长偏移量
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折射率关系曲线图。
[0019]进一步地，获取谱线的波谷波长偏移量数据，包括：
[0020]在不同折射率条件下，获取经单模光纤L1后的透射光谱图，并进行包络拟合，获取游标拟合谱线；
[0021]指定一个原始谱线图，进行包络拟合，在游标拟合谱线中求解不同折射率游标拟合谱线相对包络拟合后的原始谱线图的波谷波长偏移量数据。
[0022]进一步地，获取谱线的波谷波长偏移量数据，包括：
[0023]在不同折射率条件下：
[0024]获取经单模光纤L1后的透射光谱图，并进行包络拟合，获取单模光纤L1的游标拟合谱线；
[0025]获取经单模光纤L2后的透射光谱图，并进行包络拟合，获取单模光纤L2的游标拟合谱线；
[0026]将单模光纤L1的游标拟合曲线和单模光纤L2的游标拟合曲线进行叠加，并将叠加后的曲线进行包络拟合，获取二次游标拟合谱线；
[0027]指定一个原始谱线图，并进行两次包络拟合，在二次游标拟合谱线中求解不同折射率二次游标拟合谱相对两次包络拟合后的原始谱线图的波谷波长偏移量数据。
[0028]进一步地，包络拟合时，将波谷进行连接，其连接公式包括：
[0029]I(envelope)＝a0+a1·
cos(λw)+b1·
sin(λw)+a2·
cos(2λw)+b2·
sin(2λw)+a3·
cos(3λw)+b3·
sin(3λw)；
[0030]其中，I(envelope)为包络线的强度；λ为波长；w，a0，a1，a2，a3，b1，b2和b3均为常数，并且可以通过已知的波谷的横纵坐标求出。
[0031]进一步地，所述原始谱线图为：
[0032]将折射率光纤传感器中单模光纤L1的上游弯曲，置于折射率为1的环境中获取的谱线图。
[0033]本专利技术所达到的有益效果：
[0034]本专利技术提供基于游标效应的并行级联折射率传感器和折射率检测方法，本专利技术仅需对单模光纤进行弯曲处理，通过折射率不同造成的透射谱线的移动现象构造超灵敏折射率光纤传感器，同时利用游标效应的原理，放大偏移量，提高了折射率传感器的探测精度，整个结构简单紧凑，能够制作成微小型高精度传感器，同时制作成本低，原材料丰富，利于
产品的生产。
附图说明
[0035]图1是本专利技术实施例提供的基于游标效应的并行级联折射率传感器和折射率检测方法中折射率光纤传感器的结构示意图；
[0036]图2是本专利技术实施例提供的基于游标效应的并行级联折射率传感器和折射率检测方法中单一弯曲光纤干涉的结构示意图；
[0037]图3是本专利技术实施例提供的基于游标效应的并行级联折射率传感器和折射率检测方法中单模光纤L1包络线的模拟结果；
[0038]图4是本专利技术实施例提供的基于游标效应的并行级联折射率传感器和折射率检测方法中单模光纤L2包络线的模拟结果；
[0039]图5是本专利技术实施例提供的基于游标效应的并行级联折射率传感器和折射率检测方法中的原始谱线图、原始谱线图的一次包络拟合谱线图和原始谱线图的二次包络拟合谱线图；
[0040]图6是本专利技术实施例提供的基于游标效应的并行级联折射率传感器和折射率检测方法中折射率变化下谱线变化情况以及游标拟合包络线的移动图；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于游标效应的并行级联折射率传感器，其特征在于：包括作为标尺的滑动部分用于传感的单模光纤L1和作为标尺的固定部分用于参考的单模光纤L2，所述单模光纤L1和单模光纤L2并联接入相同的光源，所述单模光纤L1剥去聚合物涂覆层；所述单模光纤L1的和单模光纤L2上均设置有两个用作MZ干涉仪的半圆形弯曲，各所半圆形弯曲不满足全反射条件，各所述半圆形弯曲的半径不同，属于同一单模光纤上的两相邻半圆形弯曲之间的距离大于任一弯曲的半径；沿所述单模光纤L1光线传播方向，位于上游的弯曲用于浸入待测折射率的液体中，位于下游的弯曲置于折射率恒定的环境中；所述单模光纤L1和单模光纤L2的出口端经耦合后接入光谱分析仪。2.根据权利要求1所述的基于游标效应的并行级联折射率传感器，其特征在于：所述单模光纤L1的和单模光纤L2通过耦合器并联。3.根据权利要求1所述的基于游标效应的并行级联折射率传感器，其特征在于：各所述半圆形弯曲的半径满足：各半圆形弯曲的透射光谱图至少有两个完整的波谷。4.基于游标效应的并行级联折射率检测方法，其特征在于：包如下步骤：将单模光纤L1上游的弯曲浸入待测液体中，获取谱线的波谷波长偏移量数据；基于波长偏移量数据，从预置的波长偏移量
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折射率关系曲线确定待测液体的折射率。5.根据权利要求4所述的基于游标效应的并行级联折射率检测方法，其特征在于：预置波长偏移量
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折射率关系曲线，包括：将单模光纤L1上游的弯曲依次置入不同折射率的液体样本中，在不同折射率液体下，获取谱线的波谷波长偏移量数据；将波长偏移量与折射率对应，构造波长偏移量
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折射率关系曲线图。6.根据权利要求5所述的基于游标效应的并行级联折射率检测方法，其特征在于：获取谱线的波谷波长偏移量数据，包括：在不同折射率条件下，获取经单模光纤L1后的透射光谱图；指定一个原始谱线图，获取经单模光纤L1后...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈昱欣，吴泳锋，韩洋，张煜岚，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：