可用于多种测量环境的折射率测量系统及解调方法技术方案

本发明专利技术提供的是一种可用于多种测量环境的折射率测量系统及解调方法。它由光源、单模光纤、光纤环形器、光纤1

【技术实现步骤摘要】
可用于多种测量环境的折射率测量系统及解调方法


[0001]本专利技术涉及的是一种可用于多种测量环境的折射率测量系统及解调方法，属于光纤传感


技术介绍

[0002]光学干涉测量技术是以光波干涉原理为基础的一门技术，在测量领域中获得了广泛应用。与一般的光学测量方法相比，光学干涉测量技术具有更高的灵敏度和精度。任何物理量，如弯曲、温度、应变、折射率、位移、振动、压力、温度等，只要能够通过光纤的光程差的变化表示出来，光纤干涉仪就能测量出该物理量的特性。
[0003]随着现代技术对传感器的要求日益增长，为了满足快速和具体的检测出机械、生物、化学等物质的物理特性的需求，促使了集成光波导传感器的快速发展。与普通的光纤传感器不同的是，集成光纤传感器可以很容易地小型化，因此有可能在一个很小的区域内进行大规模集成，以实现小型化的实验平台。在过去的几十年里，针对各种物理参数，获得了许多不同结构的光纤传感器。总的来说，这些传统的传感器可以满足物理参数检测的基本要求。
[0004]而近年来，某些特殊应用领域对光纤温度、折射率传感器的灵敏度提出了更高要求，研究人员开始将游标效应作为一种增敏手段进一步应用于光学检测中。游标效应原本是游标卡尺中利用主尺与游标之间微小的刻度差异来提升测量灵敏度的一种现象，将游标效应用在光纤传感中，可以同时提高光纤干涉仪的灵敏度和动态范围。游标效应适用于具有周期性光谱的干涉仪，为了形成游标效应，一般将两个自由光谱范围接近的干涉仪级联。在级联后的光谱中，相位相同处对比度较高，相位相差π处对比度很低，从而形成一个大包络，灵敏度和动态范围都会明显放大，放大倍数取决于动态范围接近程度。
[0005]赵玉欣等人(基于游标效应增敏的全光纤液体折射率传感器.光子学报,2019,48(11):224
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230.)提出了一种基于双FP干涉仪并联的折射率传感器，传感腔由单模光纤错位熔接制得，为开放腔结构，参考腔通过单模光纤与空芯光纤焊接得到，为封闭腔，两干涉仪自由光谱范围相近，叠加产生游标效应，实现曾敏效果。
[0006]专利CN 110057389 A提出了一种基于边孔光纤双马赫曾德干涉游标效应的光纤传感器，其利用单模光纤，无芯光纤及边孔光纤构成了双马赫曾德结构。沿单模光纤传输的光经无芯光纤进入边孔光纤的纤芯、与外界环境连通的孔以及封闭的孔。这三路光在第二个无芯光纤处合并，再经单模光纤传输至光谱仪。边孔光纤的纤芯同时与两个孔的光发生干涉，形成双马赫曾德干涉仪，纤芯与封闭的孔所构成的干涉仪作为参考部分，与外界环境连通的孔构成的干涉仪作为传感部分。所构成的折射率传感器具有超高的灵敏度。
[0007]现阶段所制备的实现光纤游标效应的传感器都是无源光纤器件，光谱不可调节，致使折射率测量范围受到限制。且解调手段都是应用光谱仪等大型设备，先提取光谱再进行数据分析处理，成本高昂，体积庞大，解调过程较为复杂。

技术实现思路

[0008]专利技术的目的在于提供一种可用于多种测量环境的折射率测量系统及解调方法，该系统可根据所需测量的介质特性调整折射率测量的范围，无论气体、液体均可采用此系统实现折射率的测量，同时省去了光谱仪等大型测量设备，使用系统自身就可实现信号解调。系统整体结构简单，集成度高，双干涉仪构成了游标效应，提高了探测的灵敏度，通过控制压电陶瓷上施加的电压进行探测区间调整并对信号进行解调，响应速度快。
[0009]为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：
[0010]一种可用于多种测量环境的折射率测量系统及解调方法，该系统由光源、单模光纤、光纤环形器、光纤1
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2耦合器、折射率传感干涉仪、纤维集成耦合器、双芯光纤、端面反射膜、压电陶瓷、光电探测器、数据采集卡、计算机和压电陶瓷控制系统组成。所述的光纤环形器为3端口光纤环形器。
[0011]所述的双芯光纤具有两个纤芯，且两个纤芯在传输时不会发生耦合，在双芯光纤端面镀有反射膜。
[0012]所述的纤维集成耦合器由单模光纤与双芯光纤焊接后采用拉锥或热扩散的方式制成，起到分束和合束的作用。沿单模光纤传输的光经过耦合器后可以以特定的分光比分散到双芯光纤的两个纤芯中，沿两个纤芯传输的光经过端面反射膜反射，沿两纤芯反向传输，再次经过纤维集成耦合器，两束光叠加，构成纤维集成Michelson干涉仪。制备好的Michelson干涉仪缠绕在压电陶瓷上。根据实际的需要，可以采用多个具有不同压电应变常数的压电陶瓷级联，实现对双芯光纤Michelson干涉仪进行灵活控制。
[0013]所述的折射率传感干涉仪为Mach
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Zhender干涉仪、Michelson干涉仪、Fabry
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Perot干涉仪和Sagnac干涉仪中的一种，其干涉谱随环境折射率变化而变化。
[0014]所述的光源为窄线宽可调激光器。光源发出的光经单模光纤传输至光纤环形器，后经1
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2光纤耦合器分成两路，一路连接着由纤维集成耦合器、双芯光纤和端面反射膜构成的Michelson干涉仪，该干涉仪的光谱可以通过压电陶瓷进行控制。另一路光连接着探测用的折射率传感干涉仪，两个干涉仪由光纤1
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2耦合器并联，光谱进行叠加，形成游标效应，放大了传感的灵敏度。
[0015]在形成游标效应后，整个干涉仪所能探测的折射率范围受到限制，因为游标效应的形成需要两干涉仪的自由光谱范围(FSR)较为接近，一旦两干涉仪的FSR相差过大，就不会形成游标效应。因此，适用于气体测量的传感器就很难应用于液体折射率的测量。本专利技术采用压电陶瓷实现对Michelson干涉仪光谱的控制，以此来扩大该系统可探测的环境。通过调整Michelson干涉仪的光谱，使折射率传感干涉仪无论应用于何种测量环境中，两干涉仪的光谱都可以叠加形成游标效应。
[0016]同时，Michelson干涉仪部分还可以用于信号的解调，当用于折射率测量时，传感干涉仪受到环境折射率的影响，导致两干涉仪叠加后的光谱发生变化，光电探测器对输出信号进行探测，数据采集卡和计算机对采集的信号进行分析，然后通过压电陶瓷控制系统对电陶瓷施加电压进行调控，使得干涉谱再度发生变化，最终使探测到的信号与初始信号相同，读取此时施加的电压值，利用预先标定得到的电压
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折射率曲线实现信号的解调。
[0017]本专利技术所使用的原理为：
[0018]以双芯光纤Michelson干涉仪及Fabry
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Perot干涉仪为例，根据干涉原理，沿双芯
光纤两纤芯传输的光的相位差为
[0019]式中：n1，n2分别表示纤芯的折射率，L1，L2分别表示两个纤芯的长度。假定纤维集成耦合器的分光比为一比一，最终得到的干涉谱光强可以如下式表示：
[0020]式中I1和I2为干涉仪两纤芯的入射光的光强，I为出射光光强。干涉仪的两个重要参数，一个是自由光谱范围，另一个是灵敏度。所谓自由光谱范围是指干涉谱中相邻两个波峰的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.可用于多种测量环境的折射率测量系统，其由光源、单模光纤、光纤环形器、光纤1
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2耦合器、折射率传感干涉仪、纤维集成耦合器、双芯光纤、端面反射膜、压电陶瓷、光电探测器、数据采集卡、计算机和压电陶瓷控制系统组成；纤维集成耦合器、双芯光纤和端面反射膜构成Michelson干涉仪，其输出光谱可以通过压电陶瓷进行控制；光源发出的光经单模光纤传输至光纤环形器，后经1
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2光纤耦合器分成两路，一路连接着由纤维集成耦合器、双芯光纤和端面反射膜构成的Michelson干涉仪，另一路连接着探测用的折射率传感干涉仪，两个干涉仪由光纤1
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2耦合器并联，光谱进行叠加，形成游标效应；通过压电陶瓷上施加的电压控制Michelson干涉仪的光谱，使折射率传感干涉仪无论应用于何种测量环境中，两干涉仪的光谱都可以叠加形成游标效应，实现折射率的测量。2.根据权利要求1所述的可用于多种测量环境的折射率测量系统，其特征是：所述的纤维集成耦合器由通过拉锥或热扩散的方式制成，起到分束和合束...

【专利技术属性】
技术研发人员：苑立波，王洪业，王剑，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：