CN107238582A - 一种物质折射率远程测量装置及其测量方法 - Google Patents

一种物质折射率远程测量装置及其测量方法 Download PDF

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张瑜
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王云才
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Abstract

本发明涉及物质折射率测量领域，具体为基于互相关光时域菲涅尔反射技术的物质折射率远程测量。一种物质折射率远程测量装置，包括宽带的放大自发辐射源、密集型波分复用器、掺铒光纤放大器、第一光纤耦合器、光环行器、传感光纤、第一光电探测器、第二光电探测器、传感单元、采集卡和计算机。本发明还涉及该装置测量的方法。本发明通过互相关曲线峰值表征物质折射率与光纤纤芯折射率关系，进而得到物质折射率，可实现易燃易爆、化工厂等危险环境下多点物质折射率测量，具有本质安全、抗电磁干扰、抗腐蚀及远距离测量等优点。

Description

一种物质折射率远程测量装置及其测量方法
技术领域
本发明涉及物质折射率测量领域，具体为基于互相关光时域菲涅尔反射技术的物质折射率远程测量。
背景技术
折射率参数作为物质的内在属性，与物质的化学及物理性质有着密切的联系，所以在一些领域中，物质的折射率测量具有非常重要的研究意义。然而，现有技术多为近距离测量的电子式传感器，不能很好满足在电磁干扰、腐蚀、易燃易爆等恶劣环境下物质的折射率测量需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：如何解决远程恶劣环境下物质折射率的测量问题。
本发明所采用的技术方案是：一种物质折射率远程测量装置，包括宽带的放大自发辐射源、密集型波分复用器、掺铒光纤放大器、第一光纤耦合器、光环行器、传感光纤、第一光电探测器、第二光电探测器、传感单元、采集卡和计算机，宽带的放大自发辐射源顺次连接密集型波分复用器、掺铒光纤放大器，掺铒光纤放大器的输出端口接第一光纤耦合器的输入端口，第一光纤耦合器的第一输出端口接光环行器的a端口，第一光纤耦合器的第二输出端口接第一光电探测器的输入端口，光环行器的端口b通过传感光纤连接传感单元，光环行器的端口c接第二光电探测器的输入端口，第一光电探测器的输出端口和第二光电探测器的输出端口都通过采集卡连接计算机。
作为一种优选方式：传感单元包括光纤法兰和光纤跳线，光纤跳线的光纤接头通过光纤法兰与另外一根光纤跳线的光纤接头连接，利用连接每根光纤跳线接头的光纤法兰引入间隙。
作为一种优选方式：传感单元包括第二光纤耦合器，传感光纤传输的光信号按照光功率经过第二光纤耦合器将其分为两路光信号，其中一路光信号经过第二光纤耦合器的第一输出端口连接到下一段传感光纤，第二光纤耦合器的第二输出端口连接一段置于某一折射率的物质中的光纤。
一种物质折射率远程测量装置进行远程物质折射率测量的方法，按照如下的步骤进行
步骤一、通过光纤法兰或者第二光纤耦合器制作传感单元，并将传感单元连接物质折射率远程测量装置的其它部件；
步骤二、将传感单元置于空气中，将参考光与包含菲涅尔反射信息的散射光进行互相关处理，得到光纤沿线互相关曲线，该曲线包含菲涅尔反射发生的位置信息，同时其相关峰峰值表征了光纤纤芯折射率与空气折射率的关系；
步骤三、将传感单元依次置于待测折射率的多种物质中，经过与步骤二相同的方法，获得相关峰峰值；
步骤四、将步骤三的结果与步骤二结果对比，并进行曲线拟合，建立相关峰峰值与物质折射率的函数关系，实现物质折射率测量。
本发明的有益效果是：本发明利用菲涅尔反射原理及互相关光时域反射技术，利用互相关技术进行定位，实现远程恶劣环境下多种物质折射率的测量。具有长距离、抗电磁干扰、抗腐蚀、本质安全等优点。
附图说明
图1为本发明的装置示意图；
图2是本发明一种传感单元结构示意图；
图3是本发明另一种传感单元结构示意图；
其中，1、宽带的放大自发辐射源，2、密集型波分复用器，3、掺铒光纤放大器，4、第一光纤耦合器，5、光环形器，6、传感光纤，7、第一光电探测器，8、第二光电探测器，9、传感单元，10、采集卡，11、计算机，12、FC类型光纤法兰，13、光纤跳线，14、某一折射率的物质，15、第二光纤耦合器。
具体实施方式
实施方式一：
如图1和图2所示，一种物质折射率远程测量装置，主要包括宽带的放大自发辐射源1、密集型波分复用器2、掺铒光纤放大器3、第一光纤耦合器4、光环行器5、传感光纤6、第一光电探测器7、第二光电探测器8、传感单元9、采集卡10及计算机11，宽带的放大自发辐射源1连接密集型波分复用器2的输入端口，以滤出中心波长附近的类噪声光信号，将该光信号接入掺铒光纤放大器3的输入端，通过调节掺铒光纤放大器3的泵浦电流，对其进行放大，并接入第一光纤耦合器4的输入端，第一光纤耦合器按光功率占比将其分为光功率占比为99%的一路与光功率占比为1%的一路，其中光功率占比为1%的一路光信号作为参考光，并经由第一光电探测器7转化为电信号，连接采集卡10的第一输入端口；光功率占比为99%的一路光信号经过第一光纤耦合器的第一输出端口接入光环形器5的a端口，并由光环形器5的b端口注入传感光纤6及传感单元9。传感光纤6及传感单元9的散射光经过光环行器5的c端口接入第二光电探测器8转化为电信号，并连接采集卡10的第二输入端口。采集卡10同时采集参考信号与散射信号，之后将信号同时送入计算机11进行互相关处理，并显示光纤沿线互相关曲线。
图2是本发明传感单元9的一种实现方式，其中包括传感光纤6，FC类型光纤法兰12，光纤跳线13。
光由一种折射率介质入射至另一折射率不同的介质中，在波阵面其入射光与反射光的关系可由菲涅尔反射原理得到。由于光注入光纤的入射角小于30℃，p-偏振方向与s-偏振方向的反射系数Rp与Rs可忽略不计，因而此时波阵面的反射系数可由公式（1）得到：
（1）
其中，n 0 为光纤纤芯折射率，n f 为待测物质折射率。
因此，若FC类型光纤法兰12通过光纤跳线13连接，并保证光纤跳线13的光纤接头与光纤法兰12之间留有一定间隙，当该间隙充满某一折射率的物质14（待测物质）时，探测光在FC类型光纤法兰12与待测物质的接触面产生菲涅尔反射。之后结合互相关技术，该菲涅尔反射发生的位置可由公式（2）得到：
（2）
其中，u r 为参考光信号，u f 为包含菲涅尔反射信息的散射光信号，k为菲涅尔反射发生位置，cc{}为互相关计算。同时，该相关峰的峰值表征了光纤纤芯折射率与间隙物质折射率的关系。
若仅在传感光纤6末端接一个FC类型光纤法兰12，可实现单点物质折射率测量；若将多个上述的光纤法兰串联，可测量不同位置处不同物质折射率，实现准分布式检测。
实施方式二
与实施方式一不同之处在于如图3所示，本实施方式是传感单元9的另一种实现方式，其中包括传感光纤6，第二光纤耦合器15。传感光纤6传输的光信号按照光功率经过第二光纤耦合器15将其分为两路光信号，其中一路光信号经过第二光纤耦合器15第一输出端口注入下一段传感光纤6，第二光纤耦合器15的第二输出端口连接一段置于某一折射率的物质中的光纤。
在第二光纤耦合器15的光纤接头与某一折射率的物质14接触面会产生菲涅尔反射，并结合互相关技术，可得到该菲涅尔反射发生的位置、此处物质的折射率与光纤纤芯折射率的关系。
若仅在传感光纤6末端接一个第二光纤耦合器15，可实现单点物质折射率测量；若将多个第二光纤耦合器15以附图3的形式串联，可实现物质折射率的准分布式测量。
本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。

Claims (4)

1.一种物质折射率远程测量装置，其特征在于：包括宽带的放大自发辐射源（1）、密集型波分复用器（2）、掺铒光纤放大器（3）、第一光纤耦合器（4）、光环行器（5）、传感光纤（6）、第一光电探测器（7）、第二光电探测器（8）、传感单元（9）、采集卡（10）和计算机（11），宽带的放大自发辐射源（1）顺次连接密集型波分复用器（2）、掺铒光纤放大器（3），掺铒光纤放大器（3）的输出端口接第一光纤耦合器（4）的输入端口，第一光纤耦合器（4）的第一输出端口接光环行器（5）的a端口，第一光纤耦合器（4）的第二输出端口接第一光电探测器（7）的输入端口，光环行器（5）的端口b通过传感光纤连接传感单元（9），光环行器（5）的端口c接第二光电探测器（8）的输入端口，第一光电探测器（7）的输出端口和第二光电探测器（8）的输出端口都通过采集卡（10）连接计算机（11）。
2.根据权利要求1所述的一种物质折射率远程测量装置，其特征在于：传感单元（9）包括光纤法兰（12）和光纤跳线（13），光纤跳线（13）的光纤接头通过光纤法兰（12）与另外一根光纤跳线（13）的光纤接头连接，利用连接每根光纤跳线（13）接头的光纤法兰（12）引入间隙。
3.根据权利要求1所述的一种物质折射率远程测量装置，其特征在于：传感单元（9）包括第二光纤耦合器（15），传感光纤（6）传输的光信号按照光功率经过第二光纤耦合器（15）将其分为两路光信号，其中一路光信号经过第二光纤耦合器（15）的第一输出端口连接到下一段传感光纤（6），第二光纤耦合器（15）的第二输出端口连接一段置于某一折射率的物质中的光纤。
4.一种利用权利要求2或者权利要求3所述的物质折射率远程测量装置进行远程物质折射率测量的方法，其特征在于：按照如下的步骤进行
步骤一：通过光纤法兰（12）或者第二光纤耦合器（15）制作传感单元（9），并将传感单元（9）连接物质折射率远程测量装置的其它部件；
步骤二：将传感单元（9）置于空气中，将参考光与包含菲涅尔反射信息的散射光进行互相关处理，得到光纤沿线互相关曲线，该曲线包含菲涅尔反射发生的位置信息，同时其相关峰峰值表征了光纤纤芯折射率与空气折射率的关系；
步骤三、将传感单元（9）依次置于待测折射率的多种物质中，经过与步骤二相同的方法，获得相关峰峰值；
步骤四：将步骤三的结果与步骤二结果对比，并进行曲线拟合，建立相关峰峰值与物质折射率的函数关系，实现物质折射率测量。
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