CN107782696A - 利用拉锥光纤测量分布式液体折射率的传感***及方法 - Google Patents

Abstract

一种利用拉锥光纤测量分布式液体折射率的传感***及方法，涉及光纤传感技术领域，基于拉锥光纤的锥形区域部分发生的背向瑞利散射模间干涉，进行折射率传感，通过锥形区域产生的较强倏逝波感知外界折射率的变化，改变拉锥光纤内背向瑞利散射传播的有效模式折射率；将拉锥光纤置于液体中，通过分布式光纤传感装置，检测所述拉锥光纤的瑞利散射光谱的波长移动，分析所述波长移动，获取液体连续分布式的折射率分布状况。实现了高空间分辨率达到毫米级的分布式液体折射率测量。

Description

利用拉锥光纤测量分布式液体折射率的传感***及方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种利用拉锥光纤测量分布式液体折射率的传感***及方法，应用于光频域反射。

背景技术

物质折射率是反映物质内部信息的一个重要物理量。物质折射率的测量在基础研究、化学分析、环境污染评估、医疗诊断和食品工业等领域有着广泛的应用。

光纤折射率传感器具有传感器本质绝缘、抗电磁干扰、高灵敏度、高精度、集成度高、高带宽、可复用等特征成为折射率传感器研究热点。传统光纤折射率传感器有布拉格光纤光栅、长周期光栅、微弯光纤、光子晶体光纤、光纤表面等离子共振、F-P传感器、在线MZ传感器、微球、微环振荡器、以及单模多模光纤串接等结构。

上述的传统光纤折射率传感器一般采用宽带光源和光谱仪解调或可调谐激光器扫描探测，利用透射光方式，只能进行单点传感，为分立式传感，无法准确测量在一定长度上的折射率分布。

目前迫切需要一种光纤折射率传感器可实现沿光纤上分布式折射率传感，在光纤一定长度上任何一点都是敏感点，实现多点连续传感。

发明内容

本发明提供了一种利用拉锥光纤测量分布式液体折射率的传感***及方法，本发明实现了高空间分辨率达到mm(毫米)级的分布式液体折射率测量，可成功应用于密集的液体折射率分布式测量、监测液体扩散，以及液层精确定位等场合，详见下文描述：

一种利用拉锥光纤测量分布式液体折射率的传感***，所述传感***包括：光频域反射的分布式光纤传感装置，所述传感***用于实现高空间分辨率达到毫米级的分布式液体折射率测量；

所述传感***包括：拉锥光纤，

基于所述拉锥光纤的锥形区域部分发生的背向瑞利散射模间干涉，进行折射率传感，通过锥形区域产生的较强倏逝波感知外界折射率的变化，改变所述拉锥光纤内背向瑞利散射传播的有效模式折射率；

将所述拉锥光纤置于液体中，通过所述分布式光纤传感装置，检测所述拉锥光纤的瑞利散射光谱的波长移动，分析所述波长移动，获取液体连续分布式的折射率分布状况。

所述拉锥光纤为细径光纤在拉锥机上拉制而成。

拉锥过程中的拉伸速度为200μm/s，氢氧焰往复距离为2000μm，往复速度为360μm/s，光纤伸长量为100000μm，锥区直径为4μm。

一种利用拉锥光纤测量分布式液体折射率的传感方法，所述传感方法包括以下步骤：

在主干涉仪中由拉锥光纤背向瑞利散射形成拍频干涉信号，并对拍频干涉信号分别进行快速傅里叶变换，将光频域信息转换到对应拉锥光纤中各个位置的距离域信息，对距离域信息通过一定宽度的移动窗依次选取拉锥光纤的各个位置形成本地距离域信息；

参考信号和测量信号都利用移动窗选取拉锥光纤的本地距离域信息，将本地距离域信息补零，补零数量可以是补零前本地距离域数据长度数倍，然后将补零后本地距离域信息利用复数傅里叶反变换、再转换到光频域得到参考信号和测量信号的本地光频域信息；

利用互相关运算对参考信号和测量信号的本地光频域信息进行光谱波长移动估计，互相关峰移动量反映瑞利散射光谱波长移动，瑞利散射光谱波长移动与液体折射率变化量成正比，通过互相关峰移动量即反映液体折射率变化量。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明可成功应用于密集的液体折射率分布式测量、监测液体扩散，以及液层精确定位等场合；

2、实现了高空间分辨率达到5mm的分布式液体折射率测量，灵敏度达到68.52nm/RIU；

3、经试验验证，温度变化的测量误差最大为0.0002RI，验证了本发明的有效性。

附图说明

图1为一种利用拉锥光纤测量分布式液体折射率的传感***的结构示意图；

图2为一种利用拉锥光纤测量分布式液体折射率的传感***的另一结构示意图；

图3为一种利用拉锥光纤测量分布式液体折射率的传感方法的流程图；

图4为标定曲线的示意图；

图5为检测结果举例的示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

A：光频域反射的分布式光纤传感装置；

1：可调谐激光器； 2：探测器；

3：50:50分束器； 4：1:99光分束器；

5：50:50耦合器； 6：时钟整形电路模块；

7：延迟光纤； 8：第一法拉第转镜；

9：第二法拉第转镜； 10：隔离器；

11：计算机； 12：偏振控制器；

13：环形器； 14 50:50耦合器；

15：拉锥光纤； 16：偏振分束器；

17：偏振分束器； 18：平衡探测器；

19：平衡探测器； 20：采集装置；

21：GPIB控制模块； 22：参考臂；

23：测试臂； 24：基于辅助干涉仪的时钟触发装置；

25：主干涉仪； 26：拉锥光纤15的包层；

27：拉锥光纤15的纤芯。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

传统基于拉锥光纤的折射率传感都是单点传感，而拉锥光纤的锥区可以保持一定长度即几厘米到几米，如采用专业拉丝设备可更长达到几十米甚至几公里，这为分布式光纤折射率传感提供可能。此外，将光频域反射技术与拉锥光纤结合，光频域反射技术解调拉锥光纤锥区的背向瑞利散射，有望实现分布式折射率传感。

实施例1

为了解决现有技术无法实现密集的液体折射率分布式测量、监测液体扩散，液层精确定位等技术问题，本发明实施例提供了一种利用拉锥光纤测量分布式液体折射率的传感***，参见图1，详见下文描述：

本发明实施例的设计原理如下：基于在拉锥光纤15的锥形区域部分，发生的背向瑞利散射模间干涉进行折射率传感，是通过锥形区域产生的较强倏逝波(具体的强弱确定根据实际经验值确定，本发明实施例对此不做限制)感知外界折射率的变化，从而改变拉锥光纤15内背向瑞利散射传播的有效模式折射率。

背向瑞利散射有效模式折射率的变化引起干涉相位差的改变，表现在瑞利散射光谱上的波长移动。通过光频域反射的分布式光纤传感装置A检测拉锥光纤15区域上瑞利散射光谱上的波长移动。当将拉锥光纤15置于液体中时，由于上述过程中的作用，通过分析分布式瑞利散射光谱波长移动，得到液体连续分布式的折射率分布状况。

综上所述，本发明实施例实现了高空间分辨率达到mm(毫米)级的分布式液体折射率测量，可成功应用于密集的液体折射率分布式测量、监测液体扩散，以及液层精确定位等场合。

实施例2

下面结合图1对实施例1中的传感***进行进一步地介绍，详见下文描述：该传感***包括：拉锥光纤15、以及光频域反射的分布式光纤传感装置，其中，拉锥光纤15由细径在拉锥机上拉制而成。，包括：包层26和纤芯27(均拉至锥状)。

本发明实施例在拉锥过程中的拉伸速度为200μm/s，氢氧焰往复距离为2000μm，往复速度为360μm/s，光纤伸长量为100000μm，锥区直径为4μm。

光频域反射的分布式光纤传感装置包括：可调谐激光器1、1:99光分束器4、计算机11、GPIB(通用接口总线)控制模块21、基于辅助干涉仪的时钟触发装置24、主干涉仪25。

其中，基于辅助干涉仪的时钟触发装置24包括：探测器2、第一50:50耦合器5、时钟倍频电路模块6、延迟光纤7、第一法拉第转镜8、第二法拉第转镜9和隔离器10。基于辅助干涉仪的时钟触发装置24用于实现等光频间距采样，其目的是抑制光源的非线性扫描。

其中，主干涉仪25包括：50:50分束器3、偏振控制器12、环形器13、第二50:50耦合器14、第一偏振分束器16、第二偏振分束器17、第一平衡探测器18、第二平衡探测器19、采集装置20、参考臂22和测试臂23。主干涉仪25是光频域反射的分布式光纤传感装置A的核心，其为改进型马赫泽德干涉仪。

GPIB控制模块21输入端与计算机11相连；GPIB控制模块21输出端与可调谐激光器1相连；可调谐激光器1与1:99光分束器4的a端口相连；1:99光分束器4的b端口与隔离器10的一端相连；1:99光分束器4的c端口与50:50分束器3的a端口相连；隔离器10的另一端与相连第一50:50耦合器5的b端口相连；第一50:50耦合器5的a端口与探测器2的一端相连；第一50:50耦合器5的c端口与第一法拉第转镜8相连；第一50:50耦合器5的d端口通过延迟光纤7与第二法拉第转镜9相连；探测器2的另一端与时钟倍频电路模块6的输入端相连；时钟整形电路模块6的输出端与采集装置20的输入端相连；50:50分束器3的b端口通过参考臂22与偏振控制器12的输入端相连；50:50分束器3的c端口通过测试臂23与环形器13的a端口相连；偏振控制器12的输出端与第二50:50耦合器14的a端口相连；环形器13的b端口与第二50:50耦合器14的b端口相连；环形器13的c端口与拉锥光纤15相连；第二50:50耦合器14的c端口与第一偏振分束器16的输入端相连；第二50:50耦合器14的d端口与第二偏振分束器17的输入端相连；第一偏振分束器16的输出端分别与第一平衡探测器18的输入端、第二平衡探测器19的输入端相连；第二偏振分束器17的输出端分别与第一平衡探测器18的输入端、第二平衡探测器19的输入端相连；第一平衡探测器18的输出端与采集装置20的输入端相连；第二平衡探测器19的输出端与采集装置20的输入端相连；采集装置20的输出端与计算机11相连。

装置工作时，计算机11通过GPIB控制模块21控制可调谐激光器1控制调谐速度、中心波长、调谐启动等；可调谐激光器1的出射光由1:99光分束器4的a端口进入，并以1:99的比例从1:99光分束器4的b端口经过隔离器10进入第一50:50耦合器5的b端口，光从第一50:50耦合器5的b端口进入，从第一50:50耦合器5的c和d端口出射，分别被两臂的第一法拉第转镜8和第二法拉第转镜9反射，返回到第一50:50耦合器5的c、d端口，两束光在第一50:50耦合器5中发生干涉，从第一50:50耦合器5的a端口输出；第一50：50耦合5器从a端口的出射光进入探测器2，探测器2将探测到的光信号转换为干涉拍频信号传输至时钟整形模块6，时钟整形模块6干涉拍频信号整形为方波，整形后的信号传输至采集装置20，作为采集装置20的外部时钟信号。

可调谐激光器1的出射光由1:99光分束器4的a端口进入，从1:99光分束器4的c端口进入50:50分束器3的a端口；经过50：50分束器3从b端口进入参考臂22中的偏振控制器12，从c端口进入测试臂23上的环行器13的a端口；光从环行器13的a端口进入，从环行器13的c端口进入拉锥光纤15，而拉锥光纤15的背向散射光从环行器13端口c端口进入，从环行器13端口b端口输出；参考臂22中的偏振控制器12输出的参考光通过第二50:50耦合器14的a端口与环行器13上的背向散射光通过第二50:50耦合器14的b端口进形合束，形成拍频干涉并从第二50:50耦合器14的c端口和d端口输出至第一偏振分束器16和第一偏振分束器17，第一偏振分束器16和第一偏振分束器17通过第一平衡探测器18和第二平衡探测器19对应采集两个偏振分束器输出的正交方向的信号光，第一平衡探测器18和第二平衡探测器19将输出的模拟电信号传输至采集装置20，采集装置20在时钟整形模块6形成的外部时钟信号作用下将采集到的模拟电信号传输至计算机11。

GPIB控制模块21用于计算机11通过其控制可调谐激光器1。

可调谐激光器1用于为光频域反射***提供光源，其光频能够进行线性扫描。

隔离器10防止辅助干涉仪中第一50:50耦合器5的b端口的反射光进入激光器。

第一50:50耦合器5用于光干涉。

延迟光纤7用于实现非等臂的拍频干涉，能够根据拍频和延迟光纤长度得到光频。

第一法拉第转镜8和第二法拉第转镜9用于为干涉仪提供反射，且能够消除干涉仪的偏振衰落现象。

偏振控制器12作用是调节参考光偏振态，使其在偏振分束时两个正交方向上光强基本一致。

第二50:50耦合器14完成对信号进行偏振分束，消除偏振衰落噪声的影响。

计算机11：对采集装置20采集的干涉信号进行数据处理，实现基于光频域反射中利用拉锥光纤测量分布式液体折射率的光纤传感。

综上所述，本发明实施例实现了高空间分辨率达到mm(毫米)级的分布式液体折射率测量，可成功应用于密集的液体折射率分布式测量、监测液体扩散，以及液层精确定位等场合。

实施例3

本发明实施例提供了一种利用拉锥光纤测量分布式液体折射率的传感方法，该传感方法是与实施例1和2中的传感***相对应，如图2所示，该传感方法的步骤是：

101：在主干涉仪25中由拉锥光纤15背向瑞利散射形成拍频干涉信号，并对这拍频干涉信号分别进行快速傅里叶变换，将光频域信息转换到对应拉锥光纤15中各个位置的距离域信息，对距离域信息通过一定宽度的移动窗依次选取拉锥光纤15的各个位置形成本地距离域信息；

102：参考信号和测量信号都利用移动窗选取拉锥光纤的本地距离域信息，将本地距离域信息补零，补零数量可以是补零前本地距离域数据长度数倍，然后将补零后本地距离域信息利用复数傅里叶反变换、再转换到光频域得到参考信号和测量信号的本地光频域信息；

103：利用互相关运算对参考信号和测量信号的本地光频域信息进行光谱波长移动估计，互相关峰移动量反映瑞利散射光谱波长移动，瑞利散射光谱波长移动与液体折射率变化量成正比，通过互相关峰移动量即反映液体折射率变化量。

综上所述，本发明实施例实现了高空间分辨率达到mm(毫米)级的分布式液体折射率测量，可成功应用于密集的液体折射率分布式测量、监测液体扩散，以及液层精确定位等场合。

实施例4

下面结合具体的试验对实施例1-3中的传感***和传感方法进行可行性验证，参见图3和图4，详见下文描述：

本发明实施例验证实验为采用细径光纤拉锥，利用该细径光纤的椎体测量折射率分布式变化，根据前期测量的拉锥光纤15的折射率传感系数，如图3所示，为K＝68.52nm/RIU。

将拉锥光纤15置入测量用的水槽，测量甘油水溶液折射率，逐步改变甘油水溶液浓度，进而改变其折射率进行测量。

真实折射率变化可以通过计算及查表得出。利用本发明实施例1-3中的传感***和传感方法解调出折射率变化与真实折射率变化值进行比对，来验证本申请的有效性见表1。

表1测量折射率变化与真实折射率变化对比

真实折射率变化/RI	测量折射率变化/RI	误差(测量值-真实值)/RI
			1.3574	1.3576	0.0002
1.3585	1.3585	0
			1.3595	1.3595	0
1.3604	1.3604	0
			1.3614	1.3613	-0.0001
1.3624	1.3623	-0.0001
			1.3633	1.3632	-0.0001
1.3642	1.3641	-0.0001
			1.3651	1.3651	0
1.3660	1.3660	0
			1.3669	1.3669	0
1.3678	1.3679	0.0001
			1.3686	1.3688	0.0002

从表1可以看到，温度变化的测量误差最大为0.0002RI，验证了本发明实施例设计的传感***和方法的有效性。

如图4所示，为检测结果的举例说明，在拉锥光纤15位于整条光纤的3.51m至3.54m范围内，检测到液体存在折射率变化，每点空间分辨率达到5mm。横坐标为距离，纵坐标为背向瑞利散射波长移动量，不同折射率变化对应着不同曲线，可见不同折射率对应的波长移动量不同。

综上所述，本发明实施例实现了高空间分辨率达到mm(毫米)级的分布式液体折射率测量，可成功应用于密集的液体折射率分布式测量、监测液体扩散，以及液层精确定位等场合。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种利用拉锥光纤测量分布式液体折射率的传感***，所述传感***包括：光频域反射的分布式光纤传感装置，其特征在于，

所述传感***用于实现高空间分辨率达到毫米级的分布式液体折射率测量；

所述传感***包括：拉锥光纤，

基于所述拉锥光纤的锥形区域部分发生的背向瑞利散射模间干涉，进行折射率传感，通过锥形区域产生的较强倏逝波感知外界折射率的变化，改变所述拉锥光纤内背向瑞利散射传播的有效模式折射率；

将所述拉锥光纤置于液体中，通过所述分布式光纤传感装置，检测所述拉锥光纤的瑞利散射光谱的波长移动，分析所述波长移动，获取液体连续分布式的折射率分布状况。

2.根据权利要求1所述的一种利用拉锥光纤测量分布式液体折射率的传感***，其特征在于，所述拉锥光纤为细径光纤经过拉锥机拉制而成。

3.根据权利要求2所述的一种利用拉锥光纤测量分布式液体折射率的传感***，其特征在于，所述拉锥机拉制具体为；拉伸速度为200μm/s，氢氧焰往复距离为2000μm，往复速度为360μm/s，光纤伸长量为100000μm，锥区直径为4μm。

4.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的一种利用拉锥光纤测量分布式液体折射率的传感***，其特征在于，所述高空间分辨率达到5mm的分布式液体折射率测量，灵敏度达到68.52nm/RIU。

5.一种利用拉锥光纤测量分布式液体折射率的传感方法，其特征在于，所述传感方法包括以下步骤：

在主干涉仪中由拉锥光纤背向瑞利散射形成拍频干涉信号，并对拍频干涉信号分别进行快速傅里叶变换，将光频域信息转换到对应拉锥光纤中各个位置的距离域信息，对距离域信息通过一定宽度的移动窗依次选取拉锥光纤的各个位置形成本地距离域信息；

参考信号和测量信号都利用移动窗选取拉锥光纤的本地距离域信息，将本地距离域信息补零，补零数量是补零前本地距离域数据长度数倍，然后将补零后本地距离域信息利用复数傅里叶反变换、再转换到光频域得到参考信号和测量信号的本地光频域信息；

利用互相关运算对参考信号和测量信号的本地光频域信息进行光谱波长移动估计，互相关峰移动量反映瑞利散射光谱波长移动，瑞利散射光谱波长移动与液体折射率变化量成正比，通过互相关峰移动量即反映液体折射率变化量。