CN212722604U - 一种光纤折射率传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种光纤折射率传感器，所述光纤折射率传感器包括：用于接收入射光的入射光纤；用于将所述入射光分为第一部分光和第二部分光的第一个球型结构；用于传输所述第一部分光和所述第二部分光的连接光纤；用于将所述连接光纤中包层的所述第二部分光被待测液体调制的光纤侧抛结构；用于将所述连接光纤中包层的所述第二部分光耦合回纤芯的第二个球形型结构；用于将所述第二个球形型结构发出的光传输给光谱分析仪的出射光纤。本实用新型的光纤折射率传感器能够将待测折射率的变化量转化为探测信号的光谱波长漂移，具有制作简便、结构简单、成本低、灵敏度高、抗腐蚀和抗外界电磁干扰能力强，可以应用于各类实际工程中。
Description
技术领域
本实用新型涉及光纤传感技术领域，尤其涉及的是一种光纤折射率传感器。
背景技术
马赫-曾德尔干涉结构广泛应用于光纤传感***中。当一束光经耦合器分成两束，分别沿着两根光纤进行传播时，其中一根作为参考光路，另一根作为调制光路。两束光将在下一个耦合器重新汇合,发生干涉。当调制光路受到外界影响时，在调制光路中传播的光的光程会发生改变,从而两路光的光程差会发生变化，干涉条纹也相应的有所改变。通过干涉条纹变化和环境变化的对应关系，就可以在测量中，通过干涉条纹的变化推出环境参量的变化。
随着光纤传感技术的不断发展，马赫-曾德尔干涉结构用于光纤传感器的方式也发生着改变。光纤的作用也从仅仅传输功能演变到兼有传输和传感的功能。在对光纤进行一些加工后形成特殊结构可以作为耦合器将沿着光纤纤芯传播的光耦合一部分进入包层，并在下一个类似的光纤耦合器将光重新耦合回纤芯,实现沿着纤芯和沿着包层分别传播的两部分光发生干涉，这就是马赫-曾德干涉的原理。当外界环境对纤芯包层的影响不同时，沿着纤芯传播的光和沿着包层传播的光会由于纤芯包层对外界环境反应的差异产生干涉的变化，在光纤传感的应用上反应在光谱图的变化上。在分析出光谱变化和外界环境变化之间的关系后，就可以通过对光谱变化的监测实现对外界环境的监测，实现传感器的作用。侧抛结构增大了外界环境对光纤光传播的影响而使得传感器对外界环境更加敏感,所以作为增强传感器灵敏度的部分。光纤传感器在电磁干扰强、小空间环境的监测上有其明显的优势。目前研究的一些高灵敏的的光纤折射率传感器普遍使用了一些特种光纤如光纤光栅，光子带隙光纤等，这些特种光纤十分昂贵。
因此，针对上述缺陷，现有技术还有待于改进和发展。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题在于高灵敏的的光纤折射率传感器成本高，提供一种光纤折射率传感器，本实用新型提供的新型光纤折射率传感器可用于将待测折射率的变化量转化为探测信号的光谱波长漂移，具有结构简单、成本低、灵敏度高等特点。
本实用新型解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种光纤折射率传感器，其中，所述光纤折射率传感器包括：
用于接收入射光的入射光纤；
设置在所述入射光纤的前方，用于将所述入射光分为第一部分光和第二部分光的第一个球型结构；
设置在所述第一个球型结构的前方，用于传输所述第一部分光和所述第二部分光的连接光纤；
设置在所述连接光纤的前方，用于将所述连接光纤中包层的所述第二部分光被待测液体调制的光纤侧抛结构；
设置在所述光纤侧抛结构的前方，用于将所述连接光纤中包层的所述第二部分光耦合回纤芯的第二个球形型结构；
设置在所述第二个球形型结构的前方，用于将所述第二个球形型结构发出的光传输给光谱分析仪的出射光纤。
所述光纤折射率传感器，其中，所述第一部分光在光纤纤芯传输，所述第二部分光在光纤包层中传输。
所述光纤折射率传感器，其中，所述第一个球型结构分别与所述入射光纤和所述连接光纤连接；
所述第二个球形型结构分别与所述连接光纤和所述出射光纤连接。
所述光纤折射率传感器，其中，所述入射光纤、所述第一个球型结构、所述连接光纤、所述光纤侧抛结构、所述第二个球形型结构以及所述出射光纤组成线型结构。
所述光纤折射率传感器，其中，所述入射光纤、所述第一个球型结构、所述连接光纤、所述第二个球形型结构以及所述出射光纤采用单模光纤。
所述光纤折射率传感器，其中，所述第一个球型结构和所述第二个球形型结构的结构相同。
所述光纤折射率传感器，其中，所述第一个球型结构和所述第二个球形型结构的直径范围为240-250um。
所述光纤折射率传感器，其中，所述入射光纤和所述出射光纤的长度范围为30-50cm；所述连接光纤的长度范围为2-3cm。
所述光纤折射率传感器，其中，所述光纤侧抛结构的长度范围为 0.8-1.2cm，深度范围为66.5-67.5um。
有益效果：本实用新型提供的一种光纤折射率传感器，所述光纤折射率传感器包括：用于接收入射光的入射光纤；设置在所述入射光纤的前方，用于将所述入射光分为第一部分光和第二部分光的第一个球型结构；设置在所述第一个球型结构的前方，用于传输所述第一部分光和所述第二部分光的连接光纤；设置在所述连接光纤的前方，用于将所述连接光纤中包层的所述第二部分光被待测液体调制的光纤侧抛结构；设置在所述光纤侧抛结构的前方，用于将所述连接光纤中包层的所述第二部分光耦合回纤芯的第二个球形型结构；设置在所述第二个球形型结构的前方，用于将所述第二个球形型结构发出的光传输给光谱分析仪的出射光纤。本实用新型的光纤折射率传感器能够将待测折射率的变化量转化为探测信号的光谱波长漂移，具有制作简便、结构简单、成本低、灵敏度高、抗腐蚀和抗外界电磁干扰能力强，可以应用于各类实际工程中。
附图说明
图1是本实用新型光纤折射率传感器的较佳实施例的结构示意图。
图2是本实用新型光纤折射率传感器中光路传输的原理示意图。
图3是本实用新型光纤折射率传感器的较佳实施例中不同折射率情况下光纤折射率传感器的干涉光谱变化实验图。
图4是本实用新型光纤折射率传感器的较佳实施例中折射率灵敏度线型拟合图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
请参阅图1，图1是本实用新型光纤折射率传感器的较佳实施例的结构示意图。
如图1和图2所示，本实用新型实施例提供的一种光纤折射率传感器，所述光纤折射率传感器包括：
用于接收入射光的入射光纤1；设置在所述入射光纤1的前方(如图2 所示，方向箭头的前方表示前方，即光路中光的传输方向表示前方)，用于将所述入射光分为第一部分光(如图2中，a方位表示的那部分光)和第二部分光(如图2中，b方位表示的那部分光)的第一个球型结构2；设置在所述第一个球型结构2的前方，用于传输所述第一部分光和所述第二部分光的连接光纤3；设置在所述连接光纤3的前方，用于将所述连接光纤3中包层的所述第二部分光被待测液体调制的光纤侧抛结构4；设置在所述光纤侧抛结构4的前方，用于将所述连接光纤3中包层的所述第二部分光耦合回纤芯的第二个球形型结构5；设置在所述第二个球形型结构5的前方，用于将所述第二个球形型结构5发出的光传输给光谱分析仪的出射光纤6。
光纤由光纤纤芯、光纤包层和护套组成，其中，光纤纤芯和光纤包层是两种不同折射率的玻璃材料，是光纤的基本结构，光纤纤芯的折射率高于光纤包层的折射率，光纤传输的原理就是光在光纤纤芯和光纤包层间发生全反射而“无损”地沿光纤传输；本实用新型中，如图2所示，所述第一部分光在光纤纤芯7传输，所述第二部分光在光纤包层8中传输。
如图1和图2所示，所述第一个球型结构2分别与所述入射光纤1和所述连接光纤3连接；所述第二个球形型结构5分别与所述连接光纤3和所述出射光纤6连接。所述入射光纤1、所述第一个球型结构2、所述连接光纤3、所述光纤侧抛结构4、所述第二个球形型结构5以及所述出射光纤 6组成线型结构(即呈直线型设计，外形为圆柱形结构，类似于球型-侧抛-球型结构的马赫-曾德尔折射率传感器)。
具体地，所述入射光纤1、出射光纤6、连接光纤3可采用G.652(G.652 光纤是已广泛使用的单模光纤，称为1310nm性能最佳的单模光纤，又称为色散未移位的光纤)、G.653(一种把零色散波长从1.3μm移到1.55μm的色散位移光纤)和G.655(一种在1550nm工作波长具有较小正色散或具有负色散的光纤，被称为非零色散位移单模光纤，这种单模光纤的特点是在 1530～1565nm工作窗口的色散不为零，保持有一个能够抑制四波混频的合适色散***值，由于这种光纤在1530～1565nm工作窗口的色散系数较小，且不为零，用G.655光纤来组成线路进行10Gbit/s以上远距离时才需要用少量的色散补偿光纤，因此，这种光纤是目前实现10Gbit/s以上远距离、大容量通信的密集波分复用光纤通信***的首选光纤类型)单模光纤(单模光纤的中心玻璃芯很细，芯径一般为9或10μm，只能传一种模式的光纤，因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，单模光纤相比于多模光纤可支持更长传输距离，在100Mbps的以太网以至1G千兆网，单模光纤都可支持超过5000m的传输距离)；所述入射光纤1和出射光纤6长度为30-50cm；所述连接光纤3的长度为2-3cm，优选为2cm。
具体地，所述第一个球型结构和所述第二个球形型结构的结构相同(即两者的参数和结构都相同)，所述第一个球型结构2和所述第二个球形型结构5可采用G.652、G.653和G.655单模光纤；所述第一个球型结构2和所述第二个球形型结构5的直径为240-250um，优选为250um。
本实用新型利利用廉价的单模光纤通过工艺改造制造了能与特种光纤传感器灵敏度相媲美的折射率传感器。
具体地，所述光纤侧抛结构4的长度为0.8-1.2cm，优选为10cm，深度为66.5-67.5um。
进一步地，所述第一个球型结构2和所述第二个球形型结构5直径优选为为250um，均由光纤熔接机(例如诺德森NS-80)的“自设模式1”进行两次放电制得；“自设模式1”的具体参数为：‘端面角度3.0；断面间距 10；重叠量0；预熔时间100；预熔力100；焊接时间100，焊接功率100；清洁时间3；重新放电时间为100’。然后使用“自设模式2”将所述第一个球型结构2和所述第二个球型结构5分别与所述连接光纤3熔接起来；“自设模式2”的具体参数为：‘端面角度3.0；断面间距15；重叠量150；预熔时间25；预熔力30；焊接时间40，焊接功率100；清洁时间3；重新放电时间为100’(其中，所有参数均为相对量，具体参数的单位可根据实际操作时进行设置)。
进一步地，所述光纤侧抛结构4的长度优选为10cm，深度为 66.5-67.5um，由光纤侧抛光微加工平台(FSP-II-C)抛磨完成。设置运行参数为：‘抛磨长度10mm，抛磨深度58mm，转速60’，对光纤进行侧抛加工后即可制得如图1所示的结构。所述第一个球型结构2、连接光纤3、光纤侧抛结构4以及第二个球型结构5所构成的线型结构是传感器的传感头，用于探测外界折射率的大小。
本实用新型的光纤折射率传感器的工作原理为：所述入射光从所述入射光纤1的光纤纤芯进入，在通过所述第一个球型结构2后光纤纤芯中的光被分为第一部分光和第二部分光；所述第一部分光在所述连接光纤3的光纤纤芯7传输，所述第二部分光在所述连接光纤3的光纤包层8中传输，所述连接光纤3的光纤包层8中传输的所述第二部分光在经过所述光纤侧抛结构4时被待测液体调制；通过所述第二个球型结构5的光纤包层8中的所述第二部分光被耦合回光纤纤芯7，由所述出射光纤6传输进入光谱分析仪；所述光谱分析仪分析被调制光的波长信息得到被测液体的折射率。
也就是说，入射光从所述入射光纤1的纤芯进入，在通过所述第一个球型结构2后光纤纤芯7中的光将被分为两部分在所述连接光纤3中继续传输，第一部分光(a方向)在光纤纤芯7传输，第二部分光耦合到了光纤包层8中传输；所述连接光纤3的光纤包层8中传输的光在经过所述光纤侧抛结构4时被待测液体调制，之后通过所述第二个球型结构5的光纤包层8中的光被耦合回光纤纤芯7，由所述出射光纤6传输进入光谱分析仪。通过分析被调制光的波长信息便可得出被测液体的折射率。
即入射光经过所述第一个球型型结构2后分成两部分光，一部分沿着光纤纤芯传播，一部分沿着光纤包层传播,经所述第二个球形型结构5沿着光纤纤芯传输的光和沿着光纤包层传输的光发生干涉；外界折射率变化时，对光纤纤芯和光纤包层的影响不同，导致光纤纤芯和光纤包层的有效折射率差发生变化，从而引起光在光纤纤芯和光纤包层的传输情况发生变化，导致光谱的波长发生漂移变化；监测干涉光谱的波长漂移即可得出折射率的变化情况。
进一步地，使用时，将所述入射光纤1和所述出射光纤6分别固定在夹持台上，在传感头下方置放一个升降台，升降台上可以放上载以不同折射率液体的载破片；在测量时升高升降台，使得传感头与液体接触，测量数据后下降升降台以替换载以另一折射率液的载玻片。图3为室温条件下不同折射率时的干涉光谱变化图，可见，当施加在传感头上的液体折射率在1.33269-1.42294的范围内变化时，对应传感头的干涉光谱1564.24nm处的波峰漂移到了1593.4nm。图4是本实用新型的折射率灵敏度线型拟合图，在折射率从1.33269变到1.39716时该传感器的灵敏度为213.479nm/单位折射率(RIU)，在折射率从1.40734变到1.42294时该传感器的灵敏度为 730.502nm/RIU。
综上所述，本实用新型公开了一种光纤折射率传感器，所述光纤折射率传感器包括：用于接收入射光的入射光纤；设置在所述入射光纤的前方，用于将所述入射光分为第一部分光和第二部分光的第一个球型结构；设置在所述第一个球型结构的前方，用于传输所述第一部分光和所述第二部分光的连接光纤；设置在所述连接光纤的前方，用于将所述连接光纤中包层的所述第二部分光被待测液体调制的光纤侧抛结构；设置在所述光纤侧抛结构的前方，用于将所述连接光纤中包层的所述第二部分光耦合回纤芯的第二个球形型结构；设置在所述第二个球形型结构的前方，用于将所述第二个球形型结构发出的光传输给光谱分析仪的出射光纤。本实用新型的光纤折射率传感器能够将待测折射率的变化量转化为探测信号的光谱波长漂移，具有制作简便、结构简单、成本低、灵敏度高、抗腐蚀和抗外界电磁干扰能力强，可以应用于各类实际工程中。
应当理解的是，本实用新型的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种光纤折射率传感器，其特征在于，所述光纤折射率传感器包括：
用于接收入射光的入射光纤；
设置在所述入射光纤的前方，用于将所述入射光分为第一部分光和第二部分光的第一个球型结构；
设置在所述第一个球型结构的前方，用于传输所述第一部分光和所述第二部分光的连接光纤；
设置在所述连接光纤的前方，用于将所述连接光纤中包层的所述第二部分光被待测液体调制的光纤侧抛结构；
设置在所述光纤侧抛结构的前方，用于将所述连接光纤中包层的所述第二部分光耦合回纤芯的第二个球形型结构；
设置在所述第二个球形型结构的前方，用于将所述第二个球形型结构发出的光传输给光谱分析仪的出射光纤。
2.根据权利要求1所述的光纤折射率传感器，其特征在于，所述第一部分光在光纤纤芯传输，所述第二部分光在光纤包层中传输。
3.根据权利要求1所述的光纤折射率传感器，其特征在于，所述第一个球型结构分别与所述入射光纤和所述连接光纤连接；
所述第二个球形型结构分别与所述连接光纤和所述出射光纤连接。
4.根据权利要求1所述的光纤折射率传感器，其特征在于，所述入射光纤、所述第一个球型结构、所述连接光纤、所述光纤侧抛结构、所述第二个球形型结构以及所述出射光纤组成线型结构。
5.根据权利要求1所述的光纤折射率传感器，其特征在于，所述入射光纤、所述第一个球型结构、所述连接光纤、所述第二个球形型结构以及所述出射光纤采用单模光纤。
6.根据权利要求1所述的光纤折射率传感器，其特征在于，所述第一个球型结构和所述第二个球形型结构的结构相同。
7.根据权利要求6所述的光纤折射率传感器，其特征在于，所述第一个球型结构和所述第二个球形型结构的直径范围为240-250um。
8.根据权利要求1所述的光纤折射率传感器，其特征在于，所述入射光纤和所述出射光纤的长度范围为30-50cm；所述连接光纤的长度范围为2-3cm。
9.根据权利要求1所述的光纤折射率传感器，其特征在于，所述光纤侧抛结构的长度范围为0.8-1.2cm，深度范围为66.5-67.5um。
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