本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于馬赫增德爾干涉儀原理的宏彎曲錯(cuò)位拉錐結(jié)構(gòu)光纖液體折射率傳感器。

背景技術(shù)：

隨著今年來光纖通信和光電技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感技術(shù)也被用于多個(gè)領(lǐng)域。光纖傳感器相比于傳統(tǒng)傳感器具有尺寸小，抗電磁干擾，抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，可以用來測(cè)量如位移、溫度、壓力、拉力、液位、折射率等物理量。折射率是一個(gè)重要的物理量，可以反映其他許多的物理量，對(duì)折射率的測(cè)量廣泛應(yīng)用于化工，生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。目前典型的光纖折射率傳感器包括：光纖表面等離子體共振(spr)折射率傳感器、光纖光柵折射率傳感器、基于消逝場(chǎng)的光纖折射率傳感器。光纖表面等離子體共振(spr)折射率傳感器、光纖光柵折射率傳感器均需要復(fù)雜的設(shè)備，成本較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于馬赫增德爾干涉儀的宏彎曲錯(cuò)位拉錐光纖傳感器，該傳感器具有制作簡(jiǎn)單，成本低廉，靈敏度高，易于與其他光纖組件連接等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明是利用馬赫增德爾干涉儀原理進(jìn)行折射率測(cè)量的。本發(fā)明所述的一種宏彎曲錯(cuò)位拉錐光纖傳感器由寬譜光源(opeak1550寬帶光源，輸出光波長(zhǎng)范圍為1525nm～1570nm，連續(xù)輸出)、錯(cuò)位拉錐光纖傳感頭、光譜儀(yokogawaaq6370d)、兩個(gè)光纖夾具和兩個(gè)位移臺(tái)組成；

錯(cuò)位拉錐光纖傳感頭由四根參數(shù)相同的光纖組成，從左至右依次為第一錯(cuò)位光纖、第一拉錐光纖、第二拉錐光纖和第二錯(cuò)位光纖；錯(cuò)位拉錐光纖傳感頭的輸入端與寬帶光源連接，輸出端與光譜儀連接；兩個(gè)光纖夾具分別將第一錯(cuò)位光纖和第二錯(cuò)位光纖固定在位移臺(tái)上，通過位移臺(tái)的移動(dòng)來改變第一拉錐光纖和第二拉錐光纖的宏彎曲半徑。由于錯(cuò)位拉錐光纖傳感頭是對(duì)稱的，所以輸出與輸入端可以互換。

本發(fā)明宏彎曲錯(cuò)位拉錐光纖傳感器中，錯(cuò)位拉錐光纖傳感頭可以采用g652d光纖(纖芯直徑8～10μm，包層直徑120～130μm，也可采用g653，g655等商用單模光纖)制作，首先準(zhǔn)備四根光纖，第一錯(cuò)位光纖和第二錯(cuò)位光纖的長(zhǎng)度相同，為10～20cm(可進(jìn)行調(diào)整便于與寬帶光源和光譜儀進(jìn)行連接)，第一拉錐光纖和第二拉錐光纖的長(zhǎng)度相同，為0.5～2cm。

首先將第一錯(cuò)位光纖和第一拉錐光纖的纖芯部分進(jìn)行錯(cuò)位熔接，錯(cuò)位尺寸為5～7μm；然后將第二拉錐光纖和第二錯(cuò)位光纖的纖芯部分進(jìn)行錯(cuò)位熔接，錯(cuò)位尺寸與前面所述的錯(cuò)位尺寸相同；再將第一拉錐光纖和第二拉錐光纖進(jìn)行拉錐熔接形成錐型結(jié)構(gòu)，兩段光纖的纖芯與包層完全對(duì)位連接，錐型結(jié)構(gòu)的拉錐長(zhǎng)度為120～140μm，錐頂直徑為40～60μm。

在第一錯(cuò)位光纖和第一拉錐光纖之間的第一錯(cuò)位處，第一錯(cuò)位光纖纖芯內(nèi)的部分光進(jìn)入第一拉錐光纖的纖芯并激勵(lì)出纖芯基模，部分光進(jìn)入第一拉錐光纖的包層并激勵(lì)出包層高階模。在第一拉錐光纖和第二拉錐光纖的錐型結(jié)構(gòu)處，由于彎曲和半徑的減小，包層的消逝場(chǎng)增強(qiáng)，提高了對(duì)外界的折射率的敏感度；纖芯基模和包層高階模分別沿著第一拉錐光纖和第二拉錐光纖的纖芯和包層傳輸，在第二拉錐光纖和第二錯(cuò)位光纖的第二錯(cuò)位處耦合進(jìn)入第二錯(cuò)位光纖的纖芯中，由于纖芯基模和包層高階模的光程不同，耦合進(jìn)入第二錯(cuò)位光纖纖芯的光發(fā)生干涉。干涉方程為:

i是干涉后所得到的光強(qiáng)，i1、i2分別為纖芯基模和包層高階模的光強(qiáng)，φ為兩種模式之間的相位差。

l是干涉長(zhǎng)度，在這里是拉錐熔接后第一拉錐光纖和第二拉錐光纖的總長(zhǎng)度和。n1(z)、n2(z)是纖芯基模和包層高階模沿著第一拉錐光纖和第二拉錐光纖傳輸?shù)挠行д凵渎史植己瘮?shù)，和光纖的材料及光纖周圍的環(huán)境有關(guān)；λ是來自寬帶光源的入射光的波長(zhǎng)。當(dāng)滿足

φ＝(2m+1)π

時(shí)產(chǎn)生干涉峰(m為正整數(shù))。而隨著外界液體折射率ncl的變化，由于包層中有效折射率n2(z)滿足近似公式

其中k0是傳播常數(shù)，r為包層半徑，n0(z)為包層折射率分布函數(shù)，n2(z)為包層高階模有效折射率分布函數(shù)，n為正整數(shù)，是模的階數(shù)，ncl(z)是外界待測(cè)液體的折射率分布函數(shù)，s對(duì)于te模為0，對(duì)于tm模為1。從公式中可以看出，當(dāng)外界待測(cè)液體折射率變化時(shí)，也將導(dǎo)致解出的n2(z)有效折射率的變化，從而引起干涉峰位置的移動(dòng)。因此通過干涉峰位置的變化可以進(jìn)行外界液體折射率的測(cè)量。

而當(dāng)錯(cuò)位拉錐光纖傳感頭的宏彎曲半徑改變時(shí)，折射率分布因?yàn)閼?yīng)力而發(fā)生變化，導(dǎo)致干涉峰位置和強(qiáng)度的變化。從而對(duì)于不同的光源和光譜儀可以通過改變彎曲半徑使得工作波段內(nèi)產(chǎn)生干涉峰。

在彎曲半徑改變后，需要先用已知折射率的液體進(jìn)行測(cè)試校準(zhǔn)，測(cè)量得到液體折射率與干涉峰位置波長(zhǎng)的關(guān)系曲線，其近似為直線y＝ax+b，y為干涉峰波長(zhǎng)，x為液體折射率，通過校準(zhǔn)可以確定參數(shù)a和b，因此可通過干涉峰位置和校準(zhǔn)得到的曲線得出折射率。

本發(fā)明還可以包括：

1、所述的宏彎曲錯(cuò)位拉錐光纖傳感器干涉峰的位置可以通過調(diào)節(jié)彎曲半徑來進(jìn)行控制，以應(yīng)用于各種規(guī)格的光源和光譜儀，以保證在工作范圍內(nèi)存在干涉峰，進(jìn)行折射率的測(cè)量。

2、將兩個(gè)光纖夾具分別豎直固定在兩個(gè)單獨(dú)的位移臺(tái)上，將錯(cuò)位拉錐光纖傳感頭兩端分別固定在兩個(gè)光纖夾具上，使光纖彎曲，通過移動(dòng)位移臺(tái)使光纖彎曲半徑發(fā)生改變，進(jìn)而使光纖干涉峰發(fā)生移動(dòng)。

3、光纖中的錐形結(jié)構(gòu)使在包層傳播的包層模消逝場(chǎng)增強(qiáng)，加強(qiáng)了對(duì)外界折射率變化的靈敏度。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明的折射率傳感器傳感探頭的制作只需要光纖熔接機(jī)，不需要使用氫氟酸等化學(xué)制劑腐蝕，制作工藝簡(jiǎn)單，容易控制，成本低廉，便于商業(yè)化生產(chǎn)。

本發(fā)明的折射率傳感器采用的是商用單模石英光纖，成本低廉易于推廣，可適應(yīng)不同光源和光譜儀，靈敏度較高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的宏彎曲錯(cuò)位拉錐光纖折射率傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

各部分名稱為：寬譜光源1、光譜儀2、錯(cuò)位拉錐光纖傳感頭3、第一位移臺(tái)4、第二位移臺(tái)5、第一光纖夾具6、第二光纖夾具7。

圖2是本發(fā)明的錯(cuò)位拉錐光纖的制作過程示意圖；

各部分名稱為：第一錯(cuò)位光纖21、第一拉錐光纖22、第二拉錐光纖23、第二錯(cuò)位光纖24。

圖3是本發(fā)明的宏彎曲錯(cuò)位拉錐光纖折射率傳感器未彎曲時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)的示意圖；

各部分名稱是干涉長(zhǎng)度33、錯(cuò)位尺寸31、拉錐長(zhǎng)度32、錐頂直徑34。

圖4是本發(fā)明的宏彎曲錯(cuò)位拉錐光纖折射率傳感器彎曲后的各項(xiàng)參數(shù)的示意力圖；

宏彎曲半徑41。

圖5是本發(fā)明裝置測(cè)量的液體折射率與干涉光譜的關(guān)系圖。

圖6是本發(fā)明裝置測(cè)量的液體折射率與干涉光譜干涉峰波長(zhǎng)的關(guān)系曲線擬合圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

圖1是本發(fā)明的宏彎曲錯(cuò)位拉錐光纖折射率傳感器示意圖，包括寬譜光源1、光譜儀2、錯(cuò)位拉錐光纖傳感頭3、第一位移臺(tái)4、第二位移臺(tái)5、第一光纖夾具6、第二光纖夾具7組成。在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，由寬譜光源1發(fā)出的光在通過錯(cuò)位拉錐光纖傳感頭3時(shí)，由于干涉產(chǎn)生干涉峰，產(chǎn)生干涉峰的光譜輸入到光譜儀，當(dāng)探頭浸入待測(cè)液體時(shí)，干涉峰的位置發(fā)生變化，干涉峰移動(dòng)后的光譜輸入到光譜儀中，光譜中干涉峰的位置會(huì)隨著液體折射率變化而變化，通過干涉峰的移動(dòng)就可以得到待測(cè)液體的折射率值。

圖2是本發(fā)明的宏彎曲錯(cuò)位拉錐光纖的制作過程示意圖，首先第一錯(cuò)位光纖21和第一拉錐光纖22使用光纖熔接機(jī)進(jìn)行錯(cuò)位熔接，再使用同樣方法將第二拉錐光纖23和第二錯(cuò)位光纖24進(jìn)行錯(cuò)位熔接，最后將第一拉錐光纖22和第二拉錐光纖23進(jìn)行拉錐熔接就得到所制備的光纖傳感器探頭3。

錯(cuò)位拉錐光纖傳感頭采用g652d光纖，纖芯直徑9μm，包層直徑125μm。第一錯(cuò)位光纖和第二錯(cuò)位光纖的長(zhǎng)度相同，為15cm；第一拉錐光纖和第二拉錐光纖的長(zhǎng)度相同，為1cm。

圖3和圖4是本發(fā)明的宏彎曲錯(cuò)位拉錐光纖折射率傳感器的各項(xiàng)參數(shù)示意圖，第一錯(cuò)位光纖21和第一拉錐光纖22的錯(cuò)位尺寸31影響著耦合進(jìn)第一拉錐光纖22包層和纖芯的光能量比例，干涉長(zhǎng)度33會(huì)影響干涉后得到的干涉光譜。拉錐長(zhǎng)度32和拉錐最細(xì)處的錐頂直徑34可以改變光纖傳感器靈敏度。在這里，錯(cuò)位尺寸31的數(shù)值為7μm，干涉長(zhǎng)度33為拉錐后第一第二拉錐光纖長(zhǎng)度之和，由于拉錐后變長(zhǎng)，第一拉錐光纖和第二拉錐光纖長(zhǎng)度之和大于拉錐前長(zhǎng)度之和，本實(shí)施例中經(jīng)測(cè)量約為20.04mm，拉錐長(zhǎng)度的數(shù)值32為128μm，拉錐最細(xì)處的錐頂直徑34的數(shù)值為55μm。彎曲半徑41的改變會(huì)使干涉峰發(fā)生移動(dòng)。

圖5是所制作的宏彎曲錯(cuò)位拉錐光纖折射率傳感器所測(cè)得的干涉峰隨液體折射率變化而移動(dòng)的光譜圖，干涉峰位置由右至左的五條曲線分別對(duì)應(yīng)折射率為1.333，1.35，1.37，1.39，1.41的液體。當(dāng)隨著液體折射率上升，在1540nm附近的干涉峰向藍(lán)光光方向移動(dòng)，在這里光纖彎曲半徑41的數(shù)值為34.29mm，測(cè)量的折射率的范圍為1.333到1.41。

圖6是圖5中光譜在1540nm附近干涉峰的波長(zhǎng)數(shù)值隨折射率變化的測(cè)試數(shù)據(jù)的擬合曲線圖，干涉峰的位置與折射率呈現(xiàn)近似直線的線性關(guān)系y＝1619-58.28x。y為干涉峰的波長(zhǎng)，x為液體折射率。靈敏度為58.28nm/ri。