一种基于弧形结构的折射率传感器

1.本实用新型属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于弧形结构的折射率传感器。


背景技术：

2.液体折射率(ri)传感在各种化学、医学和生物液体测量中起着重要的作用。在实际应用中，被测液体并不总是处于温度稳定的环境中，ri测量常伴随温度串扰。因此，在液体测量应用中，同时测量ri和温度是必不可少的。近年来，全光纤传感器以其成本低、重量轻、灵敏度高、抗磁性好等优点引起了人们的广泛关注。为了满足同时测量ri和温度的要求，在光纤传感器领域进行了大量的研究。包括长周期光纤光栅(lpg)和光纤布拉格光栅 (fbg)的光纤光栅是双参数测量的混合传感器中常用的两种光栅。这些混合传感器通常是通过将光纤光栅级联到另一种结构来制造的，例如光子晶体光纤、s光纤锥、回音廊模式、 sagnac光纤环路等，或者通过在fbg中嵌入另一种结构，例如微光纤和machzehnder干涉仪(mzi)。将这些混合传感器应用于ri和温度的同时测量，无论是ri灵敏度还是温度灵敏度都受光纤光栅的影响。lpg和fbg的温度灵敏度均为pm/℃，而fbg的ri灵敏度小于1 nm/riu，并且lpg的ri灵敏度为几十纳米/riu。因此，基于光纤光栅的混合传感器不能同时实现温度灵敏度和高ri灵敏度(超过100nm/riu)测量。近年来，基于光子晶体光纤 (pcf)的传感器以其体积小、灵敏度高、损耗低等优点被用于同时测量温度和ri，成为众多研究小组的研究热点。包括通过横向偏移拼接两片pcf或部分折叠一片pcf中的气孔的全 pcf干涉仪，通过在两片单模光纤(smf)中插入一段充满酒精的pcf来形成smf
–
pcf
–
smf 结构。然而，上述方法的相关制造工艺复杂或相对昂贵。
3.近年来,随着传感技术的飞速发展,光纤传感器以其体积小、重量轻、灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰等优异的特性倍受青睐,可用于高温高压、强电磁场、强腐蚀等恶劣环境中的探测。利用光纤传感器测量液体折射率(ri)可应用于化学溶液浓度测量、生物真菌生长监测、环境污染检测等许多领域，具有重要意义。目前，一些类型的光纤传感器已用于液体ri传感，包括光纤布拉格光栅(fbg)、干涉型光纤传感器、基于锥形光纤的干涉仪。其中，fbg 对温度敏感，不能解决液体ri测量过程中的温度串扰问题。光纤锥形干涉仪因其结构简单、灵敏度高而得到广泛的研究。目前已经报道了许多类型的光纤锥形结构来实现ri传感，例如s锥形光纤探针、锥形光子晶体光纤、锥形无芯光纤、锥形多模光纤。所有这些结构基本上都使用到特殊的光纤，得到的传感器不但对液体ri灵敏度不高,而且增加了传感器的成本以及制造复杂度。在目前报道的光纤横向压力传感器中，光纤布fbg传感器在横向压力传感中占主导地位，但是它们由于用到昂贵的高能量激光器，如准分子激光器或飞秒激光器，使其造价昂贵。目前对可以测量温度、ri和横向压力的光纤传感技术鲜有报道。


技术实现要素：

4.针对以上不足，本方案设计了一种基于弧形结构的折射率传感器，一款制作工艺
简单、高灵敏度、性能稳定、价格低廉的弧形结构的折射率传感器，可以将此传感器应用于生物医疗、石油开采、化学化工、食品制造和环境检测等领域。
5.本方案采用以下技术手段。
6.一种基于弧形结构的折射率传感器，包括固定管、预设长度的第一传感光纤，第一传感光纤的两端穿入固定管同一侧的端面，并且于固定管另一侧端面穿出，且第一传感光纤在固定管背向第一传感光纤端部的端面外侧构成弧形。
7.优选的，还包括谐振反射波导装置、预设长度的第二传感光纤，谐振反射波导装置为预设长度的空心管状结构，谐振反射波导装置的外径与所述第一传感光纤截面的外径相同，谐振反射波导装置的内径大于所述第一传感光纤截面纤芯的外径，第二传感光纤与所述第一传感光纤截面的外径、纤芯外径均相同，谐振反射波导装置的一端熔接所述第一传感光纤的一端，谐振反射波导装置的另一端熔接第二传感光纤的一端，谐振反射波导装置、第二传感光纤、所述第一传感光纤的两端位于所述固定管同侧端面外侧，第二传感光纤的另一端作为出光端，所述第一传感光纤的另一端作为入光端。
8.优选的，还包括混合干涉装置，混合干涉装置为内置空心的气泡结构，该气泡结构的外径大于所述第一传感光纤的外径，并且表面设置有贯穿内外的通孔，该通孔与所述第一传感光纤的截面相适应，通孔的外层与所述第一传感光纤一端的外层相适应，通孔的内层大于所述第一传感光纤的纤芯，混合干涉装置通过其表面的通孔与所述第一传感光纤的一端相熔接，所述第一传感光纤的另一端同时作为入光端与出光端，光线在混合干涉装置内折射返回。
9.优选的，所述弧形上一点到所述固定管对应一侧所在平面的最长垂直距离为该弧形的长，所述弧形上垂直于弧形长的最长两点之间的距离为该弧形的宽，该弧形宽为1.2到1.5cm，该弧形长为2cm到2.6cm。
10.优选的，所述固定管为预设长度的毛细管。
11.优选的，所述第一传感光纤、第二传感光纤均为单模光纤。
12.优选的，所述谐振反射波导结构为空心硅管。
13.优选的，所述混合干涉装置为空心硅管。
14.本实用新型的有益效果是：本实用新型提出了一种基于弧形结构的折射率传感器，通过毛细管sct将传感器固定为弧形状，在弧形结构后面级联一个空气硅腔，对于弧形结构和谐振反射波导结构，由于单模光纤smf的热膨胀效应和热光效应，因此对于温度敏感，且弧形结构对液体折射率敏感，可以用作液体折射率传感器，由于不同的传感机理，因此本方案可用作温度、ri同时传感。另一方面，通过在单模光纤末端熔制气泡后，用sct将传感器固定为弧形状，混合结构不仅可以提高传感器的灵敏度，还使得传感器同时对温度、折射率和横向压力敏感，可用作三参数同时传感。并且设计的传感探头结构简单、性能稳定、价格低廉。
附图说明
15.图1是实施例1的传感器结构；
16.图2是实施例1的折射率传感测试装置；
17.图3是实施例1的横向压力传感测试装置；
18.图4是实施例1的温度传感测试装置；
19.图5是实施例2的传感器结构；
20.图6是实施例2的空气腔结构；
21.图7是实施例2的弧形、谐振腔和混合结构的透射光谱；
22.图8是实施例2的折射率传感实验装置；
23.图9是实施例2的折射率传感实验谱线图；
24.图10是实施例2的折射率传感实验拟合图；
25.图11是实施例2的温度传感实验装置；
26.图12是实施例2的温度传感实验谱线图；
27.图13是实施例2的温度传感实验拟合图。
具体实施方式
28.下面结合附图对本方案进行进一步说明。
29.一种基于弧形结构的折射率传感器，包括固定管、预设长度的第一传感光纤，第一传感光纤的两端穿入固定管同一侧的端面，并且于固定管另一侧端面穿出，且第一传感光纤在固定管背向第一传感光纤端部的端面外侧构成弧形。所述固定管为预设长度的毛细管。所述弧形上一点到所述固定管对应一侧所在平面的最长垂直距离为该弧形的长，所述弧形上垂直于弧形长的最长两点之间的距离为该弧形的宽，该弧形宽为1.2到1.5cm，该弧形长为2cm到 2.6cm。还包括谐振反射波导装置、预设长度的第二传感光纤，所述谐振反射波导结构为空气硅管，所述第一传感光纤、第二传感光纤为单模光纤，谐振反射波导装置为预设长度的空心管状结构，谐振反射波导装置的外径与所述第一传感光纤截面的外径相同，谐振反射波导装置的内径大于所述第一传感光纤截面纤芯的外径，第二传感光纤与所述第一传感光纤截面的外径、纤芯外径均相同，谐振反射波导装置的一端熔接所述第一传感光纤的一端，谐振反射波导装置的另一端熔接第二传感光纤的一端，谐振反射波导装置、第二传感光纤、所述第一传感光纤的两端位于所述固定管同侧端面外侧，第二传感光纤的另一端作为出光端，所述第一传感光纤的另一端作为入光端，端面需要平齐。
30.一种基于弧形结构的折射率传感器，包括固定管、预设长度的第一传感光纤，第一传感光纤的两端穿入固定管同一侧的端面，并且于固定管另一侧端面穿出，且第一传感光纤在固定管背向第一传感光纤端部的端面外侧构成弧形。所述固定管为预设长度的毛细管。所述第一传感光纤为单模光纤，所述弧形上一点到所述固定管对应一侧所在平面的最长垂直距离为该弧形的长，所述弧形上垂直于弧形长的最长两点之间的距离为该弧形的宽，该弧形宽为 1.2到1.5cm，该弧形长为2cm到2.6cm。还包括混合干涉装置，所述混合干涉装置为空心硅管，混合干涉装置为内置空心的气泡结构，该气泡结构的外径大于所述第一传感光纤的外径，并且表面设置有贯穿内外的通孔，该通孔与所述第一传感光纤的截面相适应，通孔的外层与所述第一传感光纤一端的外层相适应，通孔的内层大于所述第一传感光纤的纤芯，混合干涉装置通过其表面的通孔与所述第一传感光纤的一端相熔接，所述第一传感光纤的另一端同时作为入光端与出光端，端面平齐，光线在混合干涉装置内折射返回。
31.实施例1：
32.一种基于弧形结构的折射率传感器，包括毛细管、第一传感光纤，基于预设长度的第一传感光纤，将第一传感光纤的两端穿入毛细管同一侧的端面，并且于毛细管另一侧端面穿出，毛细管背向第一传感光纤两端的一侧由第一传感光纤围绕构成弧形。所述第一传感光纤为单模光纤，所述弧形上一点到所述固定管对应一侧所在平面的最长垂直距离为该弧形的长，所述弧形上垂直于弧形长的最长两点之间的距离为该弧形的宽，该弧形宽为1.2到1.5cm，该弧形长为2cm到2.6cm。还包括混合干涉装置，所述混合干涉装置为空心硅管，混合干涉装置为预设长度的空心管状结构，混合干涉装置的外径与所述第一传感光纤的外径相同，混合干涉装置的内径大于所述第一传感光纤纤芯的外径，混合干涉装置一端面熔接封闭构成气泡结构，该气泡结构的外径大于所述第一传感光纤的外径，并且表面设置有贯穿内外的通孔，该通孔与所述第一传感光纤的截面相适应，通孔的外层与所述第一传感光纤一端的外层相适应，通孔的内层大于所述第一传感光纤的纤芯，混合干涉装置通过其表面的通孔与所述第一传感光纤的一端相熔接，所述第一传感光纤的另一端同时作为入光端与出光端，端面平齐，光线在混合干涉装置内折射返回，本实施例中该传感器的气泡结构l1＝120μm，h1＝140μm，如图1所示。
33.本实施例设计了一种基于弧形结构的折射率传感器，一款制作工艺简单、性能稳定、价格低廉的光纤温度、横向压力和折射率传感器。由于单模光纤的热膨胀效应和热光效应，因此本设计可用作温度传感器，且本方案光纤传感器结构中有对液体折射率敏感的弧形结构，还可以用作液体折射率传感器。在传感器末端引入空气泡不仅可以提高传感器的灵敏度，且空气泡对于外界压力敏感，使得传感器可以用于横向压力传感。因此可以将此传感器应用于石油开采、化学化工、食品制造和环境检测等领域。
34.通过在光纤传感系统中引入混合光纤干涉仪，在不改变传感器的体积下，使有效干涉长度变为传统弧形结构的两倍从而提高了传感器的灵敏度，还可以使传感器用于同时温度、横向压力和折射率三参数测量。由于本方案传感器仅用到单模光纤且结构简单，因此不仅使得本方案性能稳定而且还大大降低了传感器的成本。创新性地提出了基于混合干涉仪的光纤温度、横向压力和折射率传感器结构。在单模光纤末端熔制气泡后，用毛细管(sct)将传感器固定为弧形状。这种结构制作方法简单，由于单模光纤的热膨胀效应和热光效应，此结构可用于温度测量，弧形结构由于对折射率敏感可用于折射率传感，气泡结构对横向压力敏感可用于横向压力传感。
35.本专利结构制作的具体步骤如下。首先用光纤钳将单模光纤(smf)端面15cm左右处剥去涂覆层，用棉花蘸取酒精擦拭干净，然后用光纤切割刀将端面切割平整放入熔接机的一端。取另一段长度合适的hcst在距端面2cm左右处剥去涂覆层，用棉花蘸取酒精擦拭干净，然后用光纤切割刀将端面切割平整放入熔接机的另一端。选取熔接程序，设置好合适的参数后放电。在显微镜的帮助下切取合适的hcst长度，将切好后的hcst断面放入熔接机的一端，调节光纤熔接机马达将切平端面置于光纤熔接机显示面板中央，设置好合适的参数后放电形成空气泡。将光纤一端来回插入sct并使用紫外线固化胶(uv)来固定传感器结构，结构如图1所示。
36.如图1所示当入射光沿着单模光纤(smf)的纤芯传播遇到弧形结构后由于模场的不匹配，纤芯中的一部分光会耦合进包层进行传输。因为菲涅尔反射的存在纤芯跟包层中的光在单模光纤末端空气泡区域会被反射回来。由于两束光传输路径的折射率不同，当两
束光再次相遇时存在一定的相位差产生干涉。
37.在本专利中，混合干涉仪的干涉强度和相位差可以分别表达如下：
[0038][0039][0040]
其中i1和i2分别是纤芯和包层模式的光强；λ是真空中的波长；l2是单模光纤的长度；和是纤芯模式和包层模式的有效折射率；δ是纤芯模式和包层模式间的相位差与空气泡腔相位差。
[0041]
当满足条件：
[0042]
δ＝(2m 1)π
[0043]
将出现干涉波谷。其中m为整数，为第m级干涉波谷对应的波长。
[0044]
当外界横向压力作用于空气泡时，空气泡长度的变化将引起光程差的变化。包层模式对液体 ri变化敏感，而纤芯模式对液体ri变化不敏感，因此，周围液体ri的变化会改变两束干涉光的光程差。此外，由于二氧化硅的热膨胀和热光效应，温度变化也会改变两束干涉光的光程差。假设横向压力、温度和ri的变化分别为δn,δt和δn，则三参数的灵敏度矩阵可导出为：
[0045][0046]
其中δλ
pa
，δλ
pb
和δλ
pc
分别是波谷a、波谷b和波谷c处的波长偏移；s
in
,s
it
和s
in (i＝1,2,3)分别是波谷a、波谷b和波谷c处的横向压力、温度和ri灵敏度。
[0047]
在折射率传感检测中，如图2所示，通过耦合器(3db coupler)的输入与输出两端分别连接光源(bbs)和光谱分析仪(osa)，另一端连接到传感探头，将传感器用玻璃片固定好后，用胶头滴管向弧形结构滴加甘油-水配比的溶液，甘油-水配比溶液的折射率测量是由室温下用阿贝折射仪测得。在横向压力传感检测中，如图3所示，通过耦合器(3dbcoupler)的输入与输出两端分别连接bbs和osa，另一端连接到传感探头，将空气泡固定于两玻璃片间，向玻璃片上施加横向压力。在温度传感检测中，如图4所示，通过耦合器 (3db coupler)的输入与输出两端分别连接bbs和osa，另一端连接到传感探头，将传感器用玻璃片固定好后放入温控箱(tc)中。
[0048]
实施例2：
[0049]
一种基于弧形结构的折射率传感器，包括毛细管、第一传感光纤，基于预设长度的第一传感光纤，将第一传感光纤的两端穿入毛细管同一侧的端面，并且于毛细管另一侧端面穿出，毛细管背向第一传感光纤两端的一侧由第一传感光纤围绕构成弧形。所述固定管为预设长度的毛细管。所述弧形上一点到所述固定管对应一侧所在平面的最长垂直距离为该弧形的长，所述弧形上垂直于弧形长的最长两点之间的距离为该弧形的宽，该弧形宽为1.2到1.5cm，该弧形长为2cm到2.6cm。还包括谐振反射波导装置、预设长度的第二传感光纤，所述谐振反射波导结构为空气硅管，所述第一传感光纤、第二传感光纤为单模光纤，谐
振反射波导装置为预设长度的空心管状结构，谐振反射波导装置的外径与所述第一传感光纤的外径相同，谐振反射波导装置的内径大于所述第一传感光纤纤芯的外径，第二传感光纤与所述第一传感光纤截面尺寸相同，谐振反射波导装置的一端熔接所述第一传感光纤的一端，谐振反射波导装置的另一端熔接第二传感光纤的一端，谐振反射波导装置、第二传感光纤、所述第一传感光纤的两端位于所述固定管同侧端面，第二传感光纤的另一端作为出光端，所述第一传感光纤的另一端作为入光端。端面需要平齐。
[0050]
本实施例设计了一款制作工艺简单、高灵敏度、性能稳定、价格低廉的光纤温度、ri 传感器。对于弧形结构和谐振反射波导结构，由于smf的热膨胀效应和热光效应，因此对于温度敏感，且弧形结构对ri敏感，可以用作液体ri传感器。由于不同的传感机理，因此本设计可用作温度、ri同时传感，因此可以将此传感器应用于生物医疗、化学化工、食品制造和环境检测等领域。
[0051]
创新性地提出了基于级联弧形结构和空芯硅管的光纤温度和ri传感器。通过毛细管 (sct)将传感器固定为弧形状，在弧形结构后面级联一个空气硅腔。这种结构制作方法简单，由于smf的热膨胀效应和热光效应，此结构可用于温度测量，弧形结构由于对ri敏感可用于ri传感，由于两种不同的传感机理，因此本设计可用作温度、ri同时传感。设计基于级联弧形结构和空芯硅管(hcst)的光纤温度和ri传感器。通过在光纤传感系统中引入不同的传感机理，可以使传感器用于同时温度和ri双参数同时测量。由于本方案传感器仅用到smf和hcst且结构简单，因此不仅使得本设计性能稳定而且还大大降低了传感器的成本。
[0052]
本专利结构制作的具体步骤如下。首先用光纤钳将smf端面15cm左右处剥去涂覆层，用棉花蘸取酒精擦拭干净，然后用光纤切割刀将端面切割平整放入熔接机的一端。取另一段长度合适的hcst在距端面2cm左右处剥去涂覆层，用棉花蘸取酒精擦拭干净，然后用光纤切割刀将端面切割平整放入熔接机的另一端。选取熔接程序，设置好合适的参数后放电。在显微镜的帮助下切取1000μm的hcst，将切好后的hcst断面放入熔接机的一端，取另一段 smf去除涂覆层3cm，用棉花蘸取酒精擦拭干净，然后用光纤切割刀将端面切割平整放入熔接机的另一端，调节光纤熔接机马达将两端面置于光纤熔接机显示面板中央，设置好合适的参数后放电形成空气腔。将光纤一端来回插入sct并使用紫外线固化胶来固定传感器结构。结构如图5所示。谐振腔结构如图6所示。图7为单弧形、单谐振腔和混合结构的透射光谱。
[0053]
对于弧形结构，如图5所示，当入射光沿着smf的纤芯传播到弧形结构后由于模场的不匹配，进入弧形结构时纤芯中的一部分光会耦合进包层进行传输，在出弧形结构时包层光耦合进入纤芯传播。由于两束光传输路径的ri不同，当两束光再次相遇时存在一定的相位差产生干涉。在本专利中，弧形结构为典型的m-z结构，m-z干涉仪的干涉强度和相位差可以分别表达如下：
[0054][0055][0056]
其中i1和i2分别是纤芯和包层模式的光强；λ是真空中的波长；l
eff
是m-z干涉的有效长度；和是纤芯模式和包层模式的有效折射率；δ是纤芯模式和包层模式间的相
位差。
[0057]
当满足条件：
[0058]
δ＝(2m 1)π
[0059]
将出现干涉波谷。其中m为整数，为第m级干涉波谷对应的波长。
[0060]
当入射光沿着smf到达谐振结构，沿着径向方向，当光束到达hcst的侧墙，光束被外墙m1和内墙m2反射可以形成f-p干涉，hcst的侧墙可以被看作硅腔。在中心共振波长处，大部分光从侧壁通过，导致透射光谱中出现了急剧的周期性下降。当光的波长逐渐偏离中心共振波长，更多的光被限制在hcst中，光损耗逐渐减小。当传播波长远离共振波长，光被内部反射并限制在hcst内作为引导核心模式。因此，hcst起到了谐振反射光波导的作用。第m
′
谐振波长λm′
可以表示为：
[0061][0062]
谐振腔对温度的灵敏度可由以上方程得到：
[0063][0064]
对于弧形结构和谐振反射波导结构，由于smf的热膨胀效应和热光效应，当外界温度增加时，干涉波谷发生红移，通过追踪波谷的移动可以实现对外界温度的测量。同时对于弧形结构，部分光被激发到包层，当弧形结构附近ri发生改变后，包层模和纤芯模间有效ri差改变，导致干涉谱线移动，通过追踪波谷的移动可以实现对外界ri的测量。由于不同的传感机理，因此本设计可用作温度、ri同时传感。假设ri和温度的变化值为δn和δt，同时传感可由以下矩阵实现：
[0065][0066]
其中k
n1
和k
n2
分别是传感器在dip1和dip2的ri灵敏度，k
t1
和k
t2
分别是传感器在 dip1和dip2的温度灵敏度。
[0067]
ri的传感实验装置如图8所示。在ri传感实验中，传感器入光端连接光源(bbs)、出光端连接光谱分析仪(osa)。将传感器用玻璃片固定好后，用胶头滴管向弧形结构滴加甘油-水配比的溶液，甘油-水配比溶液的ri测量是由室温下用阿贝折射仪测得。ri变化范围从1.330-1.400，ri增长步长为0.01，每次测量之后都需要用蒸馏水把传感探头清洗干净并烘干待谱线恢复后再进行后续的ri实验。实验结果如图9至图10所示。
[0068]
温度传感实验装置图如图11所示。在温度传感实验中，传感器入光端连接光源(bbs)、出光端连接光谱分析仪(osa)。将传感器用玻璃片固定好后放入温控箱(tc)中。通过调节温控箱的温度来记录传感器对温度的响应，20℃时记录初始反射谱线，每隔10℃记录一次，从20℃到90℃。实验结果如图12至图13所示，图13中谱线图为dip b的局部放大。
[0069]
上述技术方案所设计一种基于弧形结构的折射率传感器，通过毛细管sct将传感器固定为弧形状，在弧形结构后面级联一个空气硅腔，对于弧形结构和谐振反射波导结构，由于单模光纤smf的热膨胀效应和热光效应，因此对于温度敏感，且弧形结构对液体折射率敏感，可以用作液体折射率传感器，由于不同的传感机理，因此本方案可用作温度、ri同时
传感。另一方面，通过在单模光纤末端熔制气泡后，用sct将传感器固定为弧形状，混合结构不仅可以提高传感器的灵敏度，还使得传感器同时对温度、折射率和横向压力敏感，可用作三参数同时传感。并且设计的传感探头结构简单、性能稳定、价格低廉。
[0070]
上面结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出各种变化。