[发明专利]一种光纤传感头和基于该传感头的测量液体折射率的光纤传感系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感系统领域。

背景技术

由于光纤的低成本、抗腐蚀、高敏感等优良特性，近年来光纤在折射率传感方面得到很大的关注并广泛运用到了生物、化学等领域。光纤折射率传感器按探测光谱主要可分为两类，透射型光纤传感器和反射型光纤传感器。相对于反射型光纤传感器，透射型光纤传感器的传感系统所占空间相对较大，限制了其在生物体内进行直接的折射率探测。对于反射型光纤传感器，通常使用光纤结合着光纤外部Fabry-Perot（FP）腔或光纤内部FP腔来探测折射率的变化；而外部FP腔，同样面临着传感头所占空间相对较大的问题。因而相较而言，基于光纤内部FP腔的传感器在折射率的传感应用方面范围更广。然而传统的基于内部FP腔的光纤传感器尽管尺寸小，距离大，由于FP腔距光纤尾端的距离较近，当测试液体时，液体除了对FP反射面的反射率产生影响外，且对光纤尾端的反射率产生影响，两者影响会发生交叉传感，从而导致光谱仪测得的反射光强对于待测液体折射率无法呈单调变化，只能在很窄的一段折射率范围内呈现单调变化，并且单调区域随着待测液体折射率的变化而发生变化。因而大大限制了基于内部FP腔的光纤传感器在折射率测量方面的应用。

发明内容

本发明是为了解决现有光纤传感头FP腔距光纤尾端的距离较近，进而对反射率产生影响的问题，现提供一种光纤传感头和基于该传感头的测量液体折射率的光纤传感系统及方法。

一种光纤传感头，它包括：光纤和反射材料；

所述光纤包括：光纤包层和光纤纤芯；

光纤包层包裹在光纤纤芯的外侧；在光纤纤芯上开有四棱柱形的空气通道，该空气通道的截面为等腰梯形，且该等腰梯形的腰所在平面与光纤轴的夹角为45度，该等腰梯形的高等于光纤纤芯的直径，该等腰梯形的短底边的长度范围在10μm至20μm之间，空气通道的长度等于光纤的直径，该等腰梯形的短底边所对应的光纤包层外侧固定有反射材料。

一种测量液体折射率的光纤传感系统，它包括：光源、3dB耦合器、偏振器、传感头、光谱仪和信号处理模块；

光源发出的光经3dB耦合器传输至偏振器中，偏振器经该光进行调节并传输至传感头中，传感头将该光反射到偏振器中，偏振器将传感头反射的光传输至3dB耦合器中，3dB耦合器将该光传输至光谱仪中，光谱仪的光谱信号输出端连接信号处理模块的光谱信号输入端；

所述信号处理模块包括以下单元：

采集光谱仪中获得的反射谱在1550nm处的反射谱强度的单元；

获得空气通道与光纤纤芯接触面的反射率R的单元；

获得待测液体的折射率n₂的单元；

所述传感头包括：光纤和反射材料；

所述光纤包括：光纤包层和光纤纤芯；

光纤包层包裹在光纤纤芯的外侧；在光纤纤芯上开有四棱柱形的空气通道，该空气通道的截面为等腰梯形，且该等腰梯形的腰所在平面与光纤轴的夹角为45度，该等腰梯形的高等于光纤纤芯的直径，该等腰梯形的短底边的长度范围在10μm至20μm之间，空气通道的长度等于光纤的直径，该等腰梯形的短底边所对应的光纤包层外侧设有反射材料。

一种测量液体折射率的方法，该方法是基于下述装置实现的，

所述装置包括：光源、3dB耦合器、偏振器、传感头和光谱仪；

光源发出的光经3dB耦合器传输至偏振器中，偏振器经该光进行调节并传输至传感头中，传感头将该光反射到偏振器中，偏振器将传感头反射的光传输至3dB耦合器中，3dB耦合器将该光传输至光谱仪中；

所述传感头包括：光纤和反射材料；

所述光纤包括：光纤包层和光纤纤芯；

光纤包层包裹在光纤纤芯的外侧；在光纤纤芯上开有四棱柱形的空气通道，该空气通道的截面为等腰梯形，且该等腰梯形的腰所在平面与光纤轴的夹角为45度，该等腰梯形的高等于光纤纤芯的直径，该等腰梯形的短底边的长度范围在10μm至20μm之间，空气通道的长度等于光纤的直径，该等腰梯形的短底边所对应的光纤包层外侧设有反射材料；

基于上述装置的一种测量液体折射率的方法包括以下步骤：

步骤一：调节偏振器，使入射到传感头中的光为一种偏振态下的光；然后执行步骤二；

步骤二：保持传感头不浸入液体中，利用光谱仪获得反射谱在1550nm处的反射谱强度基准值I₀，然后执行步骤三；

步骤三：将传感头浸入待测液体中，使待测液体进入空气通道，利用光谱仪获得反射谱在1550nm处的反射谱强度值I₁，然后执行步骤四；