[发明专利]基于超连续谱光源的液体折射率测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感器技术领域，涉及用于科学研究、环境监控和生物化学传感等领域的全光纤传感装置的搭建，具体涉及一种可以实现大范围高精度折射率变化检测的全光纤液体折射率传感装置及方法。

背景技术

近年随着科技的发展，各种液体折射率检测技术层出不穷，实时准确的检测液体的折射率在生物医学、环境监测、能源化工、食品安全等领域具有重要的意义。光纤传感器由于具有抗电磁干扰、灵敏度高、电绝缘性好、安全可靠、耐腐蚀、微型化等诸多的优点，在生物、化学、医学等领域中的微量气体、液体、化学元素、DNA等检测方面有着广泛的应用前景。常见的光纤液体折射率传感器根据原理可以分为干涉型、光栅型、表面等离子体共振(SPR)型以及微纳光纤型等。其中，光纤SPR型液体折射率传感器是一类重要的传感器结构，多年来人们不断的改进光纤SPR传感器的结构，使得这一类传感器的灵敏度和测量精度有了一定程度的提高，但是传感器仍然存在折射率测量范围窄、稳定性差、易受外界环境的影响等缺点。现阶段的光纤SPR传感器一般使用波长解调的方式，光源采用卤钨灯或ASE宽带光源，光谱范围在可见光或者近红外，在实现高灵敏度的同时难以实现大量程。如2006年南京航空航天大学曾捷等[1]人设计了一种基于600微米纤芯石英光纤的反射式光纤SPR传感器，折射率测量范围1.3675-1.4281，SPR谐振波长从662.9nm到920nm，在测量高折射率液体时，其SPR谐振峰带宽展宽严重，导致寻峰精度下降。2011年JAlbert等[2]人提出的TFBG-SPR折射率传感器，在折射率范围1.31-1.38条件下，SPR谐振波长范围从1525nm到1565nm。特别地，其采用包层模标定方法提高了其品质因数。单一的传感器由于对温度、应力等交叉敏感，其结果的准确性受到很大的影响，传感精度不高。有关涉及到本发明技术的文献和报道包括：[1]曾捷，梁大开，曾振武，杜燕.基于SPR光谱分析的液体折射率测量研究.光谱学与光谱分析，2006.[2]Christophe Caucheteur,Yanina Shevchenko,Li-Yang Shao,Marc Wuilpart,Jacques Albert.High resolution interrogation of tilted fiber grating SPR sensors from polarization properties measurement，OPTICS EXPRESS，2011.

发明内容

为了改善上述现有技术，本发明提出了一种基于超连续谱光源的液体折射率测量装置及方法，在一个独立的测量系统内，使用塑料包层石英光纤SPR技术和TFBG-SPR(倾斜光纤光栅-表面等离子体共振)技术同时来测量液体折射率。对双传感器测量结果进行对比标定，实现高精度折射率测量。

本发明实现了一种基于超连续谱光源的液体折射率测量装置，该装置由超连续谱光源1、偏振控制器3、TFBG-SPR传感器5、塑料包层石英光纤SPR传感器7、光谱仪9、计算机11组成；其中，超连续谱光源1和偏振控制器3之间通过单模光纤2连接，偏振控制器3通过单模光纤4连接TFBG-SPR传感器5，TFBG-SPR传感器5和塑料包层石英光纤SPR传感器7通过多模光纤6相连接；塑料包层石英光纤SPR传感器7通过多模光纤8和光谱仪9直接连接；最后光谱仪9采集到的数据通过USB数据线10传输到计算机11进行数据处理，通过LabVIEW实时显示测量结果；

超连续谱光源1发射出的光首先经过偏振控制器3调整为线偏光束，线偏光束的偏振方向为满足入射倾斜光纤光栅的光为P偏振；所述线偏光束经过单模光纤4后经过TFBG-SPR传感器5、再经过多模光纤6后进入塑料包层石英光纤SPR传感器7，再经过多模光纤8进入光谱仪9，光谱仪9将接收到的光谱信号经过USB数据线10传输给计算机11，计算机11经过数据处理得到待测液体的折射率。

所述光源为超连续谱光源1，光谱范围400nm-2400nm。

所述塑料包层石英光纤SPR传感器7所镀材料为金，膜层厚度为40-60nm。

所述TFBG-SPR传感器5的TFBG栅区的倾斜角度取值为4～15°。光栅长度为10mm，所镀材料为金，膜层厚度为40-60nm。