[发明专利]利用拉锥光纤测量分布式液体折射率的传感系统及方法

说明书

一种利用拉锥光纤测量分布式液体折射率的传感系统及方法，涉及光纤传感技术领域，基于拉锥光纤的锥形区域部分发生的背向瑞利散射模间干涉，进行折射率传感，通过锥形区域产生的较强倏逝波感知外界折射率的变化，改变拉锥光纤内背向瑞利散射传播的有效模式折射率；将拉锥光纤置于液体中，通过分布式光纤传感装置，检测所述拉锥光纤的瑞利散射光谱的波长移动，分析所述波长移动，获取液体连续分布式的折射率分布状况。实现了高空间分辨率达到毫米级的分布式液体折射率测量。

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种利用拉锥光纤测量分布式液体折射率的传感系统及方法，应用于光频域反射。

背景技术

物质折射率是反映物质内部信息的一个重要物理量。物质折射率的测量在基础研究、化学分析、环境污染评估、医疗诊断和食品工业等领域有着广泛的应用。

光纤折射率传感器具有传感器本质绝缘、抗电磁干扰、高灵敏度、高精度、集成度高、高带宽、可复用等特征成为折射率传感器研究热点。传统光纤折射率传感器有布拉格光纤光栅、长周期光栅、微弯光纤、光子晶体光纤、光纤表面等离子共振、F-P传感器、在线MZ传感器、微球、微环振荡器、以及单模多模光纤串接等结构。

上述的传统光纤折射率传感器一般采用宽带光源和光谱仪解调或可调谐激光器扫描探测，利用透射光方式，只能进行单点传感，为分立式传感，无法准确测量在一定长度上的折射率分布。

目前迫切需要一种光纤折射率传感器可实现沿光纤上分布式折射率传感，在光纤一定长度上任何一点都是敏感点，实现多点连续传感。

发明内容

本发明提供了一种利用拉锥光纤测量分布式液体折射率的传感系统及方法，本发明实现了高空间分辨率达到mm(毫米)级的分布式液体折射率测量，可成功应用于密集的液体折射率分布式测量、监测液体扩散，以及液层精确定位等场合，详见下文描述：

一种利用拉锥光纤测量分布式液体折射率的传感系统，所述传感系统包括：光频域反射的分布式光纤传感装置，所述传感系统用于实现高空间分辨率达到毫米级的分布式液体折射率测量；

所述传感系统包括：拉锥光纤，

基于所述拉锥光纤的锥形区域部分发生的背向瑞利散射模间干涉，进行折射率传感，通过锥形区域产生的较强倏逝波感知外界折射率的变化，改变所述拉锥光纤内背向瑞利散射传播的有效模式折射率；

将所述拉锥光纤置于液体中，通过所述分布式光纤传感装置，检测所述拉锥光纤的瑞利散射光谱的波长移动，分析所述波长移动，获取液体连续分布式的折射率分布状况。

所述拉锥光纤为细径光纤在拉锥机上拉制而成。

拉锥过程中的拉伸速度为200μm/s，氢氧焰往复距离为2000μm，往复速度为360μm/s，光纤伸长量为100000μm，锥区直径为4μm。

一种利用拉锥光纤测量分布式液体折射率的传感方法，所述传感方法包括以下步骤：

在主干涉仪中由拉锥光纤背向瑞利散射形成拍频干涉信号，并对拍频干涉信号分别进行快速傅里叶变换，将光频域信息转换到对应拉锥光纤中各个位置的距离域信息，对距离域信息通过一定宽度的移动窗依次选取拉锥光纤的各个位置形成本地距离域信息；

参考信号和测量信号都利用移动窗选取拉锥光纤的本地距离域信息，将本地距离域信息补零，补零数量可以是补零前本地距离域数据长度数倍，然后将补零后本地距离域信息利用复数傅里叶反变换、再转换到光频域得到参考信号和测量信号的本地光频域信息；

利用互相关运算对参考信号和测量信号的本地光频域信息进行光谱波长移动估计，互相关峰移动量反映瑞利散射光谱波长移动，瑞利散射光谱波长移动与液体折射率变化量成正比，通过互相关峰移动量即反映液体折射率变化量。

本发明提供的技术方案的有益效果是：