一种腔长谱光纤折射率传感器、传感系统及其制备方法

技术领域

本发明涉及光纤折射率传感器技术领域，尤其涉及一种腔长谱光纤折射率传感器、传感系统及其制备方法。

背景技术

光纤法布里-珀罗(F-P)腔传感器以其体积小、结构简单、灵敏度高、抗电磁干扰等优点，在现代工业中备受关注。FP传感器在监测化学生产、地质勘探、健康监测、航空航天监测等方面发挥着越来越重要的作用。根据腔长或腔填充物折射率是否发生变化，FP传感器可分为两种类型：腔长型和折射率型。腔长型通常用于测量机械或热力学物理量，如压力、应力、液面张力、位移、倾斜度、流速、加速度、声压、温度等。另一方面，折射率型可以通过电光效应检测各种物理量，磁光效应、弹性光效应、热光效应，使其应用领域比腔长型更广。到目前为止，折射率型已被研究用于微波功率传感、磁场传感、压力传感、超声传感、温度传感。几乎所有现有的FP腔传感系统都需要超连续谱激光器和光电探测器分别作为光源和探测器，这使得高精度传感系统成本高昂，并阻碍了光纤FP腔传感器的普及。强度传感方案不依赖于超连续谱激光器和光电探测器。然而，它的传感精度严重受到激光器输出功率波动的影响，使其可靠性降低。由此降低系统成本、提高系统稳定性与性能成为必须。

此外，几乎所有现有的FP腔传感系统都需要超连续谱激光器和光电探测器分别作为光源和探测器，这使得高精度传感系统成本高昂，并阻碍了光纤FP腔传感器的普及。而且波长光谱的传感依赖于价格昂贵的光电探测器(OSA)和超连续光源(SC-5)，光电探测器的性能的好坏能在一部分程度上决定传感器的传感性能。强度传感方案不依赖于超连续谱激光器和光电探测器。然而，它的传感精度严重受到激光器输出功率波动的影响，使其可靠性降低。

发明内容

为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种腔长谱光纤折射率传感器、传感系统及其制备方法。

本发明提出的一种腔长谱光纤折射率传感器，包括：安装基座、光学玻璃和多根单模光纤；

安装基座顶部设有溶液槽，光学玻璃竖直安装在所述溶液槽内且其一侧具有反射面，所述溶液槽与所述反射面相对的侧壁设有多个光纤安装位，所述光纤安装位上设有用于容纳光纤的通孔，单模光纤一端穿过所述通孔伸入所述溶液槽内，在单模光纤的端面与所述反射面之间形成FP腔，多个FP腔的腔长均不相等。

优选地，所述光纤安装位上安装有陶瓷插芯，所述通孔位于陶瓷插芯中部，每个单模光纤通过一个陶瓷插芯安装在安装基座上。

优选地，安装基座上还设有光纤定位部，所述光纤定位部位于光纤安装位远离光学玻璃一侧，光纤定位部上设有多个定位槽，每个定位槽与一个光纤安装位上的通孔对应布置。

优选地，所述单模光纤通过固定在所述定位槽内。

优选地，所述光学玻璃远离反射面一侧具有磨砂面。

本发明中，所提出的腔长谱光纤折射率传感器，安装基座顶部设有溶液槽，光学玻璃竖直安装在所述溶液槽内且其一侧具有反射面，所述溶液槽侧壁设有多个光纤安装位，所述光纤安装位上设有用于容纳光纤的通孔，单模光纤一端穿过所述通孔伸入所述溶液槽内，在单模光纤的端面与所述反射面之间形成FP腔，多个FP腔的腔长均不相等。在单模光纤端面和反射面之间形成FP腔，保证多个FP腔的腔长间隔精细，从而利用腔长谱实现折射率高精度传感，相对于波长谱传感，无需光电探测器与宽带光源进行传感，消除光源波动的影响，并且将传感信号漂移量从纳米级提高至微米级，提高传感性能的同时大大降低了系统成本。

本发明还提出一种腔长谱光纤折射率传感系统，包括：单色激光光源、环形器、光电探测器和上述的腔长谱光纤折射率传感器；

单色激光光源和光电探测器分别通过环形器与所述腔长谱光纤折射率传感器的单模光纤连接。

优选地，多个FP腔的腔长依次递增，相邻两个腔长的递增步长小于λ

其中，n为折射率的检测上限，λ

优选地，多个FP腔的腔长递增步长一致。

本发明中，所提出的腔长谱光纤折射率传感系统，单色激光光源和光电探测器分别通过环形器与所述腔长谱光纤折射率传感器的单模光纤连接。通过根据光源的波长参数设计多个FP腔的递增步长，使得多个FP腔对应的腔长谱满足奈奎斯特定律，无需拟合即可获得更高的折射率传感灵敏度数值。

本发明还提出一种上述的腔长谱光纤折射率传感系统的制备方法，包括下列步骤：

S1、将光学玻璃安装在安装基座上；

S2、将单模光纤放入安装基座上的定位槽，将单模光纤前端插入陶瓷插芯中部，在单模光纤的前端端面与光学玻璃的反射面之间形成FP腔；

S3、根据单色激光光源的波长参数和预设折射率检测范围上限，设置预设FP腔腔长，使相邻两个FP腔的递增步长小于λ

S4、将单模光纤远离光学玻璃一端通过环形器连接单色激光光源和光电探测器，基于光电探测器的检测结果依次调节单模光纤的前端端面与光学玻璃的反射面之间的间距，使FP腔腔长满足S3的预设FP腔腔长。

优选地，在S4中，调整每个单模光纤的前端端面与光学玻璃的反射面之间的间距满足预设FP腔腔长后，在光纤容纳槽内填充光固化胶固定单模光纤。

本发明中，所提出的腔长谱光纤折射率传感器的制备方法，无需熔接加工，避免加工过程对传感器的腔长精度的影响。

附图说明

图1为本发明提出的一种腔长谱光纤折射率传感器的一种实施方式的结构示意图。

图2为本发明提出的一种腔长谱光纤折射率传感系统的一种实施方式的信号传递示意图。

图3为本发明提出的一种腔长谱光纤折射率传感器的一种实施方式的FP腔示意图。

具体实施方式

如图1至3所示，图1为本发明提出的一种腔长谱光纤折射率传感器的一种实施方式的结构示意图，图2为本发明提出的一种腔长谱光纤折射率传感系统的一种实施方式的信号传递示意图，图3为本发明提出的一种腔长谱光纤折射率传感器的一种实施方式的FP腔示意图。

参照图1，本发明提出的一种腔长谱光纤折射率传感器，包括：安装基座1、光学玻璃2和多根单模光纤3；

安装基座1顶部设有溶液槽11，光学玻璃2竖直安装在所述溶液槽11内且其一侧具有反射面，所述溶液槽11与所述反射面相对的侧壁设有多个光纤安装位，所述光纤安装位上设有用于容纳光纤的通孔，单模光纤3一端穿过所述通孔伸入所述溶液槽11内，在单模光纤3的端面与所述反射面之间形成FP腔，多个FP腔的腔长均不相等。

为了详细说明本实施例的传感器的工作方式，参照图2，本实施例还提出一种腔长谱光纤折射率传感系统，包括：单色激光光源10、环形器20、光电探测器30和上述的腔长谱光纤折射率传感器；

单色激光光源和光电探测器分别通过环形器与所述腔长谱光纤折射率传感器的单模光纤连接。

本实施例的腔长谱光纤折射率传感器的具体工作过程中，将多个单模光纤分别通过环形器与光源和光电探测器连接。检测时，将待测液体放入安装基座的溶液槽内，使得待测液体进入多个腔长不同的FP腔内，光源出射光通过环形器通过传感器的单模光纤分别进入FP腔内，在光学玻璃的反射面反射后产生光强信号，再次经由单模光纤和环形器被光电探测器收集，实现腔长谱的探测。

在实际设计时，传感器的FP腔数量有限，基于欠采样获得的光信号影响最终腔长谱的检测精度，可通过下列重构腔长谱的折射率解调方法对欠采样的信号进行处理，包括下列步骤：

S1、获取不同腔长下光纤FP腔的采样数据；

S2、预设多个折射率参考值，基于光纤FP的腔长波光谱公式计算与每个折射率参考值对应的理论腔长谱理论模型，利用最小二乘算法将S1的采样数据与每个折射率参考值对应的腔长谱理论模型进行对比，分别得出每个折射率参考值附近的局域最优解以及与该解对应的误差；

其中，所述光纤FP的腔长波光谱公式如下：

R＝A+B-2Ccos[(4πn/λ)L] (1)

其中，λ为入射光波长，I

A

S2具体包括：

S21、在预设折射率检测范围内设定参考初值作为初始折射率参考值，基于光纤FP的腔长波光谱公式计算与初始折射率参考值对应的理论腔长谱理论模型，然后利用最小二乘法，将S1的采样数据与所述腔长谱理论模型进行对比，得出初始折射率参考值附近的局域最优解以及与该解对应的误差；

其中，参考初值为所述折射率检测范围的最小值。

S22、以预设间隔差值递增调整参考初值，并判断调整后的值是否位于预设折射率检测范围内；

若是，作为折射率参考值，并计算与之对应的理论腔长谱理论模型，然后利用最小二乘算法将S1的采样数据与所述腔长谱理论模型进行对比，得出所述折射率参考值附近的局域最优解以及与该解对应的误差。

S3、比较所得到的局部最优解的误差值，将误差值最小的局域最优解作为折射率解调结果输出。

通过多个腔长不同的光纤FP腔传感单元获取的采样数据，通过非连续的欠采样方式重构腔长谱，并且基于折射率解调算法将采样数据与参考折射率附近的腔长谱理论模型进行对比，对于每一个参考折射率，在其附近解调出一个折射率数值，其对应的腔长谱与采样数据的误差最小，通过对比解调折射率的误差大小，得到最接近实际折射率的数值。本实施例的传感器结合上述折射率解调方法，基于光纤的单频多腔的腔长谱解调出溶液的折射率，大大提高检测精度，稳定性强，并且通过欠采样重构腔长谱，相对于连续采样计算过程大大简化，适用性广且成本低廉。

在本实施例中，所提出的腔长谱光纤折射率传感器，安装基座顶部设有溶液槽，光学玻璃竖直安装在所述溶液槽内且其一侧具有反射面，所述溶液槽侧壁设有多个光纤安装位，所述光纤安装位上设有用于容纳光纤的通孔，单模光纤一端穿过所述通孔伸入所述溶液槽内，在单模光纤的端面与所述反射面之间形成FP腔，多个FP腔的腔长均不相等。在单模光纤端面和反射面之间形成FP腔，保证多个FP腔的腔长间隔精细，从而利用腔长谱实现折射率高精度传感，相对于波长谱传感，无需光电探测器与宽带光源进行传感，消除光源波动的影响，并且将传感信号漂移量从纳米级提高至微米级，提高传感性能的同时大大降低了系统成本。

在所检测到的腔长谱中，谱谷的位置即谐振腔长度，可以从等式(1)中导出并表示为：

通过相邻级次以及等式(3)，可以得出腔长谱的自由光谱范围：

其中m表示正整数，λ

根据等式(3)，折射率感测灵敏度可以计算为：

当多个FP腔所获取的信号满足奈奎斯特定律时，传感器可实现在欠采样的情况下直接获得准确的连续光强信号，此时，无需解调步骤，传感器的FP腔组输出的光谱信号可作为可靠的腔长检测信号。这种情况下，需要FP腔腔长的递增步长小于FSR/2的步长阈值。根据等式(4)，步长阈值＝λ

进一步地，通过更换不同折射率的同种溶液，可以检测到腔长谱的漂移，可以根据漂移量进行传感。

在具体实施方式中，所述光纤安装位上安装有陶瓷插芯4，所述通孔位于陶瓷插芯4中部，每个单模光纤3通过一个陶瓷插芯4安装在安装基座1上。光纤通过陶瓷插芯安装，便于准确定位。

在进一步具体实施方式中，安装基座1上还设有光纤定位部，所述光纤定位部位于光纤安装位远离光学玻璃2一侧，光纤定位部上设有多个定位槽，每个定位槽与一个光纤安装位上的通孔对应布置。在加工过程中，首先将光纤放置在定位槽内，沿定位槽移动光纤，便于调节光纤端面至光学玻璃的距离。优选地，所述定位槽具有V型槽结构。

在光学玻璃的具体安装方式中，所述溶液槽11内壁设有用于安装光学玻璃2的插槽。所述光学玻璃2远离反射面一侧具有磨砂面。与单模光纤形成FP腔后，单面磨砂避免第二个玻璃面对光造成反射。

本实施例还提出一种上述的腔长谱光纤折射率传感器的制备方法，包括下列步骤：

S1、将光学玻璃2安装在安装基座1上；

S2、将单模光纤3放入安装基座1上的定位槽，将单模光纤3前端插入陶瓷插芯4中部，在单模光纤3的前端端面与光学玻璃2的反射面之间形成FP腔；

S3、根据单色激光光源10的波长参数和预设折射率检测范围上限，设置预设FP腔腔长，使相邻两个FP腔的递增步长小于λ

S4、将单模光纤3远离光学玻璃2一端通过环形器连接单色激光光源和光电探测器20，基于光电探测器20的检测结果依次调节单模光纤3的前端端面与光学玻璃2的反射面之间的间距，使FP腔腔长满足S3的预设FP腔腔长。

为了避免反复使用中FP腔长发生变化，在S4中，调整每个单模光纤3的前端端面与光学玻璃2的反射面之间的间距满足预设FP腔腔长后，在光纤容纳槽内填充光固化胶固定单模光纤3。

通过上述制备方法，传感器的制备和系统过程同时完成，同步实现传感器的加工精度和与系统的匹配。并且，在加工过程中，单模光纤无熔接过程，避免加工过程对调整后的腔长精度造成二次影响。

下面以具体实例详细说明本实施例的腔长谱光纤折射率传感器。

本实施例的腔长谱光纤折射率传感系统的制备方法，包括下列步骤：

S1、利用Solidworks工业软件设计安装基座，利用3D打印机将安装基座打印加工出成品，并将陶瓷插芯与光学玻璃进行装配，形成半成品器件。

其中，选用外径为125μm，内径为10μm的单模光纤，陶瓷插芯内径与单模光纤125μm适配。光学玻璃采用单面磨砂玻璃，其作用在于与单模光纤形成FP腔，单面磨砂作用是为了避免第二个玻璃面对光造成反射。

S2、将半成品器件固定在光学平台上，使用高精度纳米级位移平台与光纤夹具固定住单模光纤。通过驱动电机控制位移平台，将单模光纤插入陶瓷插芯并调整单模光纤端面与光学玻璃的反射面之间的距离，即FP腔腔长。此过程中，需要连接光谱仪，计算FP腔的腔长(光谱仪上会同步显示对应腔长的FSR

其中，单模光纤在安装前的端面经过切割刀切平保持端面清洁。

S3、重复S2的步骤，制备出其余多个FP腔。

其中，多组腔长的范围在120μm～125μm，腔长步长为280nm。单模光纤的纤芯折射率与光学玻璃折射率分别为1.467、1.507。

关键点在于，每个FP腔之间的步进会根据不同折射率n(溶液)进行调整，致使FP腔腔组所对应的光强满足奈奎斯特定律，从而能够拟合出唯一的腔长谱。

以下为方便理解，带入公式举例说明。当取1550nm固定单波长的光源时，根据等式(4)，可以得出当时，腔长谱的自由光谱范围(FSR

由于多腔FP腔长的步长要小于292nm，因此，这一实现方式通过电机驱动位移平台方可实现FP腔长步长。

在本实施例的折射率传感器的具体工作过程中，首先通过连接单色激光二极管光源、分束器与环形器，入射光传输进光纤FP腔中，反射光耦合回环形器中，此时光电探测器会显示该FP腔所对应的光强值。多个腔会对应多个不同的光强值。

在数据处理过程中，将多个光强值进行拟合曲线，此时便可以得到折射率n＝1.329所对应的腔长谱。通过更换溶液槽内不同折射率的溶液，可以得到不同折射率下的腔长谱。通过观察不同折射率下的腔长谱的移动，腔长漂移量，可以计算出对应折射率下的灵敏度。

通过上述制备方法所制备的腔长谱光纤折射率传感器，单色激光二极管、分束器、环形器、光纤FP腔组装置、光电探测器和处理单元。光纤FP腔组装置由多根单模光纤与光学玻璃端面对齐形成法布里-珀罗干涉腔。在单色激光二极管的照射下，光信号经过环形器进入光纤FP腔组装置，反射光强信号再由环形器进入了光电探测器。从而获得多个法布里-珀罗干涉腔光强，将光强数据收集传输至处理单元内，拟合出实际腔长谱。腔内折射率变化会影响腔长谱的漂移，据此可以在腔长谱漂移过程中得出对腔内的物质的传感灵敏度。

单色激光二极管发出单波长光，单色光由环形器传输进入光纤FP腔组装置中，传输光分别经过折射率溶液以及光学玻璃反射回单模光纤的纤芯中。返回光再由环形器另一支路反馈给光电探测器，光电探测器可以收集到多个FP腔下此时的光强强度值。利用处理单元进行收集对应光强-腔长数据，拟合构成该折射率下的腔长谱。所利用的单色激光二极管、光电探测器与平常光纤传感中使用的宽带光源、光电探测器相比成本极大降低，且在传感灵敏度上也远远超越寻常波长谱传感。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。