[發明專利]一種基于光纖結構的液體折射率傳感器

在審

• 申請號: 201610160150.8
• 申請日: 2016-03-21
• 公開（公告）號: CN105651731A
• 公開（公告）日: 2016-06-08
• 發明（設計）人: 唐雄貴;趙娉;嚴玲怡;朱偉;楊燕;梁珊;陳明
• 申請（專利權）人: 湖南師范大學
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于光纖傳感領域，涉及一種新型光纖傳感器，具體指一種基于光纖結構的液體折射率傳感器。

背景技術

光纖因具有抗電磁和原子輻射干擾、耐高溫、耐腐蝕、易于獲取與傳輸信號等諸多優勢而在傳感器領域有十分廣泛的應用，且近年來發展十分迅速。例如，光纖傳感器已在磁場、電流、液位、速度、電壓、溫度、應力以及輻射等方面已有各種成熟傳感產品問世，大大豐富了人們的生活，提高了生產效率，起著其它類型的傳感器無可替代的作用。

近年來，在基礎研究、醫藥化工、醫學診斷、食品制造以及環境保護等諸多領域，需要對液體濃度進行表征，這是由于液體濃度是反映液體特性的一個重要參數。如在醫學診斷中某種液體濃度可用來表征身體的健康狀況；在醫藥化工中可用液體濃度來檢測化學反應的動態過程。通常，液體濃度與其折射率或吸收系數密切相關，因而可通過準確測試液體折射率或吸收譜來獲得液體的濃度參數。常見方法有布里淵散射法、布拉格光柵衍射法、拉曼光譜法等。而基于光纖的液體折射率傳感器因靈敏度高、響應速度快、檢測距離遠、抗外界干擾能力強等方面具有潛在優勢，因而在液體折射率傳感應用中更具應用前景。

近年來，關于液體折射率光纖傳感器的報道還不多，如光子晶體光纖結構型液體折射率傳感器、長周期光纖光柵型液體折射率傳感器、光纖布拉格光柵型液體折射率傳感器等。這些傳感器通常存在系統設計復雜、受環境影響大、成本費用高、測量范圍小或靈敏度較低等突出問題，因而在實際應用中受到諸多限制。基于此，研制具有結構簡單、性能好、易于設計與制作的用于液體折射率測量的傳感器具有重要應用價值。

發明內容

本發明的目的是提供一種用于液體折射率測量的光纖傳感器。該傳感器由彎曲光纖構成，在彎曲部位的光纖的包層已被蝕刻掉，僅有芯層，浸沒于待測液體中，待測液體作為包層。在光纖內傳播的光信號，在彎曲部位處因發生泄漏損耗而致輸出光功率發生衰減，其衰減量與液體折射率密切相關。通過測定輸出光功率，從而便獲得液體的折射率。該器件具有結構簡單、易于設計和制作、測試簡便等諸多優點。

本發明技術方案如下：

一種用于液體折射率測量的光纖傳感器，如圖1所示，該圖為光纖傳感器的正視截面圖。該傳感器包括由上基片1、下基片2以及單模光纖構成。其中單模光纖由輸入直光纖3、用于傳感的彎曲光纖4以及輸出直光纖5構成。其中底部位置的彎曲光纖4的包層已刻蝕掉。在上、下基片所圍成的液體腔6裝有待測液體，通道7和通道8是待測液體的注入和流出通道。圖2為輸入直光纖3位置處的橫截面圖。

所述光纖3、4、5為單模光纖，其工作波長1550nm。

所述彎曲光纖4在底部位置彎曲半徑范圍為150微米~500微米，其具體彎曲半徑參數取決于待測液體的折射率可能范圍。

所述基片1、2為玻璃。

所述待測液體的折射率應小于光纖芯層的折射率。

待測液體由輸入通道7注入，注入液體腔，再經由輸出通道8輸出。光信號耦合進輸入直光纖3，傳輸到彎曲光纖4的底部位置時將發生衰減，然后光信號再經由輸出直光纖5輸出，最后通過探測器測試其輸出光功率。

本發明提供的液體折射率傳感器由單模光纖和流體通道構成，其結構簡單，其彎曲光纖4的底部位置光纖可以采用氫氟酸即可刻蝕掉該位置的光纖包層。這里不再詳細介紹其制作過程。

本發明的工作原理是：

傳感器中的彎曲光纖4的底部位置浸沒在待測液體中，其光纖包層已被刻蝕掉，因而其芯層直接裸露，與待測液體接觸，故其待測液體相當于作為光纖的包層，對光束起約束作用。當光信號由輸入直光纖3傳輸到彎曲光纖4的底部位置時，使得該位置的光纖對光信號約束能力減弱，因而光束將發生泄漏，其歸一化衰減率與待測液體的折射率大小有關。當待測液體折射率發生變化時，其歸一化衰減率也將發生變化。因而經直光纖5輸出的歸一化光功率也與液體的折射率密切相關，其光功率大小反映液體折射率的大小。基于此，容易獲得輸出光功率與液體折射率之間的變化曲線。利用該變化曲線，一旦測得輸出光功率，就可得到液體的折射率。

本發明提出的液體折射率傳感器，是一種基于光纖結構的新型功能器件。其原理是利用光束在光纖裸露芯層位置處的光衰減受液體折射率的影響，這將改變光功率的輸出，從而可由輸出歸一化光功率大小來獲取待測液體折射率。該器件結構簡單、易于設計與制作、測試簡便等諸多優點。

附圖說明

圖1是本發明提供的光纖液體傳感器的正視截面結構示意圖。