[發明專利]基于超連續譜光源的液體折射率測量裝置及方法

在審

• 申請號: 201710174832.9
• 申請日: 2017-03-22
• 公開（公告）號: CN107014776A
• 公開（公告）日: 2017-08-04
• 發明（設計）人: 劉琨;江俊峰;劉鐵根;薛萌;常鵬翔;王濤
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所12201
• 代理人: 李素蘭

技術領域

本發明屬于光纖傳感器技術領域，涉及用于科學研究、環境監控和生物化學傳感等領域的全光纖傳感裝置的搭建，具體涉及一種可以實現大范圍高精度折射率變化檢測的全光纖液體折射率傳感裝置及方法。

背景技術

近年隨著科技的發展，各種液體折射率檢測技術層出不窮，實時準確的檢測液體的折射率在生物醫學、環境監測、能源化工、食品安全等領域具有重要的意義。光纖傳感器由于具有抗電磁干擾、靈敏度高、電絕緣性好、安全可靠、耐腐蝕、微型化等諸多的優點，在生物、化學、醫學等領域中的微量氣體、液體、化學元素、DNA等檢測方面有著廣泛的應用前景。常見的光纖液體折射率傳感器根據原理可以分為干涉型、光柵型、表面等離子體共振(SPR)型以及微納光纖型等。其中，光纖SPR型液體折射率傳感器是一類重要的傳感器結構，多年來人們不斷的改進光纖SPR傳感器的結構，使得這一類傳感器的靈敏度和測量精度有了一定程度的提高，但是傳感器仍然存在折射率測量范圍窄、穩定性差、易受外界環境的影響等缺點。現階段的光纖SPR傳感器一般使用波長解調的方式，光源采用鹵鎢燈或ASE寬帶光源，光譜范圍在可見光或者近紅外，在實現高靈敏度的同時難以實現大量程。如2006年南京航空航天大學曾捷等[1]人設計了一種基于600微米纖芯石英光纖的反射式光纖SPR傳感器，折射率測量范圍1.3675-1.4281，SPR諧振波長從662.9nm到920nm，在測量高折射率液體時，其SPR諧振峰帶寬展寬嚴重，導致尋峰精度下降。2011年JAlbert等[2]人提出的TFBG-SPR折射率傳感器，在折射率范圍1.31-1.38條件下，SPR諧振波長范圍從1525nm到1565nm。特別地，其采用包層模標定方法提高了其品質因數。單一的傳感器由于對溫度、應力等交叉敏感，其結果的準確性受到很大的影響，傳感精度不高。有關涉及到本發明技術的文獻和報道包括：[1]曾捷，梁大開，曾振武，杜燕.基于SPR光譜分析的液體折射率測量研究.光譜學與光譜分析，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.

發明內容

為了改善上述現有技術，本發明提出了一種基于超連續譜光源的液體折射率測量裝置及方法，在一個獨立的測量系統內，使用塑料包層石英光纖SPR技術和TFBG-SPR(傾斜光纖光柵-表面等離子體共振)技術同時來測量液體折射率。對雙傳感器測量結果進行對比標定，實現高精度折射率測量。

本發明實現了一種基于超連續譜光源的液體折射率測量裝置，該裝置由超連續譜光源1、偏振控制器3、TFBG-SPR傳感器5、塑料包層石英光纖SPR傳感器7、光譜儀9、計算機11組成；其中，超連續譜光源1和偏振控制器3之間通過單模光纖2連接，偏振控制器3通過單模光纖4連接TFBG-SPR傳感器5，TFBG-SPR傳感器5和塑料包層石英光纖SPR傳感器7通過多模光纖6相連接；塑料包層石英光纖SPR傳感器7通過多模光纖8和光譜儀9直接連接；最后光譜儀9采集到的數據通過USB數據線10傳輸到計算機11進行數據處理，通過LabVIEW實時顯示測量結果；

超連續譜光源1發射出的光首先經過偏振控制器3調整為線偏光束，線偏光束的偏振方向為滿足入射傾斜光纖光柵的光為P偏振；所述線偏光束經過單模光纖4后經過TFBG-SPR傳感器5、再經過多模光纖6后進入塑料包層石英光纖SPR傳感器7，再經過多模光纖8進入光譜儀9，光譜儀9將接收到的光譜信號經過USB數據線10傳輸給計算機11，計算機11經過數據處理得到待測液體的折射率。

所述光源為超連續譜光源1，光譜范圍400nm-2400nm。

所述塑料包層石英光纖SPR傳感器7所鍍材料為金，膜層厚度為40-60nm。

所述TFBG-SPR傳感器5的TFBG柵區的傾斜角度取值為4～15°。光柵長度為10mm，所鍍材料為金，膜層厚度為40-60nm。