本發(fā)明屬于光纖傳感測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種端面型光纖折射率傳感器陣列測量系統(tǒng)及方法的設(shè)計。

背景技術(shù)：

光纖傳感技術(shù)始于1977年，伴隨光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來，是衡量一個國家信息化程度的重要標志。目前，光纖傳感技術(shù)已廣泛用于軍事、國防、航天航空、工礦企業(yè)、能源環(huán)保、工業(yè)控制、醫(yī)藥衛(wèi)生、計量測試、建筑、家用電器等領(lǐng)域。世界上已有光纖傳感技術(shù)上百種，諸如溫度、壓力、流量、位移、振動、轉(zhuǎn)動、彎曲、液位、速度、加速度、聲場、電流、電壓、磁場及輻射等物理量都實現(xiàn)了不同性能的傳感。

由于其抗腐蝕、抗電磁干擾、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高等優(yōu)點，光纖傳感技術(shù)在測量領(lǐng)域備受重用。而基于光纖傳感的折射率測量在工業(yè)和生化領(lǐng)域中也有著廣泛的應(yīng)用，其測量方法有許多。常見的主要有光纖表面等離子體型、光纖光柵型以及光纖干涉儀，但這些方法相應(yīng)存在成本較高、操作復(fù)雜、穩(wěn)定性較差、靈敏度較低等問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中基于光纖傳感的折射率測量方法存在成本較高、操作復(fù)雜、穩(wěn)定性較差、靈敏度較低等問題，提出了一種端面型光纖折射率傳感器陣列測量系統(tǒng)及方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種端面型光纖折射率傳感器陣列測量系統(tǒng)，包括寬帶光源、偏振控制器、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、電光調(diào)制器、光纖環(huán)行器、光纖分路器、端面型光纖折射率傳感器陣列以及探測器；寬帶光源、偏振控制器、電光調(diào)制器通過光纖順次連接；光纖環(huán)行器包括a、b、c三個端口，a端口通過光纖與電光調(diào)制器的輸出端連接，b端口通過光纖與光纖分路器連接，c端口通過光纖與探測器的輸入端連接；光纖分路器與端面型光纖折射率傳感器陣列連接；矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀包括P1、P2兩個端口，P1端口通過同軸電纜與電光調(diào)制器的輸入端連接，P2端口通過同軸電纜與探測器的輸出端連接。

優(yōu)選地，端面型光纖折射率傳感器陣列由多個端面型光纖傳感器通過光纖分路器分為多路構(gòu)成，同時保證每一路均有不同的相位延遲且大于光源的相干長度。

優(yōu)選地，端面型光纖傳感器通過將單模光纖的一端與鍍有介質(zhì)膜的光纖熔接，另一端切平制成。

優(yōu)選地，端面型光纖傳感器中鍍有介質(zhì)膜的光纖與單模光纖熔接形成的反射面作為參考面，單模光纖另一端切平的反射面作為待測面進行測量。

本發(fā)明還提供了一種端面型光纖折射率傳感器陣列測量方法，包括以下步驟：

S1、驅(qū)動可調(diào)制的寬帶光源，使其發(fā)出寬帶光信號；

S2、偏振控制器接收寬帶光信號，將寬帶光變成偏振光，輸送至電光調(diào)制器；

S3、電光調(diào)制器的輸入端接收矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀P1端口的微波信號；

S4、利用微波信號對偏振光信號進行調(diào)制，得到相應(yīng)的調(diào)制光并輸送至光纖環(huán)形器的a端口；

S5、調(diào)制光經(jīng)過光纖環(huán)形器的b端口和光纖分路器后分成多路送入多個端面型光纖傳感器，從而構(gòu)成端面型光纖折射率傳感器陣列；

S6、端面型光纖折射率傳感器陣列跟待測物質(zhì)進行作用得到反射光信號，經(jīng)光纖環(huán)形器的c端口輸送至探測器；

S7、探測器將反射光信號轉(zhuǎn)換為測量電信號，輸送至矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的P2端口；

S8、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對測量電信號進行分析和顯示，并測量傳輸參數(shù)。

本發(fā)明的有益效果是：

(1)本發(fā)明利用光信號和微波信號相結(jié)合的測量方法，將信號分成多路并采集每一路中傳感器兩個反射端面的信號以此到達測量折射率的目的，避免了光源的功率波動因素，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(2)本發(fā)明設(shè)計的端面型光纖折射率傳感器，其結(jié)構(gòu)簡單且具有自參考功能，對環(huán)境溫度不敏感，消除了環(huán)境干擾、溫度變化等帶來的不穩(wěn)定性因素，進一步提升傳感器性能。

(3)本發(fā)明可以進行多通道、實時信號測量，進一步提高了傳感器的靈敏度和測量方法的穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的一種端面型光纖折射率傳感器陣列測量系統(tǒng)框圖。

圖2為本發(fā)明實施例的端面型光纖折射率傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明提供的一種端面型光纖折射率傳感器陣列測量方法流程圖。

圖4為本發(fā)明實施例的單個端面型光纖傳感器測量得到的信號示意圖。

圖5為本發(fā)明實施例的端面型光纖折射率傳感器陣列測量得到的信號示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作進一步的說明。

本發(fā)明提供了一種端面型光纖折射率傳感器陣列測量系統(tǒng)，如圖1所示，包括寬帶光源1、偏振控制器2、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀3、電光調(diào)制器4、光纖環(huán)行器5、光纖分路器6、端面型光纖折射率傳感器陣列7以及探測器9。寬帶光源1、偏振控制器2、電光調(diào)制器4通過光纖順次連接。光纖環(huán)行器5包括a、b、c三個端口，a端口通過光纖與電光調(diào)制器4的輸出端連接，b端口通過光纖與光纖分路器6連接，c端口通過光纖與探測器9的輸入端連接。光纖分路器6與端面型光纖折射率傳感器陣列7連接。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀3包括P1、P2兩個端口，P1端口通過同軸電纜與電光調(diào)制器4的輸入端連接，P2端口通過同軸電纜與探測器9的輸出端連接。

其中，端面型光纖折射率傳感器陣列7由多個端面型光纖傳感器8通過光纖分路器6分為多路構(gòu)成，同時保證每一路均有不同的相位延遲且大于光源的相干長度。本發(fā)明實施例中，光纖分路器6采用1*8的光纖分路器PLC，因此端面型光纖折射率傳感器陣列7由8個端面型光纖傳感器8通過光纖分路器6分為多路構(gòu)成，端面型光纖傳感器8可將普通單模光纖端面切平制成。

本發(fā)明實施例中，端面型光纖傳感器8通過將單模光纖的一端與鍍有介質(zhì)膜的光纖熔接，另一端切平制成，如圖2所示。鍍有介質(zhì)膜的光纖與單模光纖熔接形成的反射面作為參考面，單模光纖另一端切平的反射面作為待測面進行測量。參考面和待測面均可對光產(chǎn)生作用，從而出現(xiàn)2個反射面，在測量過程中，由于待測物質(zhì)的折射率改變，待測面的強度大小也隨之改變，但是參考面的反射強度大小保持不變，從而起到自參考的作用。

本發(fā)明還提供了一種端面型光纖折射率傳感器陣列測量方法，如圖3所示，包括以下步驟：

S1、驅(qū)動可調(diào)制的寬帶光源1，使其發(fā)出寬帶光信號。

S2、偏振控制器2接收寬帶光信號，將寬帶光變成偏振光，輸送至電光調(diào)制器4。

S3、電光調(diào)制器4的輸入端接收矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀3的P1端口的微波信號。

S4、利用微波信號對偏振光信號進行調(diào)制，得到相應(yīng)的調(diào)制光并輸送至光纖環(huán)形器5的a端口。在電光調(diào)制器的偏置端施加一個偏置電壓，以提高調(diào)制效率。該步驟的物理公式推導如下：

我們假設(shè)偏振光信號為：

式中E₀表示電場強度，A表示振幅大小，ω表示光信號角頻率，t表示時間，表示相位大小。

微波信號為：

S(t)＝M cos(Ωt+θ) (2)

式中M表示微波信號的振幅強度，Ω表示微波信號的角頻率，θ表示相位。

通過電光調(diào)制器，光波信號將被微波信號所調(diào)制，得到調(diào)制之后的調(diào)制光信號為：

式中m(t)表示強度調(diào)制項。

S5、調(diào)制光經(jīng)過光纖環(huán)形器5的b端口和光纖分路器6后分成多路送入多個端面型光纖傳感器8，從而構(gòu)成端面型光纖折射率傳感器陣列7。

S6、端面型光纖折射率傳感器陣列7跟待測物質(zhì)進行作用得到反射光信號，經(jīng)光纖環(huán)形器5的c端口輸送至探測器9。

S7、探測器9將反射光信號轉(zhuǎn)換為測量電信號，輸送至矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀3的P2端口。

本發(fā)明實施例中，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀3的掃頻范圍從300KHz到2GHz，掃描點數(shù)設(shè)置為1601個點，中頻帶寬設(shè)為5KHz，這樣就可獲得反射頻譜，對其做逆傅里葉變換就可以看到時域上的圖像。該時域上的圖像就是反射信號的強度，我們可以根據(jù)其反射強度來監(jiān)測外界參量變化。根據(jù)公式(3)，可得到反射面后反射回來的信號為：

式中c表示真空中光速，z表示傳感器的空間位置，n表示介質(zhì)有效折射率，Г表示由探測器所決定的振幅反射系數(shù)。

從反射回來的信號就可以看到，該信號的強度大小與外界參量相關(guān)，解調(diào)出此信號，便可以計算出外界參量。

S8、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀3對測量電信號進行分析和顯示，并測量傳輸參數(shù)，即S₂₁參數(shù)。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀3分別可以得到多路來自參考面和待測面的測量電信號，同一路的參考面和待測面所處環(huán)境相同，僅僅是光程差不同，且光程差大于光源的相干長度但是小于微波調(diào)制的相干長度。當待測液體的折射率改變時，待測面的反射強度大小也隨之改變，但是參考面的反射強度大小不變，將參考面的反射強度除以待測面的反射強度，即可起到自參考的作用，同時消除其外界溫度、壓強等帶來的影響。

本發(fā)明實施例中，光纖分路器6采用1*8的光纖分路器PLC，則每路通道上均有一個端面型光纖傳感器8，將單個端面型光纖傳感器8放入待測液體中，就可以在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀3的時域上觀測到測量信號，如圖4所示。在保證8路通道均有不同相位延遲且延遲大于光源的相干長度的條件下，則可以對8路端面型光纖傳感器進行實時測量，將8個簡單端面切平的傳感頭一并放入待測液體中，就可以在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上觀測到測量信號，如圖5所示。

本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。