一種基于超聲脈沖誘發(fā)光柵變形的用于測量折射率的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于超聲脈沖誘發(fā)光柵變形的用于測量折射率的方法，所述測量折射率的方法包括如下步驟：a)搭接光纖傳感器折射率測量系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括一段帶有連續(xù)均勻光柵的光纖、超聲波發(fā)生器和解調(diào)儀，所述的帶有連續(xù)均勻光柵的光纖具有多段光柵，每段光柵柵格均勻分布，所述光柵之間間隔相同；b)將所述光纖傳感器折射率測量系統(tǒng)置于待測折射率的溶液中，記錄所述解調(diào)儀采集到的離峰偏離主峰的間距；c)將步驟b)中所述的離峰偏離主峰的間距與離峰偏離主峰的間距隨折射率變化的關(guān)系曲線比對，得到待測折射率溶液的折射率大小。
【專利說明】
一種基于超聲脈沖誘發(fā)光柵變形的用于測量折射率的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及光纖光柵技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于超聲脈沖誘發(fā)光柵變形的用于 測量折射率的方法
【背景技術(shù)】
[0002] 通常，測量的目的是為了獲得研究對象的有關(guān)信息，并進行相應(yīng)的處理，然后再去 控制對象，完成這一功能性操作即為傳感技術(shù)。光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源 的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測參數(shù)與進入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì) (如光的強度、波長、頻率、相位、偏正態(tài)等)發(fā)生變化，稱為被調(diào)制的信號光，在經(jīng)過光纖送 入光探測器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測參數(shù)。近年來，傳感器在朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強、小巧和 智能化的方向發(fā)展。在這一過程中，光纖傳感器這個傳感器家族的新成員倍受青睞。光纖具 有很多優(yōu)異的性能，例如:抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細、質(zhì)軟、重量輕的機械性能； 絕緣、無感應(yīng)的電氣性能；耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學(xué)性能等，它能夠在人達不到的地方 (如高溫區(qū)），或者對人有害的地區(qū)（如核輻射區(qū)），起到人的耳目的作用，而且還能超越人的 生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。隨著密集波分復(fù)用DWDM技術(shù)、摻鉺光纖放 大器EDFA技術(shù)和光時分復(fù)用0TDR技術(shù)的發(fā)展和成熟，光纖通信技術(shù)正向著超高速、大容量 通信系統(tǒng)的方向發(fā)展，并且逐步向全光網(wǎng)絡(luò)演進。在光通信迅猛發(fā)展的帶動下，光纖傳感器 作為對材料的應(yīng)變測量，以及磁場、溫度場合、溶液折射率的測量方面起到了重要的作用。
[0003] 然而傳統(tǒng)的光纖傳感器僅僅圍繞光源以及光纖自身材料的改變來提高傳感器的 精確度，其受到了很大限制。
[0004] 因此，需要一種能有效地在光纖中耦合超聲波的方法引起光柵變形測量折射率的 方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于超聲脈沖誘發(fā)光柵變形的用于測量折射率的方 法，在一個方面，所述測量折射率的方法包括如下步驟：
[0006] a)搭接光纖傳感器折射率測量系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括栗浦源、第一光纖、一支波分復(fù) 用器、一段帶有連續(xù)均勻光柵的光纖、超聲波發(fā)生器和解調(diào)儀，所述的帶有連續(xù)均勻光柵的 光纖一端為球狀末端，所述超聲波發(fā)生器設(shè)有發(fā)射探頭，所述發(fā)射探頭與所述球狀末端固 定，所述解調(diào)儀與所述帶有連續(xù)均勻光柵的光纖另一端連接;所述的帶有連續(xù)均勻光柵的 光纖具有多段光柵，每段光柵柵格均勾分布，所述光柵之間間隔相同；
[0007] b)將所述光纖傳感器折射率測量系統(tǒng)置于待測折射率的溶液中，記錄所述解調(diào)儀 采集到的離峰偏離主峰的間距；
[0008] c)將步驟b)中所述的離峰偏離主峰的間距與離峰偏離主峰的間距隨折射率變化 的關(guān)系曲線比對，得到待測折射率溶液的折射率大小。
[0009] 在一個方面，所述的測量折射率的方法，所述步驟c)中離峰偏離主峰的間距隨折 射率變化的關(guān)系曲線通過標定得到，所述標定包括以下步驟：
[0010] (1)將所述帶有連續(xù)均勻光柵的光纖置于可控折射率的溶液環(huán)境中；
[0011] (2)所述栗浦源發(fā)射光波進入所述第一光纖，所述超聲波發(fā)生器發(fā)射超聲波進入 所述帶有連續(xù)均勻光柵的光纖；
[0012] ⑶記錄解調(diào)儀時刻t采集到的離峰偏離主峰的間距；
[0013] (4)逐漸增加溶液的折射率的應(yīng)變，重復(fù)所述步驟(2)至步驟(3)的過程，記錄解調(diào) 儀與所述步驟(3)中相同的時刻t采集到的不同折射率引起的離峰偏離主峰的間距；
[0014] (5)擬合離峰偏離主峰的間距隨折射率變化的關(guān)系曲線。
[0015] 在一個方面，所述的測量折射率的方法，所述球狀末端是光纖末端燒結(jié)而成的小 球，所述小球與所述超聲探頭之間通過硅膠固定。
[0016] 在一個方面，所述的測量折射率的方法，所述小球與所述超聲探頭之間涂有導(dǎo)聲 糊，所述導(dǎo)聲糊為光聲匹配材料，用于耦合聲波進入光纖。
[0017] 在一個方面，所述的測量折射率的方法，步驟c)中所述的超聲波以縱波形式傳播， 所述超聲波的波長大于所述光柵的柵格長度。
[0018] 在一個方面，所述的測量折射率的方法，所述超聲波波長為lcm-2cm〇
[0019] 在一個方面，所述的測量折射率的方法，所述步驟e)中增加折射率的方法為增加 溶液元素離子半徑、增加或降低溶液的濃度。
[0020] 在一個方面，所述的測量折射率的方法，所述的離峰偏離主峰的間距隨折射率變 化的關(guān)系曲線通過線性擬合或者最小二乘法進行擬合。
[0021] 在另一個方面，本發(fā)明提供了所述測量折射率方法的光纖傳感器測量系統(tǒng)，所述 測量系統(tǒng)包括栗浦源、第一光纖、一支波分復(fù)用器、一段帶有連續(xù)均勻光柵的光纖、超聲波 發(fā)生器和解調(diào)儀；
[0022] 所述的帶有連續(xù)均勻光柵的光纖一端為球狀末端；
[0023] 所述超聲波發(fā)生器設(shè)有超射探頭，所述發(fā)射探頭與所述球狀末端固定，所述解調(diào) 儀與所述帶有連續(xù)均勻光柵的光纖另一端連接，所述的帶有連續(xù)均勻光柵的光纖具有多段 光柵，每段光柵柵格均勻分布，所述光柵之間間隔相同。
[0024] 本發(fā)明提供的一種基于超聲脈沖誘發(fā)光柵變形的用于測量折射率的方法，通過將 超聲波薄耦合到光柵光纖中，引起光柵柵格變形，從而在光波主峰兩側(cè)形成離峰，本發(fā)明對 離峰監(jiān)測并進行折射率測量，使折射率測量的精確度更加準確。
[0025] 應(yīng)當(dāng)理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說明和解釋，并不應(yīng)當(dāng) 用作對本發(fā)明所要求保護內(nèi)容的限制。
【附圖說明】
[0026] 參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點將通過本發(fā)明實施方式的如下 描述得以闡明，其中：
[0027] 圖1示意性示出本發(fā)明測量折射率的光纖傳感器測量系統(tǒng)；
[0028] 圖2示出了本發(fā)明帶有連續(xù)均勻光柵光纖的示意圖；
[0029] 圖3示出了本發(fā)明光纖耦合超聲波前柵格的示意圖；
[0030] 圖4示出了本發(fā)明光纖耦合超聲波前脈沖的反射譜；
[0031 ]圖5示出了本發(fā)明光纖耦合超聲波后柵格的示意圖；
[0032]圖6示出了本發(fā)明光纖在超聲脈沖作用下出現(xiàn)的離峰；
[0033]圖7示出了本發(fā)明在不同折射率時離峰偏離主峰的示意圖；
[0034]圖8示出了本發(fā)明離峰偏離主峰間距隨折射率變化的曲線。
【具體實施方式】
[0035] 通過參考示范性實施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實現(xiàn)這些目的和功能的方 法將得以闡明。然而，本發(fā)明并不受限于以下所公開的示范性實施例;可以通過不同形式來 對其加以實現(xiàn)。說明書的實質(zhì)僅僅是幫助相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員綜合理解本發(fā)明的具體細節(jié)。
[0036] 在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實施例。在附圖中，相同的附圖標記代表相同 或類似的部件，或者相同或類似的步驟。
[0037] 本發(fā)明提供了一種基于超聲脈沖誘發(fā)光柵變形的用于測量折射率的方法，本實施 例中，如圖1所示本發(fā)明測量折射率的光纖傳感器測量系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括栗浦源101、第一 光纖102、一支波分復(fù)用器103、一段帶有連續(xù)均勻光柵108的光纖106、超聲波發(fā)生器105和 解調(diào)儀104;帶有連續(xù)均勻光柵的光纖一端為球狀末端;球狀末端是光纖端部通過燒結(jié)而成 的小球107;超聲波發(fā)生器設(shè)有超聲探頭，所述發(fā)超聲探頭與所述光纖末端的小球107通過 硅膠固定。在超聲探頭與小球107之間涂有導(dǎo)聲糊，導(dǎo)聲糊作為聲匹配材料使聲波能夠耦合 至光纖中。解調(diào)儀104與所述帶有連續(xù)均勻光柵108的光纖106另一端連接，用于采集光纖的 反射波譜。
[0038] 下面具體描述超聲波誘發(fā)光柵變形的原理：
[0039] 如圖2所示本發(fā)明帶有連續(xù)均勻光柵光纖的示意圖，帶有連續(xù)均勻光柵的光纖由 多段相同參數(shù)的光纖光柵108串聯(lián)組成或直接分布連續(xù)均勻光柵，本實施例中優(yōu)選采用分 布連續(xù)均勾光柵的方式制成的光柵光纖具有多段光柵，每段光柵柵格均勾分布，光柵與光 柵之間的間距相同。
[0040] 當(dāng)栗浦源101發(fā)射的光通過本發(fā)明實施例中分布連續(xù)均勻光柵光纖的柵格時，光 纖的柵格l〇8a不會發(fā)生機械變形，如圖3所示本發(fā)明光纖耦合超聲波前柵格的示意圖。光波 完全通過光柵光纖，經(jīng)解調(diào)儀104采集光柵光纖的反射波譜，反射波譜出現(xiàn)一個主峰，如圖4 所示本發(fā)明光纖耦合超聲波前脈沖的反射譜。
[0041] 當(dāng)超聲波發(fā)生器105發(fā)射出的超聲波經(jīng)超聲探頭與光纖末端燒結(jié)小球107之間導(dǎo) 聲糊將超聲波耦合至光纖中，同時，栗浦源101發(fā)射出的光進入第一光纖102后通過波分復(fù) 用器103將光波耦合至帶有連續(xù)均勻光柵的光纖中。超聲波以縱波的形式在光纖中向前傳 播，當(dāng)超聲波傳播至第n段光柵前，會誘發(fā)光纖的柵格108b發(fā)生機械變形，當(dāng)超聲波離開第n 段光柵后，機械變形恢復(fù)，如圖5所示本發(fā)明光纖耦合超聲波后柵格的示意圖。本發(fā)明中，發(fā) 射超聲波的波長大于光柵光纖的柵格長度，當(dāng)超聲波完全穿過第n段光柵的時刻由解調(diào)儀 104采集到的反射波譜會在主峰的兩端出現(xiàn)兩個離峰，如圖6所示的本發(fā)明光纖在超聲脈沖 作用下出現(xiàn)的離峰。
[0042] 下面具體描述本實施例中通過離峰測量溶液折射率的方法：
[0043] 搭接光纖傳感器折射率測量系統(tǒng)：
[0044] 搭建測量折射率的光纖傳感器系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括栗浦源101、第一光纖102、一支 波分復(fù)用器103、一段帶有連續(xù)均勻光柵的光纖106、超聲波發(fā)生器105和解調(diào)儀104;帶有連 續(xù)均勻光柵的光纖一端為球狀末端;球狀末端是光纖端部通過燒結(jié)而成的小球107;超聲波 發(fā)生器設(shè)有超聲探頭，所述發(fā)超聲探頭與所述光纖末端的小球107通過硅膠固定。在超聲探 頭與小球之間涂有導(dǎo)聲糊，導(dǎo)聲糊作為聲匹配材料使聲波能夠耦合至光纖中。解調(diào)儀104與 所述帶有連續(xù)均勻光柵的光纖106另一端連接，用于采集光纖的反射波譜。
[0045] 對光纖傳感器折射率測量系統(tǒng)進行折射率標定：
[0046] 將帶有連續(xù)均勻光柵的光纖106置于可控折射率的溶液中：選取環(huán)氧樹脂(Epoxy Resin)或丙烯酸酯作為膠粘劑，以黏貼的方式將光柵光纖的柵格區(qū)固定在材料109表面，將 材料置于可控折射率的溶液中。栗浦源101發(fā)射光波進入第一光纖102,超聲波發(fā)生器105發(fā) 射超聲波經(jīng)超聲探頭與光纖末端燒結(jié)小球107之間導(dǎo)聲糊將超聲波耦合進入帶有連續(xù)均勻 光柵的光纖106，超聲波在光柵光纖中以縱波的形式向前傳播，超聲波的波長大于光柵光纖 的柵格長度，優(yōu)選地，本實施例中，超聲波發(fā)生器105發(fā)射的超聲波波長為lcm-2cm。第一光 纖102中的光波通過波分復(fù)用器103耦合至帶有連續(xù)均勻光柵的光纖106。記錄解調(diào)儀t時刻 采集到的離峰偏離主峰的間距。
[0047] 通過折射率控制器110改變?nèi)芤旱恼凵渎手祄，記錄解調(diào)儀相同時刻t采集到的折 射率引起的離峰偏離主峰的間距si，折射率的的改變可以通過折射率控制器110對增加溶 液元素離子半徑、增加或降低溶液的濃度進行監(jiān)測。本實施例中優(yōu)選增加濃度的方式。重復(fù) 上述過程，記錄溶液不同折射率n 2、n3、~nn對應(yīng)的解調(diào)儀在相同時刻t采集到的離峰偏離主 峰的間距S2、、S3…Sn，如圖7所示本發(fā)明在不同折射率時離峰偏離主峰的示意圖。擬合離峰 偏離主峰的間距隨折射率變化的關(guān)系曲線，曲線擬合可采用最小二乘法線性擬合，如公式1 所示。
[0048] y = ax+b (1)
[0049 ]曲線擬合也可采用最小二乘擬合，由下述等式(2)和(3)可推出擬合曲線。
[0052] 解方程組，求出ao和m，就可構(gòu)造出滿足平方逼近條件的逼近函數(shù)。
[0053] f (x) =ao+aix (4)
[0054]如圖8所示本發(fā)明實施例擬合得到的離峰偏離主峰間距隨折射率變化的曲線。 [0055]對待測溶液折射率進行測量：
[0056] 將光纖傳感器折射率測量系統(tǒng)置于待測折射率的溶液中，記錄時刻t采集到的離 峰偏離主峰的間距s，將離峰偏離主峰的間距s與標定的光纖傳感器應(yīng)變測量系統(tǒng)離峰偏離 主峰的間距隨折射率變化的關(guān)系曲線比對，得到待測折射率溶液折射率的大小。
[0057] 結(jié)合這里披露的本發(fā)明的說明和實踐，本發(fā)明的其他實施例對于本領(lǐng)域技術(shù)人員 都是易于想到和理解的。說明和實施例僅被認為是示例性的，本發(fā)明的真正范圍和主旨均 由權(quán)利要求所限定。
【主權(quán)項】
1. 一種基于超聲脈沖誘發(fā)光柵變形的用于測量折射率的方法，其特征在于，所述測量 折射率的方法包括如下步驟： a) 搭接光纖傳感器折射率測量系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括栗浦源、第一光纖、一支波分復(fù)用 器、一段帶有連續(xù)均勻光柵的光纖、超聲波發(fā)生器和解調(diào)儀，所述的帶有連續(xù)均勻光柵的光 纖一端為球狀末端，所述超聲波發(fā)生器設(shè)有發(fā)射探頭，所述發(fā)射探頭與所述球狀末端固定， 所述解調(diào)儀與所述帶有連續(xù)均勻光柵的光纖另一端連接;所述的帶有連續(xù)均勻光柵的光纖 具有多段光柵，每段光柵柵格均勻分布，所述光柵之間間隔相同； b) 將所述光纖傳感器折射率測量系統(tǒng)置于待測折射率的溶液中，記錄所述解調(diào)儀采集 到的離峰偏離主峰的間距； c) 將步驟b)中所述的離峰偏離主峰的間距與離峰偏離主峰的間距隨折射率變化的關(guān) 系曲線比對，得到待測折射率溶液的折射率大小。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量折射率的方法，其特征在于，所述步驟c)中離峰偏離主峰 的間距隨折射率變化的關(guān)系曲線通過標定得到，所述標定包括以下步驟： (1) 將所述帶有連續(xù)均勻光柵的光纖置于可控折射率的溶液環(huán)境中； (2) 所述栗浦源發(fā)射光波進入所述第一光纖，所述超聲波發(fā)生器發(fā)射超聲波進入所述 帶有連續(xù)均勻光柵的光纖； (3) 記錄解調(diào)儀時刻t采集到的離峰偏離主峰的間距； (4) 逐漸增加溶液的折射率的應(yīng)變，重復(fù)所述步驟(2)至步驟(3)的過程，記錄解調(diào)儀與 所述步驟(3)中相同的時刻t采集到的不同折射率引起的離峰偏離主峰的間距； (5) 擬合離峰偏離主峰的間距隨折射率變化的關(guān)系曲線。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量折射率的方法，其特正在于，所述球狀末端是光纖末端燒 結(jié)而成的小球，所述小球與所述發(fā)射探頭之間通過硅膠固定。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的測量折射率的方法，其特征在于，所述小球與所述發(fā)射探頭之 間涂有導(dǎo)聲糊，所述導(dǎo)聲糊為光聲匹配材料，用于耦合聲波進入光纖。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的測量折射率的方法，其特征在于，步驟(2)中所述的超聲波以 縱波形式傳播，所述超聲波的波長大于所述光柵的柵格長度。6. 根據(jù)權(quán)利要求2或5所述的測量折射率的方法，其特征在于，所述超聲波波長為Icm-2cm〇7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的測量折射率的方法，其特征在于，所述步驟(4)中增加折射率 的方法為增加溶液元素離子半徑、增加或降低溶液的濃度。8. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的測量折射率的方法，其特征在于，所述的離峰偏離主峰的間距 隨折射率變化的關(guān)系曲線通過線性擬合或者最小二乘法進行擬合。9. 一種權(quán)利要求1所述測量折射率方法的光纖傳感器測量系統(tǒng)，其特征在于，所述測量 系統(tǒng)包括栗浦源、第一光纖、一支波分復(fù)用器、一段帶有連續(xù)均勻光柵的光纖、超聲波發(fā)生 器和解調(diào)儀； 所述的帶有連續(xù)均勻光柵的光纖一端為球狀末端； 所述超聲波發(fā)生器設(shè)有發(fā)射探頭，所述發(fā)射探頭與所述球狀末端固定，所述解調(diào)儀與 所述帶有連續(xù)均勻光柵的光纖另一端連接，所述的帶有連續(xù)均勻光柵的光纖具有多段光 柵，每段光柵柵格均勻分布，所述光柵之間間隔相同。
【文檔編號】G01N21/41GK105911023SQ201610217014
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月8日
【發(fā)明人】祝連慶, 劉鋒, 莊煒, 董明利, 婁小平, 辛璟燾, 閆光
【申請人】北京信息科技大學(xué)