本發(fā)明涉及光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種光纖折射率傳感裝置，尤其涉及一種可以溫度自補(bǔ)償?shù)牟罘謴?qiáng)度調(diào)制的光纖折射率傳感裝置及其測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

光纖傳感器因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、抗電磁干擾、易于遠(yuǎn)程監(jiān)控、便于復(fù)用組網(wǎng)等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用。光纖折射率傳感器主要分為光纖光柵型、光纖馬赫-曾德?tīng)柛缮嫘汀⒐饫w法布里-珀羅干涉型、光纖薩格納克干涉型、光纖邁克爾遜干涉型、多模干涉型、光纖錐型折射率傳感器，可以應(yīng)用于石油化工、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。多模干涉型折射率傳感器因靈敏度高、制作簡(jiǎn)單，成本低廉等特點(diǎn)在近幾年受到學(xué)者的廣泛關(guān)注。

2007年，李恩邦研究了單模光纖(smf)-無(wú)芯光纖(ncf)-smf(sns)結(jié)構(gòu)級(jí)聯(lián)光纖布拉格光柵(fbg)的透射式和反射式波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感裝置，實(shí)現(xiàn)溫度與折射率同時(shí)測(cè)量，其中反射式傳感裝置將fbg與在ncf末端鍍有反射膜的smf-ncf結(jié)構(gòu)熔接而成(李恩邦，同時(shí)測(cè)量液體溫度和折射率的光纖傳感裝置，cn1963400a，2007)。2012年，薛林林等研究了一種測(cè)量高折射率的smf-多模光纖(mmf)-smf(sms)結(jié)構(gòu)的光纖折射率傳感器，將兩段單模通信光纖和一段去除涂覆層與包層且長(zhǎng)度特定的mmf進(jìn)行無(wú)偏心熔接，通過(guò)測(cè)量透射譜的輸出功率損耗確定外界溶液的折射率(薛林林、楊利、錢(qián)景仁，一種基于光纖的折射率傳感器及測(cè)量方法，cn102507497a，2012)。2015年，劉鐵根等研究了基于sns結(jié)構(gòu)的波長(zhǎng)調(diào)制型傳感器，通過(guò)監(jiān)測(cè)sns結(jié)構(gòu)透射譜中兩個(gè)波谷的波長(zhǎng)漂移量來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度與折射率的同時(shí)測(cè)量(劉鐵根、陳耀飛、韓群、劉芳超、姚蘊(yùn)秩，光纖傳感器及制作方法、液體溫度和折射率同時(shí)測(cè)量方法，cn104713660a，2015)。

當(dāng)前報(bào)道的多模干涉型折射率傳感器主要使用多模光纖或無(wú)芯光纖，多模光纖需將其包層進(jìn)行腐蝕才能對(duì)外界折射率敏感，其工藝復(fù)雜且缺乏良好的重復(fù)性，因此目前更傾向于選用直接將外界溶液作為包層的無(wú)芯光纖作為多模干涉型折射率傳感器的光學(xué)器件。另外，目前多模干涉型傳感器的折射率測(cè)量主要通過(guò)波長(zhǎng)調(diào)制或絕對(duì)強(qiáng)度調(diào)制。其中波長(zhǎng)調(diào)制型傳感器需要使用造價(jià)高昂的波長(zhǎng)解調(diào)系統(tǒng)；絕對(duì)強(qiáng)度調(diào)制型傳感器存在光源波動(dòng)、光源老化與光路傳輸損耗變化對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，這些都限制了波長(zhǎng)調(diào)制型和絕對(duì)強(qiáng)度調(diào)制型傳感器的實(shí)際應(yīng)用。能夠抑制傳感器輸入光強(qiáng)度變化對(duì)輸出影響的相對(duì)強(qiáng)度調(diào)制型折射率傳感器必將拓寬其應(yīng)用前景，因此開(kāi)發(fā)了一種差分強(qiáng)度調(diào)制測(cè)量液體折射率的光纖傳感裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有的基于多模干涉測(cè)量折射率的測(cè)量方案和裝置中所存在的不足，提供一種差分強(qiáng)度調(diào)制測(cè)量液體折射率的光纖傳感裝置及測(cè)量方法。

本發(fā)明技術(shù)方案如下：

本發(fā)明提供一種差分強(qiáng)度調(diào)制測(cè)量液體折射率的光纖傳感裝置，該光纖傳感裝置為透射式光纖傳感裝置或反射式光纖傳感裝置，光纖傳感裝置包括寬帶光源、傳感模塊和基于波分復(fù)用器(wdm)的解調(diào)模塊，所述傳感模塊包括光纖環(huán)行器和光纖傳感器；

所述光纖傳感器由依次連接的單模光纖一(smf1)、無(wú)芯光纖(ncf)、單模光纖二(smf2)，光纖布拉格光柵一(fbg1)和光纖布拉格光柵二(fbg2)組成；所述透射式光纖傳感裝置中寬帶光源的輸出端依次連接單模光纖一(smf1)、無(wú)芯光纖(ncf)、單模光纖二(smf2)、光纖環(huán)行器1端口，從光纖環(huán)行器1端口輸出的光進(jìn)入光纖環(huán)行器2端口，光纖環(huán)行器2端口依次連接光纖布拉格光柵一(fbg1)、光纖布拉格光柵二(fbg2)，光信號(hào)經(jīng)光纖布拉格光柵一(fbg1)、光纖布拉格光柵二(fbg2)反射后進(jìn)入光纖環(huán)行器2端口，然后經(jīng)過(guò)光纖環(huán)行器3端口輸出，光纖環(huán)行器3端口連接基于波分復(fù)用器(wdm)的解調(diào)模塊；所述反射式光纖傳感裝置中寬帶光源的輸出端連接光纖環(huán)行器1端口，光信號(hào)經(jīng)光纖環(huán)行器2端口輸出，光信號(hào)依次經(jīng)過(guò)單模光纖一(smf1)、無(wú)芯光纖(ncf)、單模光纖二(smf2)、光纖布拉格光柵一(fbg1)、光纖布拉格光柵二(fbg2)，從光纖布拉格光柵一(fbg1)和光纖布拉格光柵二(fbg2)反射的光依次經(jīng)過(guò)單模光纖二(smf2)、無(wú)芯光纖(ncf)、單模光纖一(smf1)后進(jìn)入光纖環(huán)行器2端口，然后經(jīng)過(guò)光纖環(huán)行器3端口輸出，光纖環(huán)行器3端口連接基于波分復(fù)用器(wdm)的解調(diào)模塊；所述無(wú)芯光纖(ncf)的長(zhǎng)度選擇符合沿著無(wú)芯光纖(ncf)形成的多模干涉自映像周期數(shù)為4的整數(shù)倍所對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度，所述單模光纖一-無(wú)芯光纖-單模光纖二(sns)結(jié)構(gòu)的透射譜為近似對(duì)稱(chēng)的三角形，所述光纖布拉格光柵一(fbg1)和光纖布拉格光柵二(fbg2)的中心波長(zhǎng)選擇分別在由單模光纖一(smf1)、無(wú)芯光纖(ncf)、單模光纖二(smf2)組成的sns三角濾波器的左、右邊沿的線(xiàn)性區(qū)域中。

所述基于波分復(fù)用器(wdm)的解調(diào)模塊中，傳輸至解調(diào)模塊的信號(hào)輸入wdm的1端口(公共端)，wdm的2端口(透射端)濾出中心波長(zhǎng)較低的光纖布拉格光柵一(fbg1)的反射光，wdm的3端口(反射端)濾出中心波長(zhǎng)較高的光纖布拉格光柵二(fbg2)的反射光，上述wdm的2端口和3端口分別連接光探測(cè)器一和光探測(cè)器二，光探測(cè)器一和光探測(cè)器二將攜帶折射率信息的光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后交由信號(hào)處理與控制單元處理。

本發(fā)明提供一種基于差分強(qiáng)度調(diào)制測(cè)量液體折射率的多點(diǎn)光纖傳感裝置，多點(diǎn)光纖傳感裝置為多點(diǎn)透射式光纖傳感裝置或多點(diǎn)反射式光纖傳感裝置；所述多點(diǎn)透射式光纖傳感裝置中，寬帶光源的輸出端連接光開(kāi)關(guān)1公共端，信號(hào)處理與控制單元控制光開(kāi)關(guān)1、2、3的選擇，將光開(kāi)關(guān)1、2、3的通道n端口分別連接第n個(gè)透射式傳感器的1、2、3端口，即：光開(kāi)關(guān)1的通道n端口依次連接第n個(gè)傳感器的1端口、單模光纖一(smf1)、無(wú)芯光纖(ncf)、單模光纖二(smf2)、第n個(gè)傳感器2端口，光開(kāi)關(guān)2的n端口、光開(kāi)關(guān)2公共端、光纖環(huán)行器1端口，光纖環(huán)行器2端口依次連接光開(kāi)關(guān)3公共端、光開(kāi)關(guān)3的通道n端口、第n個(gè)傳感器的3端口、光纖布拉格光柵一(fbg1)、光纖布拉格光柵二(fbg2)，光信號(hào)經(jīng)光纖布拉格光柵一(fbg1)、光纖布拉格光柵二(fbg2)反射后再進(jìn)入光纖環(huán)行器2端口，然后經(jīng)過(guò)光纖環(huán)行器3端口輸出，光纖環(huán)行器3端口連接波分復(fù)用器(wdm)1端口(公共端)，wdn的2端口(透射端)和3端口(反射端)分別連接光探測(cè)器一和光探測(cè)器二，光探測(cè)器一和光探測(cè)器二所輸出的信號(hào)由信號(hào)處理與控制單元采集并處理。

所述多點(diǎn)反射式光纖傳感裝置中，寬帶光源的輸出端連接光纖環(huán)行器1端口，光信號(hào)經(jīng)光纖環(huán)行器2端口輸出，光纖環(huán)行器2端口連接光開(kāi)關(guān)公共端，信號(hào)處理與控制單元控制光開(kāi)關(guān)的通道選擇，將光開(kāi)關(guān)的通道n端口連接反射式傳感器n的1端口，反射式傳感器n的2和3端口連接，即：光開(kāi)關(guān)的通道n端口依次連接反射式傳感器n的1端口、單模光纖一(smf1)、無(wú)芯光纖(ncf)、單模光纖二(smf2)、光纖布拉格光柵一(fbg1)、光纖布拉格光柵二(fbg2)，光信號(hào)經(jīng)光纖布拉格光柵一(fbg1)、光纖布拉格光柵二(fbg2)反射后再次進(jìn)入單模光纖二(smf2)、無(wú)芯光纖(ncf)、單模光纖一(smf1)，經(jīng)光開(kāi)關(guān)后，進(jìn)入光纖環(huán)行器2端口，然后經(jīng)過(guò)光纖環(huán)行器3端口輸出，光纖環(huán)行器3端口連接波分復(fù)用器(wdm)1端口(公共端)，wdn的2端口(透射端)和3端口(反射端)分別連接光探測(cè)器一和光探測(cè)器二，光探測(cè)器一和光探測(cè)器二所輸出的信號(hào)由信號(hào)處理與控制單元采集并處理。

本發(fā)明提供一種基于差分強(qiáng)度調(diào)制測(cè)量液體折射率的光纖傳感裝置的差分強(qiáng)度調(diào)制方法，當(dāng)外界折射率變化時(shí)，無(wú)芯光纖(ncf)的有效折射率發(fā)生變化，sns結(jié)構(gòu)三角形透射譜發(fā)生波長(zhǎng)漂移，而光纖布拉格光柵一(fbg1)和光纖布拉格光柵二(fbg2)的反射譜不隨外界折射率的改變而發(fā)生變化，從而光纖布拉格光柵一(fbg1)和光纖布拉格光柵二(fbg2)的反射光強(qiáng)度改變，因光纖布拉格光柵一(fbg1)和光纖布拉格光柵二(fbg2)的中心波長(zhǎng)分別在sns三角濾波器的左、右邊沿的線(xiàn)性區(qū)域中，最終導(dǎo)致光纖布拉格光柵一(fbg1)與光纖布拉格光柵二(fbg2)各自反射光強(qiáng)度的差值顯著改變；所述透射式光纖傳感模塊輸出光中，光纖布拉格光柵一(fbg1)與光纖布拉格光柵二(fbg2)各自反射光強(qiáng)度的差值為：

δi＝i1-i2＝∫s(λ)t1(λ-δλ)δ(λ-λ1)dλ-∫s(λ)t2(λ-δλ)δ(λ-λ2)dλ

＝s(λ1)t1(λ1-δλ)-s(λ2)t2(λ2-δλ)

所述反射式光纖傳感結(jié)構(gòu)輸出光中，fbg1與fbg2各自反射光強(qiáng)度的差值為：

δi＝i1-i2＝∫s(λ)t1²(λ-δλ)δ(λ-λ1)dλ-∫s(λ)t2²(λ-δλ)δ(λ-λ2)dλ

＝s(λ1)t1²(λ1-δλ)-s(λ2)t2²(λ2-δλ)

式中，δi為差分強(qiáng)度，i1、i2分別為fbg1、fbg2反射光的強(qiáng)度，s(λ)為光源輸出的功率譜密度函數(shù)，t1(λ)、t2(λ)分別為fbg1和fbg2所對(duì)應(yīng)的sns濾波器線(xiàn)性邊沿的譜函數(shù)，δ(λ)為光纖光柵的反射譜函數(shù)(由于fbg1和fbg2的帶寬遠(yuǎn)小于sns透射譜帶寬，fbg1和fbg2的反射譜函數(shù)近似為沖擊函數(shù))，λ1、λ2分別為fbg1、fbg2的中心波長(zhǎng)，δλ為因外界折射率改變而引起的sns濾波器透射譜的波長(zhǎng)漂移量，因此，外界折射率變化被調(diào)制為fbg1和fbg2反射光強(qiáng)度差的變化。

本發(fā)明具有如下有益效果：

1.相對(duì)絕對(duì)強(qiáng)度調(diào)制，差分強(qiáng)度調(diào)制可以提高折射率測(cè)量的靈敏度。當(dāng)外界折射率變化時(shí)，sns結(jié)構(gòu)的譜形將發(fā)生平移，而fbg的反射譜不隨外界折射率發(fā)生變化，從而導(dǎo)致兩fbg反射光的強(qiáng)度發(fā)生變化。由于兩fbg中心波長(zhǎng)分別位于sns透射譜的左右線(xiàn)性邊沿，因此會(huì)造成一個(gè)fbg反射光強(qiáng)降低，而另一個(gè)fbg反射光強(qiáng)升高。通過(guò)wdm分別濾出兩fbg的反射光，并計(jì)算兩者差值。所得到的強(qiáng)度差相比單一fbg的反射光強(qiáng)度具有更高的折射率靈敏度。

2.相比單一sns結(jié)構(gòu)，可進(jìn)行溫度自補(bǔ)償，具有極低的溫度交叉靈敏度。sns結(jié)構(gòu)的透射與fbg的反射譜均在溫度變化時(shí)發(fā)生平移，且溫度靈敏度相近。當(dāng)溫度變化后，sns結(jié)構(gòu)透射譜與兩fbg反射譜相對(duì)位置變化很小，兩fbg反射光強(qiáng)度幾乎無(wú)變化，因此該結(jié)構(gòu)具有較低的溫度交叉靈敏度，可提高折射率測(cè)量的準(zhǔn)確性。

3.相比絕對(duì)強(qiáng)度調(diào)制，可抑制傳感器輸入光強(qiáng)波動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。傳感器輸入光強(qiáng)度的波動(dòng)(包括光源波動(dòng)和傳輸光纖彎曲引起的波動(dòng))對(duì)絕對(duì)強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的準(zhǔn)確性造成很大的影響。由于傳感器輸入光強(qiáng)度的波動(dòng)對(duì)本發(fā)明結(jié)構(gòu)中兩fbg反射光的強(qiáng)度變化影響為同向(即變化趨勢(shì)相同)，因此輸入光波動(dòng)對(duì)兩fbg反射光差分強(qiáng)度的影響遠(yuǎn)小于對(duì)單一fbg反射光強(qiáng)度的影響。

4.相比波長(zhǎng)調(diào)制型sns結(jié)構(gòu)傳感器，避免使用昂貴的波長(zhǎng)解調(diào)設(shè)備，降低了裝置的成本。

5.傳感器制作采用自動(dòng)熔接模式，無(wú)需對(duì)光纖進(jìn)行特殊處理(如腐蝕)，具有較好的制作重復(fù)性，便于量產(chǎn)和標(biāo)準(zhǔn)化。

附圖說(shuō)明

圖1是差分強(qiáng)度調(diào)制測(cè)量液體折射率的光纖傳感裝置組成框圖；

圖2是透射式光纖傳感裝置示意圖；

圖3是反射式光纖傳感裝置示意圖；

圖4是透射式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是反射式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是差分強(qiáng)度調(diào)制原理示意圖；

圖7是基于波分復(fù)用器(wdm)的解調(diào)模塊示意圖；

圖8是多點(diǎn)反射式光纖傳感裝置；

圖9是多點(diǎn)透射式光纖傳感裝置；

圖10是實(shí)測(cè)反射式傳感結(jié)構(gòu)差分強(qiáng)度與折射率的關(guān)系；

圖11是實(shí)測(cè)反射式折射率傳感器的抗輸入光波動(dòng)干擾的效果；

圖12是實(shí)測(cè)反射式傳感結(jié)構(gòu)中溫度對(duì)差分強(qiáng)度的影響；

圖13是實(shí)測(cè)透射式傳感結(jié)構(gòu)差分強(qiáng)度與折射率的關(guān)系；

圖14是實(shí)測(cè)透射式折射率傳感器的抗輸入光波動(dòng)干擾的效果；

圖15是實(shí)測(cè)透射式傳感結(jié)構(gòu)中溫度對(duì)差分強(qiáng)度的影響。

圖6中：

wl1、wl2分別為sns結(jié)構(gòu)帶通三角濾波器左側(cè)線(xiàn)性區(qū)的開(kāi)始、結(jié)束的波長(zhǎng)，wr1、wr2分別為sns結(jié)構(gòu)帶通三角濾波器右側(cè)線(xiàn)性區(qū)的開(kāi)始、結(jié)束的波長(zhǎng)，t1(λ)、t2(λ)分別為fbg1和fbg2所對(duì)應(yīng)的sns濾波器線(xiàn)性邊沿的譜函數(shù)，λ1、λ2分別為fbg1、fbg2的中心波長(zhǎng)，δλ為因外界折射率改變而引起的濾波器波長(zhǎng)漂移量，i1、i2分別為fbg1、fbg2在中心波長(zhǎng)處的反射光強(qiáng)度。

具體實(shí)施方式

在下文中，將結(jié)合附圖闡述本發(fā)明的具體實(shí)施方式。但本發(fā)明的實(shí)施和保護(hù)范圍不限于此，對(duì)本發(fā)明作實(shí)質(zhì)性相同的等同替換均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本發(fā)明的一種差分強(qiáng)度調(diào)制測(cè)量液體折射率的光纖傳感裝置，其組成框圖如圖1所示。寬帶光源輸出的光經(jīng)過(guò)傳感裝置轉(zhuǎn)換成光纖布拉格光柵一(fbg1)和光纖布拉格光柵二(fbg2)的反射光，進(jìn)入基于波分復(fù)用器(wdm)的解調(diào)模塊進(jìn)行信號(hào)處理，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)外界溶液的折射率測(cè)量。

本發(fā)明的一種差分強(qiáng)度調(diào)制測(cè)量液體折射率的透射式光纖傳感裝置，其示意圖如圖2所示。將寬帶光源輸出的光經(jīng)過(guò)sns結(jié)構(gòu)的帶通三角波形濾波器(見(jiàn)圖6)后連接光纖環(huán)行器的1端口，從光纖環(huán)行器2端口輸出后經(jīng)兩個(gè)合適波長(zhǎng)的fbg1和fbg2反射后，再經(jīng)光纖環(huán)行器2端口輸入，從光纖環(huán)行器3端口輸出連接基于wdm的解調(diào)模塊(見(jiàn)圖7)，wdm的2端口(透射端)濾出fbg1所在波段的光信號(hào)，wdm的3端口(反射端)濾出fbg2所在波段的光信號(hào)，兩個(gè)攜帶fbg1和fbg2強(qiáng)度信息的光分別經(jīng)過(guò)光探測(cè)器一和光探測(cè)器二，轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)由信號(hào)處理與控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理，最終實(shí)現(xiàn)外界折射率的實(shí)時(shí)測(cè)量。如圖4是透射式傳感器，在此結(jié)構(gòu)中，無(wú)芯光纖兩端分別熔接單模光纖一(smf1)和單模光纖二(smf2)，光纖環(huán)行器的1端口連接fbg2，光纖環(huán)形器的2端口連接fbg1和fbg2，經(jīng)過(guò)fbg1和fbg2反射后的光沿反方向傳播至光纖環(huán)行器的2端口，光纖環(huán)行器的3端口連接基于wdm的解調(diào)模塊。

下面具體描述單模光纖-無(wú)芯光纖-單模光纖(sns)結(jié)構(gòu)透射譜呈帶通三角波形的原理：

光在sns結(jié)構(gòu)中傳播時(shí)，會(huì)發(fā)生多模干涉現(xiàn)象，而多模干涉中存在自映像效應(yīng)。所謂自映像效應(yīng)是指入射光場(chǎng)在傳播方向上呈周期性再現(xiàn)的現(xiàn)象。在sns結(jié)構(gòu)中，當(dāng)光從單模光纖一(smf1)傳入到無(wú)芯光纖(ncf)時(shí)，由于模場(chǎng)不匹配，在ncf的輸入端會(huì)激發(fā)出一系列的高階模式，各高階模式在ncf的傳輸過(guò)程中，因不同的導(dǎo)?？v向傳播常數(shù)β不同，到達(dá)無(wú)芯光纖與單模光纖二(smf2)熔接處時(shí)會(huì)存在光程差，各高階模式相互干涉疊加，造成能量的重新分布，從而形成多模干涉。當(dāng)各模式光在ncf傳輸過(guò)程中的相位差為2π的整數(shù)倍時(shí)，會(huì)形成能量的聚集，類(lèi)似于是輸入光在這個(gè)位置處重新聚焦再現(xiàn)。當(dāng)無(wú)芯光纖的長(zhǎng)度確定，且光場(chǎng)聚焦點(diǎn)的位置恰好在無(wú)芯光纖(ncf)的輸出端處，則該波長(zhǎng)的光能以較小的損耗耦合到單模光纖二(smf2)中，形成干涉峰。

當(dāng)sns結(jié)構(gòu)中無(wú)芯光纖(ncf)的長(zhǎng)度和直徑一定時(shí)，sns結(jié)構(gòu)透射譜的干涉峰的波長(zhǎng)為：

式中，p是沿著無(wú)芯光纖形成的自映像周期數(shù)，nncf是sns結(jié)構(gòu)中ncf的有效折射率，dncf是ncf的直徑，ln是ncf的長(zhǎng)度。當(dāng)p為4倍自映像周期的整數(shù)倍時(shí)，光譜帶寬最窄，峰值插入損耗最小，并且可以呈現(xiàn)近似于對(duì)稱(chēng)三角形狀的透射光譜。在空氣中，一旦確定了sns結(jié)構(gòu)的自由中心波長(zhǎng)，ncf的折射率和直徑，ncf的長(zhǎng)度就被唯一限定。當(dāng)外界的溶液折射率發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起ncf的有效折射率發(fā)生改變從而導(dǎo)致干涉峰的漂移。

本發(fā)明的一種差分強(qiáng)度調(diào)制測(cè)量液體折射率的反射式光纖傳感裝置，其示意圖如圖3所示。寬帶光源輸出的光經(jīng)過(guò)光纖環(huán)行器1端口，從光纖環(huán)行器2端口輸出連接sns結(jié)構(gòu)的帶通三角濾波器，經(jīng)fbg1、fbg2反射后再通過(guò)sns結(jié)構(gòu)濾波，經(jīng)sns結(jié)構(gòu)的帶通三角濾波器兩次濾波后的光從光纖環(huán)行器2端口輸入，光纖環(huán)行器3端口輸出，通過(guò)基于wdm的解調(diào)模塊(見(jiàn)圖7)，wdm的2端口(透射端)濾出fbg1所在波段的光信號(hào)，wdm的3端口(反射端)濾出fbg2所在波段的光信號(hào)，兩個(gè)攜帶fbg1和fbg2強(qiáng)度信息的光分別經(jīng)過(guò)光探測(cè)器一和光探測(cè)器二，轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)由信號(hào)處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理，最終實(shí)現(xiàn)外界折射率的實(shí)時(shí)測(cè)量。如圖5是反射式傳感器，在此結(jié)構(gòu)中，無(wú)芯光纖(ncf)左右分別熔接單模光纖一(smf1)和單模光纖二(smf2)，光在無(wú)芯光纖(ncf)中發(fā)生多模干涉，sns結(jié)構(gòu)作為帶通三角濾波器對(duì)光信號(hào)進(jìn)行濾波，單模光纖二(smf2)與fbg1-fbg2級(jí)聯(lián)光柵熔接，經(jīng)過(guò)fbg1、fbg2反射后，又通過(guò)sns結(jié)構(gòu)濾波器進(jìn)行二次濾波，得到的信號(hào)傳輸至光纖環(huán)行器2端口。

本發(fā)明的一種差分強(qiáng)度調(diào)制測(cè)量液體折射率的差分強(qiáng)度調(diào)制方法，其原理示意圖如圖6所示。特定長(zhǎng)度的sns光纖結(jié)構(gòu)的透射譜呈近似對(duì)稱(chēng)三角形，構(gòu)成帶通三角波形光濾波器。以蒸餾水中的sns透射譜為初始狀態(tài)，其左邊沿線(xiàn)性區(qū)域?yàn)閣l1～wl2，右邊沿線(xiàn)性區(qū)域?yàn)閣r1～wr2，且左右邊沿線(xiàn)性區(qū)的斜率符號(hào)相反，數(shù)值相近。當(dāng)外界折射率增加時(shí)，sns濾波器的透射譜會(huì)向長(zhǎng)波方向發(fā)生漂移，波長(zhǎng)漂移量為δλ，則左線(xiàn)性區(qū)域變?yōu)?wl1+δλ)～(wl2+δλ)，右線(xiàn)性區(qū)域變?yōu)?wr1+δλ)～(wr2+δλ)。為保證折射率測(cè)量范圍內(nèi)，兩fbg中心波長(zhǎng)始終位于sns結(jié)構(gòu)透射譜相應(yīng)邊沿的線(xiàn)性區(qū)域中，fbg1與fbg2的中心波長(zhǎng)的取值范圍分別為(wl1+δλ)～wl2和(wl1+δλ)～wr2。由于sns的透射譜隨外界折射率的變化發(fā)生偏移，而fbg的反射譜不受外界折射率變化的影響，因此，外界折射率的變化將導(dǎo)致兩fbg反射光強(qiáng)度的變化，即fbg1和fbg2反射的光的強(qiáng)度攜帶有外界的折射率信息。由于兩fbg中心波長(zhǎng)分別位于sns結(jié)構(gòu)透射譜兩個(gè)線(xiàn)性邊沿，因此會(huì)造成一個(gè)fbg反射光強(qiáng)降低，而另一個(gè)fbg反射光強(qiáng)升高。通過(guò)wdm的2端口(透射端)和3端口(反射端)分別濾出fbg1、fbg2的反射光，并求兩者差值(差分)。

對(duì)于透射式傳感器，光經(jīng)過(guò)sns結(jié)構(gòu)后經(jīng)fbg1和fbg2反射，兩fbg反射光沒(méi)有再次進(jìn)入sns結(jié)構(gòu)，而直接進(jìn)入基于wdm的解調(diào)模塊。fbg1和fbg2反射光分別從wdm的2端口(透射端)和3端口(反射端)濾出，反射光強(qiáng)度差可表示為：

其中，δi為差分強(qiáng)度差，i1、i2分別為fbg1、fbg2反射光的強(qiáng)度，s(λ)為光源輸出的功率譜密度函數(shù)，t1(λ)、t2(λ)分別為fbg1和fbg2所對(duì)應(yīng)的sns濾波器線(xiàn)性邊沿的譜函數(shù)，δ(λ)為光纖光柵的反射譜函數(shù)(由于fbg1和fbg2的帶寬遠(yuǎn)小于sns透射譜帶寬，因此fbg1和fbg2的反射譜函數(shù)近似為沖擊函數(shù))，λ1、λ2分別為fbg1、fbg2的中心波長(zhǎng)，δλ為因外界折射率改變而引起的sns濾波器透射譜的波長(zhǎng)漂移量。

反射式傳感器的測(cè)量液體折射率的原理與透射式一致，只不過(guò)光從sns結(jié)構(gòu)傳輸至fbg1和fbg2后，fbg1和fbg2的反射光需要多經(jīng)過(guò)一次sns結(jié)構(gòu)濾波后，進(jìn)入基于wdm的解調(diào)模塊。fbg1和fbg2的反射光強(qiáng)度差可以表示為

所得到的強(qiáng)度差相比單一fbg的反射光強(qiáng)度具有更高的折射率靈敏度。另外，sns的干涉譜與fbg的反射譜均在溫度變化時(shí)發(fā)生平移，且溫度靈敏度相近。當(dāng)溫度改變化后，sns干涉譜與兩fbg反射譜相對(duì)位置變化很小，兩fbg反射光強(qiáng)度幾乎無(wú)變化，因此該結(jié)構(gòu)具有較低的溫度交叉靈敏度。由于傳感器輸入光強(qiáng)度的波動(dòng)對(duì)本發(fā)明結(jié)構(gòu)中兩fbg反射光的強(qiáng)度變化影響為同向(即變化趨勢(shì)相同)，因此輸入光波動(dòng)對(duì)差分強(qiáng)度的影響遠(yuǎn)小于對(duì)單一fbg反射光強(qiáng)度的影響，具有抑制輸入光強(qiáng)度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果影響的能力。根據(jù)外界折射率與兩fbg反射光強(qiáng)度差的計(jì)算公式，信號(hào)處理與控制單元可計(jì)算得到外界液體折射率信息。

如圖7是基于波分復(fù)用器(wdm)的解調(diào)模塊。經(jīng)過(guò)透射式傳感器或反射式傳感器的輸出光為fbg1和fbg2反射光的疊加，每個(gè)fbg反射光的強(qiáng)度攜帶有外界折射率的信息。通過(guò)wdm分別對(duì)透射式傳感器或反射式傳感器的輸出光進(jìn)行濾波，從wdm的2端口濾出包含λ1波段的波形(帶通濾波器)，從wdm的3端口濾出包含λ2的波形(帶阻濾波器)。將wdm輸出的兩fbg的反射光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳輸?shù)叫盘?hào)處理與控制單元，通過(guò)計(jì)算其差值并代入相應(yīng)折射率轉(zhuǎn)換公式得到外界的折射率值。

本發(fā)明的一種多點(diǎn)反射式光纖傳感裝置，其示意圖如圖8所示。寬帶光源輸出的光經(jīng)過(guò)光纖環(huán)行器，連接一個(gè)由信號(hào)處理與控制單元控制的1×n光開(kāi)關(guān)(n＞1)，由于采用時(shí)分復(fù)用方式，各路反射式傳感器中ncf的長(zhǎng)度和fbg的中心波長(zhǎng)可相同。信號(hào)處理與控制單元控制光開(kāi)關(guān)選通n通道，從而實(shí)現(xiàn)光環(huán)行器2端口與反射式傳感器n的1端口連接。寬帶光源的輸出光經(jīng)過(guò)sns帶通三角濾波器濾波、fbg1與fbg2反射、sns帶通三角濾波器再濾波后，反射光從光纖環(huán)行器2端口輸入，從光纖環(huán)行器3端口輸出，連接到基于wdm的解調(diào)模塊，在基于wdm的解調(diào)模塊中，傳輸至解調(diào)模塊的信號(hào)輸入wdm的1端口(公共端)，wdm的2端口(透射端)濾出中心波長(zhǎng)較低的光纖布拉格光柵一(fbg1)的反射光，wdm的3端口(反射端)濾出中心波長(zhǎng)較高的光纖布拉格光柵二(fbg2)的反射光，上述wdm的2端口和3端口分別連接光探測(cè)器一和光探測(cè)器二，光探測(cè)器一和光探測(cè)器二將攜帶折射率信息的光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)交由信號(hào)處理與控制單元，實(shí)現(xiàn)在labview界面或stm32實(shí)時(shí)多點(diǎn)測(cè)量外界折射率。sns帶通三角濾波器的透射譜在光源光譜范圍內(nèi)呈現(xiàn)為對(duì)稱(chēng)三角形，光纖布拉格光柵一(fbf1)和光纖布拉格光柵二(fbf2)的中心波長(zhǎng)分別位于sns結(jié)構(gòu)三角濾波器透射譜的左右兩個(gè)線(xiàn)性邊沿。當(dāng)外界折射率變化時(shí)，sns結(jié)構(gòu)的透射譜將發(fā)生平移，而兩光纖布拉格光柵fbg、fbg2反射譜不發(fā)生變化，因此fbg1、fbg2的反射光強(qiáng)呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)。利用wdm的2端口(透射端)、3端口(反射端)分別濾出fbg1、fbg2的反射光，并通過(guò)求兩路反射光的強(qiáng)度差，表征外界折射率。

本發(fā)明的多點(diǎn)透射式光纖傳感裝置，其示意圖如圖9所示。信號(hào)處理與控制單元控制1×n光開(kāi)關(guān)1、2、3(n＞1)，由于采用時(shí)分復(fù)用方式，各路反射式傳感器中ncf的長(zhǎng)度和fbg的中心波長(zhǎng)可相同。寬帶光源的輸出端連接光開(kāi)關(guān)1公共端，光開(kāi)關(guān)1的通道n端口依次連接第n個(gè)傳感器的1端口、單模光纖一(smf1)、無(wú)芯光纖(ncf)、單模光纖二(smf2)、第n個(gè)傳感器2端口，光開(kāi)關(guān)2的n端口、光開(kāi)關(guān)2公共端、光纖環(huán)行器1端口，光纖環(huán)行器2端口依次連接光開(kāi)關(guān)3公共端、光開(kāi)關(guān)3的通道n端口、第n個(gè)傳感器的3端口、光纖布拉格光柵一(fbg1)、光纖布拉格光柵二(fbg2)，光信號(hào)經(jīng)光纖布拉格光柵一(fbg1)、光纖布拉格光柵二(fbg2)反射后再進(jìn)入光纖環(huán)行器2端口，然后經(jīng)過(guò)光纖環(huán)行器3端口輸出，光纖環(huán)行器3端口連接波分復(fù)用器(wdm)1端口(公共端)，在基于wdm的解調(diào)模塊中，傳輸至解調(diào)模塊的信號(hào)輸入wdm的1端口(公共端)，wdm的2端口(透射端)濾出中心波長(zhǎng)較低的光纖布拉格光柵一(fbg1)的反射光，wdm的3端口(反射端)濾出中心波長(zhǎng)較高的光纖布拉格光柵二(fbg2)的反射光，上述wdm的2端口和3端口分別連接光探測(cè)器一和光探測(cè)器二，光探測(cè)器一和光探測(cè)器二將攜帶折射率信息的光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)交由信號(hào)處理與控制單元，實(shí)現(xiàn)在labview界面或stm32實(shí)時(shí)多點(diǎn)測(cè)量外界折射率。sns的透射譜在光源光譜范圍內(nèi)呈現(xiàn)為對(duì)稱(chēng)三角形，光纖布拉格光柵一(fbf1)和光纖布拉格光柵二(fbf2)的中心波長(zhǎng)分別位于sns結(jié)構(gòu)透射譜的左右兩個(gè)線(xiàn)性邊沿。當(dāng)外界折射率變化時(shí)，sns結(jié)構(gòu)的透射譜將發(fā)生平移，而兩光纖布拉格光柵fbg、fbg2反射譜不發(fā)生變化，因此fbg1、fbg2的反射光強(qiáng)呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)。利用wdm的2端口(透射端)、3端口(反射端)分別濾出fbg1、fbg2的反射光，并通過(guò)求兩路反射光的強(qiáng)度差，表征外界折射率。

作為應(yīng)用實(shí)例1，將本發(fā)明的反射式傳感器用于甘油與蒸餾水混合的溶液中進(jìn)行折射率測(cè)量。實(shí)施例涉及一種單點(diǎn)反射式折射率測(cè)量。不同濃度的甘油溶液是通過(guò)甘油與蒸餾水不同的體積比配制而成的，再取樣通過(guò)阿貝折射率標(biāo)定每一種甘油溶液的折射率。給反射式傳感器一定的軸向應(yīng)力，用uv膠將傳感器固定在鋼化玻璃上確保具有相似的熱膨脹系數(shù)，再將此鋼化玻璃放置在加熱控制臺(tái)上為后續(xù)的溫度測(cè)量做準(zhǔn)備。甘油溶液的標(biāo)定的折射率值為1.3326至1.4066，并保持阿貝儀標(biāo)定折射率與實(shí)驗(yàn)測(cè)量折射率的外界溫度始終在24℃左右。按照?qǐng)D3的反射式光纖傳感裝置搭建光路。在傳感區(qū)域依次滴入不同濃度的甘油溶液，用光功率計(jì)暫代信號(hào)處理與控制單元得到兩光纖光柵的反射光強(qiáng)度。圖10是差分強(qiáng)度調(diào)制后的折射率響應(yīng)度，在1.3326至1.3702，1.3702-1.4066折射率范圍內(nèi)，折射率靈敏度分別達(dá)到-199.6db/riu，-355.5db/riu。圖11是采取差分強(qiáng)度調(diào)制后傳感裝置對(duì)輸入光強(qiáng)波動(dòng)抑制效果的驗(yàn)證結(jié)果，當(dāng)外界溶液的折射率為1.3702時(shí)，調(diào)整寬帶光源的驅(qū)動(dòng)電流從140ma逐漸升至210ma(步進(jìn)為10ma)，對(duì)應(yīng)的光源功率從3mw升至10mw，單獨(dú)的fbg1與fbg2的反射光強(qiáng)在光源輸出強(qiáng)度變化7mw的過(guò)程中，功率分別變化了3.51db，3.33db，而通過(guò)差分強(qiáng)度調(diào)制，兩fbg的光強(qiáng)差只改變了0.18db，從而驗(yàn)證了該調(diào)制方法能夠抑制因光源波動(dòng)、光源老化、光路傳輸損耗等對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。圖12是差分強(qiáng)度調(diào)制后的溫度響應(yīng)度，調(diào)整加熱控制臺(tái)的溫度從24℃升至100℃(步進(jìn)為10℃)。由于無(wú)芯光纖和光纖光柵具有相似的熱膨脹系數(shù)，溫度靈敏度均在10pm/℃左右，因此當(dāng)溫度升高，sns濾波器與fbg1、fbg2的波形都會(huì)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向漂移。經(jīng)過(guò)差分強(qiáng)度調(diào)制后，溫度靈敏度的值為0.0148db/℃，經(jīng)計(jì)算，因溫度變化造成折射率測(cè)量的誤差值僅為7.41×10^-5riu/℃(@1.3326-1.3702)，4.16×10^-5riu/℃(@1.3702-1.4066)。從而驗(yàn)證了該透射式傳感器可以抑制溫度的交叉靈敏度，實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償。

作為應(yīng)用實(shí)例2，將本發(fā)明的透射式傳感器用于甘油與蒸餾水混合的溶液中進(jìn)行折射率測(cè)量。實(shí)施例涉及一種單點(diǎn)透射式折射率測(cè)量。不同濃度的甘油溶液是通過(guò)甘油與蒸餾水不同的體積比配制而成的，再取樣通過(guò)阿貝折射率標(biāo)定每一種甘油溶液的折射率。給反射式傳感器一定的軸向應(yīng)力，用uv膠將傳感器固定在鋼化玻璃上確保具有相似的熱膨脹系數(shù)，再將此鋼化玻璃放置在加熱控制臺(tái)上為后續(xù)的溫度測(cè)量做準(zhǔn)備。甘油溶液的標(biāo)定的折射率值為1.333至1.4034，并保持阿貝儀標(biāo)定折射率與實(shí)驗(yàn)測(cè)量折射率的外界溫度始終在22℃左右。按照?qǐng)D2的透射式光纖傳感裝置搭建光路。在傳感區(qū)域依次滴入不同濃度的甘油溶液，用光功率計(jì)暫代信號(hào)處理與控制單元得到兩光纖光柵的反射光強(qiáng)度。圖13是強(qiáng)度差調(diào)制后的折射率響應(yīng)度，在1.333至1.3727，1.3727至1.4034折射率范圍內(nèi)，折射率靈敏度分別為-85.57884db/riu，-164.68281db/riu。圖14是采取差分強(qiáng)度調(diào)制后傳感裝置對(duì)輸入光強(qiáng)波動(dòng)抑制效果的驗(yàn)證結(jié)果，當(dāng)外界溶液的折射率為1.3402時(shí)，調(diào)整寬帶光源的驅(qū)動(dòng)電流從140ma逐漸升至210ma(步進(jìn)為10ma)，對(duì)應(yīng)的光源功率從3mw升至10mw，單獨(dú)的fbg1與fbg2在光源輸出強(qiáng)度變化7mw的過(guò)程中，功率分別變化了3.53db，3.06db，而通過(guò)差分強(qiáng)度調(diào)制，雙fbg的光強(qiáng)差只改變了0.47db，從而驗(yàn)證了該調(diào)制方法能夠抑制因光源波動(dòng)、光源老化、光路傳輸損耗等對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。圖15是差分強(qiáng)度調(diào)制后的溫度響應(yīng)度，調(diào)整加熱控制臺(tái)的溫度從22℃升至100℃(步進(jìn)為10℃)，由于無(wú)芯光纖和光纖光柵具有相似的熱膨脹系數(shù)，溫度靈敏度均在10pm/℃左右，因此當(dāng)溫度升高，sns濾波器與fbg1、fbg2的波形都會(huì)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向漂移。經(jīng)過(guò)差分強(qiáng)度調(diào)制后，溫度靈敏度的值為0.0063db/℃，經(jīng)計(jì)算，因溫度變化造成折射率測(cè)量的誤差值僅7.362×10^-5riu/℃(@1.3326-1.3727)，3.826×10^-5riu/℃(@1.3727-1.4034)。因此該反射式傳感器可以抑制溫度的交叉靈敏度，從而實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償。