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专利名称：一种基于新型反射式光纤环镜的液体折射率测量方法
技术领域：
本发明涉及一种基于新型反射式光纤环镜的液体折射率测量方法，属于光电检测技术领域。
背景技术：
物质的折射率(Refractive Index)是反映物质内部信息的一个重要物理量。物质折射率的测量在基础研究、化学分析、环境污染评估、医疗诊断和食品工业等领域有着广泛的应用。在各种液体物质中，诸如密度、浓度、温度等物理量的变化，均会对折射率产生影响。常用的折射率测量方法包括全反射(临界角)法和光束偏折法。全反射法的测量仪器是阿贝折光仪，这种方法必须对被测液体进行取样才能进行测量，测量范围通常不能超过I. 7。光束偏折法需要知道棱镜或平板在一定波长下折射率的精确值，使得测量精度难以提 高。近年来，国内外学者和研究机构在这方面做了大量的研究，提出了许多折射率测量方法，如(Yong Zhao,Min Rong,Yanbiao Liao,Determination of saltwater concentrationbased on optical and electrical dual-differential methods，Optical Engineering，2004，Vol. 43，No. 3 :732-7368)提出的利用折射原理和光电位置敏感器件PSD实现的盐水浓度测量装置和方法；(周瑜，贾光明，张贵忠等，用高精度法布里-玻罗干涉仪测量液体的折射率，中国激光，2006，33 (增刊)345-348)采用F-P干涉仪传感系统，测量了不同浓度酒精的折射率；(王彦，梁大开，欧启标，周兵，测量液体折射率与浓度的光纤光栅传感器，传感器与微系统2007，26 (7) 24-26)利用长周期光纤光栅实现了液体折射率的测量。此夕卜，对于液体折射率的测量，还常用基于菲涅尔反射原理的测量技术。但这些方法中，有的不能实现远距离测量，有的体积较大、不适合在线测量。

发明内容
本发明的目的在于克服已有技术的不足之处，提出一种新颖、结构简单、成本低，操作方便、易于实现液体折射率的远距离在线测量。本发明的技术方案如下一种基于新型反射式光纤环镜的液体折射率测量方法，包括宽带光源、反射式光纤环镜传感单元、折射率匹配液、光谱分析仪以及连接它们的光纤链路和计算机系统，所述的反射式光纤环镜传感单元包括一个样品池和反射式光纤环镜结构，其特征在于所述的反射式光纤环镜结构由两个光纤耦合器及传感探头构成；所述的传感探头由两段普通单模光纤和其间的一段高双折射光纤构成；宽带光源11发出的光经传输光纤12传至光纤耦合器30的输入端口 31，然后分别从输出端口 32和33沿上臂光纤13和下臂光纤14传至光纤率禹合器40的输入端41和44,由光纤I禹合器40的输出端42输出的光经传输光纤15达到传感探头，分别经过第一段单模光纤16、高双折射光纤17和第二段单模光纤18达到传感探头的反射端面；光在传感探头反射端面处与具有特定折射率值的被测液体形成的反射界面发生菲涅尔反射，反射光再按照相反的光路重新回到光纤耦合器30的输出端口 34，由于此时光先后两次经过高双折射光纤17的作用而发生干涉现象，干涉信号经过传输光纤20送至光谱分析仪，光谱分析仪输出的电信号由串口传送至计算机进行处理；为了降低从光纤耦合器40的另一个输出端43返回信号的影响，将其插入折射率匹配液24中，以吸收掉这部分光。本发明所述的宽带光源采用中心波长范围为1523nm 1568nm的ASE光源；所述的高双折射光纤及光纤耦合器的工作波长为1550nm ;所述的上臂光纤和下臂光纤的长度相同；所述的光纤耦合器30和40的分光比为I : I ;所述的光纤链路采用的都是普通单模光纤，芯径为9 ii m,包层直径为125 u m。本发明的技术特征还在于所述的高双折射光纤为熊猫型保偏光纤，其模场直径为10. 5 ii m,包层直径为125 u m,长度选用9cm。本发明具有如下特点①仪器结构简单、设计新颖、成本较低。②传感器结构采用了反射式结构设计，使得测量操作方便，易于实现远距离在线监测。·


图I为本发明提供的基于新型反射式光纤环镜的液体折射率测量系统示意图。图2为利用本发明获得的不同折射率情况下，采集到的光谱信号。图3为利用本发明测得的输出电压随被测折射率的关系曲线。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体结构、原理以及测量过程作进一步的说明。如图I所示，在传感探头的端面与被测液体接触面处，由于探头材料与被测液体材料折射率的不同，因此构成了反射面。由菲涅耳反射原理，不同折射率分界面对光波有反射作用。当光波垂直入射时，反射光强L与入射光强Iin的关系即为光强反射率，可描述为左=n^rix-/in其中，nf和nd分别为光纤纤芯和液体的折射率。而光波在这种反射型光纤环镜结构中传输的过程可由琼斯矩阵描述如下光矢量E1经过光纤耦合器30 (分光比为I : I)的端口 31入射，到达端口 32和端口 33的两束光矢量R3和E4分别沿单模光纤快轴X轴和慢轴y轴分解后的琼斯矩阵仍然满足式(2)和式⑶。
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(E3y) ^(Eiy) (V05 iyfo^E) nUJ eUJ=Ui ^}ioJ=o ⑶对于沿光纤环镜顺时针传输的光矢量E3，在经过单模光纤时，考虑到单模光纤在环内会不可避免受到拉伸、扭转等外部应力，因此，经过单模光纤后光波总的传输特性可由琼斯矩阵表示为
权利要求
1.一种基于新型反射式光纤环镜的液体折射率测量方法，包括宽带光源、反射式光纤环镜传感单元、折射率匹配液、光谱分析仪以及连接它们的光纤链路和计算机系统，所述的反射式光纤环镜传感单元包括一个样品池和反射式光纤环镜结构，其特征在于所述的反射式光纤环镜结构由两个光纤耦合器及传感探头构成；所述的传感探头由两段普通单模光纤和其间的一段高双折射光纤构成；宽带光源11发出的光经传输光纤12传至光纤耦合器30的输入端口 31，然后分别从输出端口 32和33沿上臂光纤13和下臂光纤14传至光纤耦合器40的输入端41和44,由光纤I禹合器40的输出端42输出的光经传输光纤15达到传感探头，分别经过第一段单模光纤16、高双折射光纤17和第二段单模光纤18达到传感探头的反射端面；光在传感探头反射端面处与具有特定折射率值的被测液体形成的反射界面发生菲涅尔反射，反射光再按照相反的光路重新回到光纤耦合器30的输出端口 34，由于此时光先后两次经过高双折射光纤17的作用而发生干涉现象，干涉信号经过传输光纤20送至光谱分析仪，光谱分析仪输出的电信号由串口传送至计算机进行处理；为了降低从光纤耦合器40的另一个输出端43返回信号的影响，将其插入折射率匹配液24中，以吸收掉这部分光。
2.按照权利要求I所述的一种基于新型反射式光纤环镜的液体折射率测量方法，其特征在于所述的宽带光源采用中心波长范围为1523nm 1568nm的ASE光源；所述的高双折射光纤及光纤稱合器的工作波长为1550nm。
3.按照权利要求I所述的一种基于新型反射式光纤环镜的液体折射率测量方法，其特征在于所述的上臂光纤和下臂光纤的长度相同；所述的光纤耦合器30和40的分光比为I I;所述的光纤链路采用的都是普通单模光纤，芯径为9 ym。
4.按照权利要求I所述的一种基于新型反射式光纤环镜的液体折射率测量方法，其特征在于所述的高双折射光纤为熊猫型保偏光纤，其模场直径为10. 5iim,包层直径为125 V- m,长度选用9cm。
全文摘要
一种基于新型反射式光纤环镜的液体折射率测量方法，本发明属于光电检测技术领域。由宽带光源、反射式光纤环镜传感单元、折射率匹配液、光谱分析仪以及连接它们的光纤链路和计算机系统组成。其特点是将传统的透射型光纤环镜转换为带有反射结构的传感探头，并将传统的光纤环镜中的高双折射光纤由原来的环内部移至环外的反射结构处，在该高双折射光纤的两端分别熔接普通单模光纤。由宽谱光源发出的光沿着设定的光路先后两次经过高双折射光纤的作用而在输出端发生干涉现象，而干涉信号的强度就表征了被测液体折射率的大小。具有结构简单、设计新颖、容易操作，易于实现远距离在线测量的优点。
文档编号G01N21/45GK102788768SQ201210236688
公开日2012年11月21日 申请日期2012年7月10日 优先权日2012年7月10日
发明者王 琦, 赵勇 申请人:东北大学