[发明专利]光纤布拉格光栅折射率传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种折射率传感器，尤其涉及一种光纤布拉格光栅的折射率传感器。

背景技术

折射率在物理、生物、化学等学科领域是一个很重要的参数，对其精确测量在化工、医药、食品等相关工业部门有重要意义和用途。因此，许多的测量折射率的方法应运而生。传统的测量方法有掠入射法、衍射光栅法、激光照射法和CCD测量法，还有宽带吸收光谱法、滴定法和荧光淬火等测量方法，但是大多数这些方法都只局限于可见光范围而且都是取样的方法，不能进行实时的监控。随后，光声、SPR传感器和拉曼光谱等一些新技术相继出现，但是这些方法价格昂贵并且不易操作。基于长周期光纤光栅的折射率计具有较高的灵敏度，但是由于长周期光纤光栅受自身的弯曲影响大，可靠性受到大大影响。基于法布里-珀罗腔的折射率计，虽然具有体积小的优点，但是制造复杂且昂贵，易受光源稳定性的影响。当前基于光纤布拉格光栅的折射率传感方法，都是通过去除光纤包层，利用光纤渐逝波（evanescent field）与外界（待测折射率物质）相互作用，引起光纤光栅布拉格波长移动来实现折射率的测量。这种方法缺点是由于光纤的包层被去除，可承受的强度减弱，影响传感器的应用，同时成本上升。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供光纤布拉格光栅折射率传感器，具体技术方案如下。

一种光纤布拉格光栅折射率传感器，包括宽带光源、光纤耦合器、传输光纤、光纤传感头、光谱仪和计算机，所述宽带光源连接到光纤耦合器的输入端，光纤耦合器的一输出端通过传输光纤与到光纤传感头连接，光纤耦合器的另一输出端与光谱仪的输入端连接，光纤传感头反射的光通过光纤耦合器传输到光谱仪的输入端；所述光纤传感头为带尾纤的普通光纤布拉格光纤光栅。

上述的光纤布拉格光栅折射率传感器中，还包括用于接收光谱仪的输出数据并计算折射率的计算机，光谱仪输出端与所述计算机通信连接。

上述的光纤布拉格光栅折射率传感器中，所述光纤传感头由普通单模光纤和刻在该普通单模光纤上的光纤布拉格光栅构成。

上述的光纤布拉格光栅折射率传感器中，所述普通单模光纤为未经去除包层处理的单模光纤。

上述的光纤布拉格光栅折射率传感器中，光纤传感头的所述尾纤长度大于光源的相干长度,尾纤端面与尾纤长度方向垂直。

上述的光纤布拉格光栅折射率传感器中，光纤耦合器的分光比为10％～90％：90%～10％。

上述的光纤布拉格光栅折射率传感器中，所述宽带光源为C-波段（1520nm-1570nm）的光纤宽带光源，所述传输光纤为普通单模光纤。

上述的光纤布拉格光栅折射率传感器中，所述光纤传感头是带尾纤的普通光纤布拉格光纤光栅，布拉格波长在所述宽带光源波长范围内，反射率为任意。

上述的光纤布拉格光栅折射率传感器中，计算机根据布拉格光纤光栅的边模抑制比随其尾纤端面所处的待测材料折射率而变化的规律，计算出待测材料折射率。

进行测量时，光纤传感头插入待测物质（如液体）中。布拉格光纤光栅的边模抑制比随其尾纤端面所处的待测材料折射率而变化的规律原理如下：

布拉格光纤光栅的反射率                                                随波长的变化可以表示为：

                                   (1)

其中

                                                              (2)

 为光纤光栅布拉格波长，为光纤纤芯的折射率变化, 为光纤光栅的光栅周期, 为光纤光栅的周期数，为纤芯中的功率百分比，V为光纤光栅的结构常数。当波长远离布拉格波长时，有。光纤光栅尾纤端面的菲涅耳反射与波长无关，表示为：

                                                                          (3)

其中为纤芯折射率，为所需测量材料的折射率。

当光纤布拉格光栅到尾纤端面的长度大于经过光源的相干长度时，布拉格波长位置的反射强度为： 

         (4)

在远离布拉格波长位置的反射光强可以表示为： 

                                               (5)

于是，得到光纤光栅的边模抑制比SMSR为