折射率传感测量装置及方法与流程

本发明涉及光电子技术领域，特别涉及一种折射率传感测量装置和一种折射率传感测量方法。

背景技术：

相关技术中，光纤传感器具有体积小，重量轻，易于实现远距离和分布式测量、防爆、电绝缘以及防电磁干扰等特性，被广泛应用于折射率、温度和应力等参量的远距离测量领域中，现有的光纤折射率传感器通常采用腐蚀的布拉格光纤光栅来实现，通过测量布拉格光纤光栅的反射峰波长变化来测量折射率的变化，但是，由于此类传感器的信噪比和分辨率受到布拉格光纤光栅的带宽限制，所以采用此类传感器进行折射率测量难以获得较好的灵敏度和分辨率。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。为此，本发明的第一个目的在于提出一种折射率传感测量装置，通过采用腐蚀布拉格光纤光栅fp干涉仪进行折射率测量，从而大大提高传感的灵敏度和分辨率。

本发明的第二个目的在于提出一种基于折射率传感测量方法。

为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种折射率传感测量装置，包括腐蚀布拉格光纤光栅fp干涉仪、匹配布拉格光纤光栅、光放大器、光纤环形器、光纤耦合器、光电探测器和频谱仪，所述光放大器发送的光信号输入到所述光纤环形器和所述匹配布拉格光纤光栅，并通过所述匹配布拉格光纤光栅对所述腐蚀布拉格光纤光栅fp干涉仪的窄带透射峰波长进行反射，以将反射的所述窄带透射峰波长传输至所述光纤耦合器以形成激光，并通过所述光纤耦合器的第一输出端将所述激光输出，所述光电探测器对所述激光进行拍频，以产生微波信号频率，并通过所述频谱仪对所述微波信号频率进行测量，以便根据所述微波信号频率和预先绘制的关系曲线获取待测溶液的折射率。

根据本发明实施例提供的折射率传感测量装置，包括腐蚀布拉格光纤光栅fp干涉仪、匹配布拉格光纤光栅、光放大器、光纤环形器、光纤耦合器、光电探测器和频谱仪，光放大器发送的光信号输入到光纤环形器和匹配布拉格光纤光栅，并通过匹配布拉格光纤光栅对腐蚀布拉格光纤光栅fp干涉仪的窄带透射峰波长进行反射，以将反射的窄带透射峰波长传输至光纤耦合器以形成激光，并通过光纤耦合器的第一输出端将激光输出，光电探测器对激光进行拍频，以产生微波信号频率，并通过频谱仪对所述微波信号频率进行测量，以便根据微波信号频率和预先绘制的关系曲线获取待测溶液的折射率；由此，通过腐蚀布拉格光纤光栅fp干涉仪具有两个窄带透射峰的光谱特点，将其作为双波长光纤激光器的波长选择器件，同时作为折射率传感器件；当外界折射率发生改变时，腐蚀布拉格光纤光栅fp干涉仪的两个光栅之间的光程差发生改变，导致透射峰波长间隔发生改变，因此双波长光纤激光器的波长间隔就会发生改变；再采用光电探测器对输出激光进行拍频，通过测量拍频产生的微波信号频率的变化即可获得待测液体的折射率，从而使得折射率传感测量装置的信噪比和分辨率不受带宽限制，大大提高了传感的灵敏度和分辨率。

另外，根据本发明上述实施例提出的折射率传感测量装置还可以具有如下附加的技术特征：

可选地，所述窄带透射峰波长包括第一窄带透射峰波长和第二窄带透射峰波长，所述第一窄带透射峰波长和所述第二窄带透射峰波长均位于所述匹配布拉格光纤光栅的反射带中。

可选地，所述光放大器为半导体光放大器，所述半导体光放大器的输入端与所述光纤耦合器的第二输出端相连接，所述半导体光放大器的输出端与所述光纤环形器的输入端相连接，所述光纤环形器的反射端与所述匹配布拉格光纤光栅相连接，所述光纤环形器的输出端与所述腐蚀布拉格光纤光栅fp干涉仪的一端相连接，所述腐蚀布拉格光纤光栅fp干涉仪的另一端与所述光纤耦合器的输入端相连接，所述光纤耦合器的第一输出端与所述光电探测器的输入端光连接，所述光电探测器的输出端与所述频谱仪的输入端电连接。

可选地，所述光纤耦合器为90:10光纤耦合器，所述光纤耦合器的第一输出端口为10％输出端口，所述光纤耦合器的第二输出端口为90％输出端口。

为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种折射率传感测量方法，包括以下步骤：将腐蚀布拉格光纤光栅fp干涉仪放置到待测溶液中；打开半导体光放大器的开关，以便所述半导体光放大器发送的光信号输入到光纤环形器和匹配布拉格光纤光栅，并通过所述匹配布拉格光纤光栅对腐蚀布拉格光纤光栅fp干涉仪的窄带透射峰波长进行反射，以将反射的所述窄带透射峰波长传输至光纤耦合器以形成激光；通过光电探测器对所述激光进行拍频，以产生微波信号频率，并通过频谱仪对所述微波信号频率进行测量；根据所述微波信号频率和预先绘制的关系曲线获取所述待测溶液的折射率。

根据本发明实施例的折射率传感测量方法，首先将腐蚀布拉格光纤光栅fp干涉仪放置到待测溶液中；然后打开半导体光放大器的开关，以便半导体光放大器发送的光信号输入到光纤环形器和匹配布拉格光纤光栅，并通过匹配布拉格光纤光栅对腐蚀布拉格光纤光栅fp干涉仪的窄带透射峰波长进行反射，以将反射的窄带透射峰波长传输至光纤耦合器以形成激光；接着通过光电探测器对激光进行拍频，以产生微波信号频率，并通过频谱仪对微波信号频率进行测量；最后根据微波信号频率和预先绘制的关系曲线获取待测溶液的折射率；由此，通过采用折射率传感测量装置进行折射率测量，从而大大提高了传感的灵敏度和分辨率。

另外，根据本发明上述实施例提出的折射率传感测量方法还可以具有如下附加的技术特征：

可选地，在将腐蚀布拉格光纤光栅fp干涉仪放置到待测溶液之前还包括以下步骤：将腐蚀的布拉格光纤光栅fp干涉仪放置到预先配置好的折射率已知的溶液中；打开半导体光放大器的开关，以便所述半导体光放大器发送的光信号输入到光纤环形器和匹配布拉格光纤光栅，并通过所述匹配布拉格光纤光栅对腐蚀布拉格光纤光栅fp干涉仪的窄带透射峰波长进行反射，以将反射的所述窄带透射峰波长传输至光纤耦合器以形成激光；通过光电探测器对所述激光进行拍频，以产生微波信号频率，并通过频谱仪对所述微波信号频率进行测量；根据所述微波信号频率和已知的溶液折射率绘制关系曲线。

可选地，所述窄带透射峰波长包括第一窄带透射峰波长和第二窄带透射峰波长，所述第一窄带透射峰波长和所述第二窄带透射峰波长均位于所述匹配布拉格光纤光栅的反射带中。

可选地，所述光纤耦合器为90:10光纤耦合器，所述光纤耦合器的第一输出端口为10％输出端口，所述光纤耦合器的第二输出端口为90％输出端口。

附图说明

图1为根据本发明一个实施例的折射率传感测量装置的结构示意图；

图2为根据本发明实施例的折射率传感测量方法的流程示意图；

图3为根据本发明一个实施例的关系曲线绘制方法的流程示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

图1为根据本发明一个实施例的折射率传感测量装置的结构示意图,如图1所示，该射率传感测量装置包括：腐蚀布拉格光纤光栅fp干涉仪5、匹配布拉格光纤光栅4、光放大器2、光纤环形器3、光纤耦合器1、光电探测器6和频谱仪7。

其中，光放大器2发送的光信号输入到光纤环形器3和匹配布拉格光纤光栅4，并通过匹配布拉格光纤光栅4对腐蚀布拉格光纤光栅fp干涉仪5的窄带透射峰波长进行反射，以将反射的窄带透射峰波长传输至光纤耦合器1以形成激光，并通过光纤耦合器1的第一输出端将激光输出。

需要说明的是，腐蚀布拉格光纤光栅fp干涉仪由两个相同的高反射布拉格光纤光栅构成，通过对布拉格光纤光栅对构成的fp干涉仪两个布拉格光纤光栅之间的部分进行包层腐蚀得到；具有两个窄带透射峰，且匹配布拉格光纤光栅的反射峰波长与腐蚀布拉格光纤光栅fp干涉仪的两个窄带透射峰波长对准。

也就是说，腐蚀布拉格光纤光栅fp干涉仪具有两个窄带透射峰，该窄带透射峰波长包括第一窄带透射峰波长和第二窄带透射峰波长，所述第一窄带透射峰波长和所述第二窄带透射峰波长均位于所述匹配布拉格光纤光栅的反射带中，由此，将腐蚀布拉格光纤光栅fp干涉仪作为双波长光纤激光器的波长选择器件，同时作为折射率传感器件，当外界折射率发生改变时，腐蚀布拉格光纤光栅fp干涉仪的两个光栅之间的光程差发生改变，进而改变布拉格光纤光栅fp干涉仪窄带透射峰的波长间隔，从而导致双波长光纤激光器的波长间隔发生改变。

其中，光电探测器6对激光进行拍频，以产生微波信号频率，并通过频谱仪7对微波信号频率进行测量，以便根据微波信号频率和预先绘制的关系曲线获取待测溶液的折射率。

需要说明的是，通过拍频产生的微波信号频率进行折射率测量，将折射率变化引起的微小的波长间隔的变化转换为微波信号频率的变化，从而大大提高传感的灵敏度和分辨率等性能。

也就是说，将折射率传感测量装置的传感头(腐蚀布拉格光纤光栅fp干涉仪)放置到待测溶液中，通过折射率传感测量装置的频谱仪7对微波信号频率进行测量，并根据测量到的微波信号频率在关系曲线上寻找与该微波信号频率对应的折射率，该折射率即为该待测溶液的折射率。

作为一个实施例，如图1所示，光放大器2为半导体光放大器，半导体光放大器的输入端与光纤耦合器1的第二输出端相连接，半导体光放大器的输出端与光纤环形器3的输入端相连接，光纤环形器3的反射端与匹配布拉格光纤光栅4相连接，光纤环形器3的输出端与腐蚀布拉格光纤光栅fp干涉仪5的一端相连接，腐蚀布拉格光纤光栅fp干涉仪5的另一端与光纤耦合器1的输入端相连接，光纤耦合器1的第一输出端与光电探测器6的输入端光连接，光电探测器6的输出端与频谱仪7的输入端电连接。

综上所述，根据本发明实施例提供的折射率传感测量装置，包括腐蚀布拉格光纤光栅fp干涉仪、匹配布拉格光纤光栅、光放大器、光纤环形器、光纤耦合器、光电探测器和频谱仪，光放大器发送的光信号输入到光纤环形器和匹配布拉格光纤光栅，并通过匹配布拉格光纤光栅对腐蚀布拉格光纤光栅fp干涉仪的窄带透射峰波长进行反射，以将反射的窄带透射峰波长传输至光纤耦合器以形成激光，并通过光纤耦合器的第一输出端将激光输出，光电探测器对激光进行拍频，以产生微波信号频率，并通过频谱仪对所述微波信号频率进行测量，以便根据微波信号频率和预先绘制的关系曲线获取待测溶液的折射率；由此，通过腐蚀布拉格光纤光栅fp干涉仪具有两个窄带透射峰的光谱特点，将其作为双波长光纤激光器的波长选择器件，同时作为折射率传感器件；当外界折射率发生改变时，腐蚀布拉格光纤光栅fp干涉仪的两个光栅之间的光程差发生改变，导致透射峰波长间隔发生改变，因此双波长光纤激光器的波长间隔就会发生改变；再采用光电探测器对输出激光进行拍频，通过测量拍频产生的微波信号频率的变化即可获得待测液体的折射率，从而使得折射率传感测量装置的信噪比和分辨率不受带宽限制，大大提高了传感的灵敏度和分辨率。

为了实现上述实施例，如图2所示，本发明实施例还提出一种折射率传感测量方法，包括以下步骤：

步骤101，将腐蚀布拉格光纤光栅fp干涉仪放置到待测溶液中。

步骤102，打开半导体光放大器的开关，以便半导体光放大器发送的光信号输入到光纤环形器和匹配布拉格光纤光栅，并通过匹配布拉格光纤光栅对腐蚀布拉格光纤光栅fp干涉仪的窄带透射峰波长进行反射，以将反射的窄带透射峰波长传输至光纤耦合器以形成激光。

步骤103，通过光电探测器对激光进行拍频，以产生微波信号频率，并通过频谱仪对微波信号频率进行测量。

步骤104，根据微波信号频率和预先绘制的关系曲线获取待测溶液的折射率。

作为一个实施例，如图2所示，关系曲线绘制方法包括以下步骤：

步骤201，将腐蚀的布拉格光纤光栅fp干涉仪放置到预先配置好的折射率已知的溶液中。

步骤202，打开半导体光放大器的开关，以便半导体光放大器发送的光信号输入到光纤环形器和匹配布拉格光纤光栅，并通过匹配布拉格光纤光栅对腐蚀布拉格光纤光栅fp干涉仪的窄带透射峰波长进行反射，以将反射的所述窄带透射峰波长传输至光纤耦合器以形成激光。

步骤203，通过光电探测器对所述激光进行拍频，以产生微波信号频率，并通过频谱仪对微波信号频率进行测量。

步骤204，根据微波信号频率和已知的溶液折射率绘制关系曲线。

需要说明的是，通过频谱仪7测得微波信号频率ν与折射率之间的对应关系：ν＝f(n)，并绘制关系曲线。

也就是说，通过折射率传感测量装置和多种预先配置好的折射率已知的溶液可以得到多种预先配置好的折射率已知的溶液与其对应的微波信号频率，从而得到预先绘制好的关系曲线图，在对需要测量折射率的待测溶液进行测量时，可以通过测量该待测溶液的微波信号频率后，再通过关系曲线图查找到该微波信号频率对应的折射率，即可得到该待测溶液的折射率。

作为一个实施例，窄带透射峰波长包括第一窄带透射峰波长和第二窄带透射峰波长，第一窄带透射峰波长和第二窄带透射峰波长均位于匹配布拉格光纤光栅的反射带中。

作为一个实施例，光纤耦合器为90:10光纤耦合器，光纤耦合器的第一输出端口为10％输出端口，光纤耦合器的第二输出端口为90％输出端口。

需要说明的是，本实施例的折射率传感测量方法所采用的装置为前述的折射率传感测量装置，所以前述对于折射率传感测量装置的实施例的解释说明同样适用于本实施例的折射率传感测量方法，此处不再赘述。

综上所述，根据本发明实施例的折射率传感测量方法，首先将腐蚀布拉格光纤光栅fp干涉仪放置到待测溶液中；然后打开半导体光放大器的开关，以便半导体光放大器发送的光信号输入到光纤环形器和匹配布拉格光纤光栅，并通过匹配布拉格光纤光栅对腐蚀布拉格光纤光栅fp干涉仪的窄带透射峰波长进行反射，以将反射的窄带透射峰波长传输至光纤耦合器以形成激光；接着通过光电探测器对激光进行拍频，以产生微波信号频率，并通过频谱仪对微波信号频率进行测量；最后根据微波信号频率和预先绘制的关系曲线获取待测溶液的折射率；由此，通过采用折射率传感测量装置进行折射率测量，从而大大提高了传感的灵敏度和分辨率。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不应理解为必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。