在线型光纤法布里-珀罗折射率传感器及光谱分析方法研究

发布时间：2019-10-18 09:00

【摘要】：提出一种在线型光纤法布里-珀罗折射率传感器。传感器由空芯光子晶体光纤两端熔接单模光纤而成。理论分析并实验验证了其折射率传感特性。结果表明,干涉条纹对比度随溶液折射率的增加而减小,与理论模拟一致。提出利用标准差解调方法对干涉谱进行分析,标准差解调方法具有更好的线性度和准确性,可靠性更高,便于编程实现自动化、快速的数据分析和溶液折射率的实时检测。
【图文】：

示意图,传感器结构,光纤,示意图

本文提出了一种基于空芯光子晶体光纤（ｈｏｌ－ｌｏｗ－ｃｏｒｅｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｆｉｂｅｒ，ＨＣＰＣＦ）的在线型光纤Ｆ－Ｐ干涉仪，理论分析并实验验证了其折射率传感特性。同时提出基于标准差计算的解调方法，即通过计算干涉谱与其平滑线之间的光强标准偏差来实现对溶液折射率的解调。结果表明，新的解调方法有利于提高结果的可靠性和准确性，并且有利于实时检测中数据的快速自动化处理。１原理１．１折射率检测原理基于ＨＣＰＣＦ的在线型光纤Ｆ－Ｐ干涉仪结构如图１所示。利用ＨＣＰＣＦ形成光纤内空气腔，ＨＣＰＣＦ的一端与单模光纤（ｓｉｎｇｌｅｍｏｄｅｆｉｂｅｒ，ＳＭＦ）熔接，另一端与另一小段ＳＭＦ熔接。ＳＭＦ的纤芯折射率与ＨＣＰＣＦ不同，根据菲涅尔反射原理可知，此干涉仪结构有三个反射面，分别为图１中所标记的Ｍ１、Ｍ２和Ｍ３。该结构包含三个干涉腔：反射面Ｍ１和Ｍ２构成长度为Ｌ１的干涉腔１，Ｍ２和Ｍ３构成长度为Ｌ２的干涉腔２，Ｍ１和Ｍ３构成长度为Ｌ１＋Ｌ２的干涉腔３。图１基于ＨＣＰＣＦ的在线型光纤Ｆ－Ｐ传感器结构示意图三个反射面的反射率Ｒ１、Ｒ２和Ｒ３分别表示为Ｒ１＝Ｒ２＝ｎＳＭＦ－ｎＨＣＰＣＦｎＳＭＦ＋ｎ［］ＨＣＰＣＦ２，Ｒ３＝ｎＳＭＦ－ｎＥＸｎＳＭＦ＋ｎ［］ＥＸ２（１）式中ｎＳＭＦ、ｎＨＣＰＣＦ和ｎＥＸ分别为ＳＭＦ、ＨＣＰＣＦ的纤芯折射率和外界待测溶液的折射率。ＨＣＰＣＦ

干涉谱,传感器,实验结果

配制不同浓度（质量分数为０％－６０％，间隔５％）的蔗糖溶液，溶液的折射率用阿贝折射仪进行校准。将光纤Ｆ－Ｐ传感器浸入溶液中，反射回来的干涉谱由解调仪（ＳＭ１２５，ＭｉｃｒｏｎＯｐｔｉｃ公司）进行探测，信号数据由计算机记录并分析。在换不同浓度的溶液测量之前，传感器端面用蒸馏水清洗干净并吹干。实验在室温下进行，重复三次来验证传感器的重复性。３实验结果与讨论３．１折射率响应特性实验测得的传感器在不同浓度（择取０％、３０％和６０％）蔗糖溶液中的干涉谱如图４所示。实验结果与理论模拟一致，干涉条纹对比度随着外界溶液折射率的增加而减校图５所示为三次实验获得的干涉条纹最大对比度与溶液折射率的关系曲线。可以看出，在１．３３～１．４４ＲＩＵ（折射率单位）的范围内，随着折射率的增加，最大对比度单调递减。传感器具有良好的线性响应和重复性，线性拟合的相关系数约为９８．５％，，灵敏度为－１５０ｄＢ／ＲＩＵ。实验使用的解调仪的光强分辨率为０．０１ｄＢ，因此传感器的折射率分辨率约为６．６７×１０－５ＲＩＵ。图４传感器干涉谱实验结果图５干涉条纹最大对比度（Ｖｍａｘ）与溶液折射率的关系曲线图６传感器在不同浓度蔗糖溶液中的干涉谱及其平滑线３．２标准差解调结果实验进一步采用对平滑函数求标准差的解调方法来分析干涉谱。首先对采集到的干涉谱求平滑函数。本文采用的是Ｓａｖｉｔｚｋｙ－Ｇｏｌａｙ平滑算法［１６］，这是一种基于局域多项式最小二乘法拟合的平滑算法，被广泛应用到数据的平滑滤波和去噪中。不同浓度（０％、３０％和６０％）蔗糖溶液中的干涉谱的
【作者单位】：山东大学控制科学与工程学院;
【基金】：国家自然科学基金(61174018,61505097) 山东大学基本科研业务费(2014YQ009)
【分类号】：TP212

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