[发明专利]采用光纤传感技术测定液体介质折射率的方法

说明书

技术领域

本发明属于液体介质折射率的测定技术，特别是一种采用光纤传感技术对液体介质的折射率进行测定的方法，该方法可广泛用于环境监测、医学诊断、石油化工等生化应用领域中对液体介质化学成分的含量(浓度)进行间接测量。

背景技术

折射率是反映物质内部信息的一个基本物理参量。通过测量折射率可以间接测量与折射率相关的物理量如物质的含量(浓度)等，所以折射率测量在环境监测和石油化工等生化领域中有着极其广泛的应用。因此，对折射率测量方法的研究具有重要的实际意义。

目前，折射率的测量方法有多种，最为成熟的技术是使用阿贝折射仪(见《用阿贝折射仪测量单色光折射率》“应用光学”1997年第18卷第6期，P44-46，作者：张宗裕，徐红梅)和光纤折射率测量仪(见《测量盐溶液密度的微型光纤折射仪的研究》“仪器仪表学报”1994年第15卷第4期、P446-448，作者：金援越，王启杰，陈钟欣)。阿贝折射率仪耐恶劣环境能力差、操作复杂、测量精度低、且无法实现远程实时监控；光纤折射率测量仪是将光纤包层和纤芯腐蚀掉一部分后作为探头埋入被测介质，被测介质折射率的变化将直接影响纤芯中传输光的功率大小，通过监测传输光功率实现对折射率的测量，该测量仪虽然操作简单、但对腐蚀工艺要求较高，腐蚀过程难以控制，故重复性较差，且腐蚀后的光纤极易折断。法布里-珀罗(F-P)传感器也可以测量折射率，它的原理是将待测介质注入F-P腔内，利用反射光谱的条纹漂移来实现介质折射率的测量(《温度不敏感的微型纤维直列法布里-珀罗干涉高度敏感的折射率测量》“Temperature-insensitive miniaturized fiber inline Fabry-Perot interferometer for highly sensitive refractive index measurement”，2008，16(8)：5764-5769，T.Wei，Y.Han，Y.Li，H.Tsai，and H.Xiao.Opt.Express)，这种方法测量的灵敏度虽较高，但介质的注入、吸出与清洗较困难，并且F-P腔的反射一般需要镀膜来提高对比度。

在《机械感生可调长周期光纤光栅》(“Tunable mechanically induced long-period fiber gratings”2000，25(10)：710-712，Opt.Lett)一文中，公开了一种利用单齿条板与平板施压的方法可以在光子晶体光纤(参见《基于高灵敏光子晶体光纤机械长周期光栅的折射率传感(Highly sensitive photonic crystal fiber-based refractive index sensing using mechanical long-period grating)》“IEEE Photon”2008，20(20)：1688-1670，Technol.Lett)或边孔单模光纤(参见《边孔单模光纤中机械诱导长周期光栅用于温度和折射率传感(Mechanically induced long-period fiber grating in side-hole single-mode fiber for temperature and refractive sensing)》“Opt.Commun”，2010，283：1303-1306)上产生周期性变化、形成周期为数百微米的光纤光栅。由于光子晶体光纤的包层中有众多小孔，而边孔单模光纤的包层中也存在与纤芯对称的小孔；因此、该方法在测量时只要将待测液体直接注入两光纤包层中的小孔中，在光栅提供的相位匹配条件下，光纤的纤芯基模与不同的包层模发生谐振耦合、在传输谱中出现多个耦合谐振峰；且在光纤纤芯中传输的光会有部分进入到光纤包层周围的液体介质中，因此在液体介质折射率发生改变时，光栅模式耦合的谐振波长也会随之变化；根据液体介质折射率变化与耦合谐振峰波长移动量的对应关系、确定其折射率的变化，进而实现传感测量的目的。将光子晶体光纤及边孔单模光纤通过压力方法制作的周期为数百微米的光纤光栅，虽然具有所产生的应力变化是暂时性的(即属弹性形变)，去掉压力后、其光栅效应立刻消失，而不会对光纤物理结构产生永久性改变，可重复使用等优点；但这两类特殊设计的光纤却存在制作困难、价格昂贵，以及在与光源和光谱仪等连接时需要光纤适配器、且操作过程复杂，应用范围受限等弊端。此外，由于普通单模光纤包层的材质均匀、无可供待测液体直接注入小孔，因而该方法不适用于普通单模光纤。

发明内容