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原文传递混合式蓝宝石晶体双法珀腔光纤折射率传感器及测量方法

专利名称：	混合式蓝宝石晶体双法珀腔光纤折射率传感器及测量方法
摘要：	本发明公开了一种混合式蓝宝石晶体双法珀腔光纤折射率传感器及测量方法，该传感器包括蓝宝石实心晶片(1)、蓝宝石C型环(2)、蓝宝石反射镜(3)、蓝宝石插芯(4)以及构成高温区和常温区光信号传输波导的蓝宝石‑石英光纤；所述蓝宝石实心晶片(1)、所述蓝宝石C型环(2)和所述蓝宝石反射镜(3)同轴并且沿中心轴对齐、贴紧设置，所述蓝宝石实心晶片(1)再与所述蓝宝石插芯(4)的水平截面对齐、贴紧固定；所述蓝宝石实心晶片(1)和所述蓝宝石C型环(2)构成混合双法珀干涉腔。与现有技术相比，本发明极大地提高了混合式法珀传感器高温耐受度，具有极高的温度折射率测量灵敏度，可实现极端环境下温度折射率双参量的准确测量。
专利类型：	发明专利
申请人：	天津大学
发明人：	刘铁根;王双;于迅;江俊峰;刘琨;严梅瑜;吴雯;张鹏
专利状态：	有效
申请日期：	1900-01-20T08:00:00+0805
发布日期：	1900-01-20T19:00:00+0805
申请号：	CN202010019319.4
公开号：	CN111175253A
代理机构：	天津市北洋有限责任专利代理事务所
代理人：	李素兰
分类号：	G01N21/45;G01K11/32;G;G01;G01N;G01K;G01N21;G01K11;G01N21/45;G01K11/32
申请人地址：	300072 天津市南开区卫津路92号
主权项：	1.一种混合式蓝宝石晶体双法珀腔光纤折射率测量传感器，其特征在于，该传感器包括蓝宝石实心晶片(1)、蓝宝石C型环(2)、蓝宝石反射镜(3)、蓝宝石插芯(4)以及构成高温区和常温区光信号传输波导的蓝宝石-石英光纤；其中：所述蓝宝石实心晶片(1)、所述蓝宝石C型环(2)和所述蓝宝石反射镜(3)同轴并且沿中心轴对齐、贴紧设置，所述蓝宝石实心晶片(1)再与所述蓝宝石插芯(4)的水平截面对齐、贴紧固定；所述蓝宝石实心晶片(1)和所述蓝宝石C型环(2)构成混合双法珀干涉腔，所述混合双法珀干涉腔包括蓝宝石实心腔(20)、蓝宝石C型环内腔(21)；所述蓝宝石-石英光纤由蓝宝石光纤(6)和所述石英光纤(7)通过端面间的异质光纤熔接点(8)熔接而形成，从所述蓝宝石光纤(6)一端插入所述蓝宝石插芯(4)的中孔，在蓝宝石光纤(6)与混合双法珀干涉腔之间传感信号最佳处使用高温陶瓷胶(5)固定。 2.利用如权利要求1所述的一种混合式蓝宝石晶体双法珀腔光纤折射率测量传感器的测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：由LED宽带光源(11)输出的宽谱光经光纤跳线(9)、多模光纤耦合器(10)、混合式双蓝宝石晶体法珀腔光纤传感器(13)，反射信号光依次经过混合式双蓝宝石晶体法珀腔光纤传感器(13)中的蓝宝石光纤(6)、异质光纤熔接点(8)、石英光纤(7)、光纤跳线(9)以及多模光纤耦合器(10)后，由光谱仪(12)接收；实现温度测量的情况之下，混合式双蓝宝石晶体法珀腔光纤传感器(13)放置在高温马弗炉(23)的管式腔内，通过调节马弗炉腔内温度为传感器施加一个温度变量；温度的变化引起蓝宝石实心晶片(1)光学折射率和材料膨胀收缩变化，从而引起蓝宝石实心法珀光程差的变化，通过对光谱仪(12)接收的干涉光谱信息进行计算，获得测量环境温度下的传感器光程差；由于传感器光程差与蓝宝石实心晶片折射率和晶片热膨胀长度具有固定关系表达式OPDs＝2ns(T)Ls(T)，通过反推以获得传感实时温度。实现折射率测量的情况之下，混合式双蓝宝石晶体法珀腔光纤传感器(13)放置在恒温水浴槽(24)中装有待测试液的试管内，通过调节恒温水浴槽温度使待测试液和传感器保持恒温，阿贝折射仪(25)用来测量试管内试液标准折射率；温度恒定，待测试液折射率的变化引起蓝宝石C型环内腔(21)内的光学折射率变化，从而引蓝宝石C型环内腔(21)的法珀光程差的变化，通过对光谱仪(12)接收的干涉光谱信息进行计算，获得测量环境折射率下的传感器光程差；当混合式双蓝宝石晶体法珀腔光纤传感器(13)工作时，将处于工作状态的混合式蓝宝石晶体双法珀腔光纤传感器(13)通过光纤跳线9与多模光纤耦合器(10)、LED光源(11)、光谱仪(12)相连接；LED光源(11)发出的光经过光纤跳线(9)、多模光纤耦合器(10)进入高温传感器(13)，通过异质光纤熔接点(8)从蓝宝石光纤(6)端面出射，发散后的光照射到蓝宝石实心晶片(1)第一反射面(14)上发生第一次反射，形成第一束反射光(15)；其余部分光透射到晶片第二反射表面(16)上发生第二次反射，形成携带光程差信息的第二束反射光(17)；透射光继续沿蓝宝石C型环(2)传播，在蓝宝石反射镜3反射面处发生第三次反射，形成第三束反射光(18)，在混合式法珀腔的三反射面产生的第一束反射光(15)、第二束反射光(17)、第三束反射光(18)被耦合到蓝宝石光纤(6)中输出，形成混合式法珀三光束干涉信号(19)，即第一束反射光(15)、第二束反射光(17)两束反射光之间的光程差随蓝宝石实心腔(20)腔长变化，导致干涉信号的变化；第二束反射光(17)、第三束反射光(18)两束反射光之间的光程差随蓝宝石C型环内腔(21)的腔长变化，导致干涉信号的变化；所述干涉信号(19)通过蓝宝石光纤(6)、石英光纤(7)、光纤跳线(9)、多模光纤耦合器(10)、再传回光谱仪(12)；从光谱仪采集到的干涉光谱信号表示为：其中，IB(k)表示干涉光谱信号中的直流背景量，I1、I2、I3表示光纤接收到的三束反射光，V1、V2、V3分别表示三个干涉信号的条纹可见度，分别表示由光信号在蓝宝石实心腔(20)中、蓝宝石C型环内腔(21)中传播导致的相位差，表达式如下：其中，k＝2π/λ表示波数，OPDs、OPDc分别表示由蓝宝石实心腔和蓝宝石C型环(2)产生的干涉光程差，ns、nc分别表示蓝宝石实心晶体的折射率和蓝宝石C型环内腔(21)中待测介质的折射率，Ls、Lc分别表示蓝宝石实心腔(20)的腔长和蓝宝石C型环内腔(21)的腔长，λ表示光源波长；当所处的环境温度发生变化时，蓝宝石实心晶片(1)的厚度Ls和材料折射率ns发生变化：蓝宝石实心晶片(1)的折射率随温度变化的公式表示为：1 ns(T)850nm＝a0+a1T+a2T2 其中，T为摄氏温度，ns(T)850nm为850nm下的蓝宝石晶片材料折射率；蓝宝石材料沿C轴的热膨胀函数表示为： Ls(T)＝[b0+b1T+b2T2+b3T3]×L0 其中，T表示开尔文温度，Ls(T)表示在温度T和初始长度L0条件下的蓝宝石实心腔(20)的腔长；由以上可知，光程差OPDs＝2ns(T)Ls(T)表示为温度T的五次多项式关系，通过光谱法解调干涉信号得到蓝宝石实心腔法珀光程差，进而反推回蓝宝石实心晶片(1)所处的温度，温度测量范围为室温至1080℃；当所处的环境温度保持不变，折射率发生变化时，蓝宝石C型环(2)的厚度不变，腔内的材料折射率发生变化，蓝宝石C型环(2)的光程差与待测折射率成正比关系OPDc＝2ncLc(T)，通过光谱法解调干涉信号得到蓝宝石C型环内腔(21)法珀光程差，进而反推回蓝宝石C型环(2)所处的外界环境折射率，测量折射率范围为1.333～1.3741。
所属类别：	发明专利