一种宽测量范围的光纤折射率探针的研究

　　引　　言

　　在分析化学、化学过程控制、食品工业以及生物医学等领域都广泛地涉及到折射率的测量问题。目前广泛使用的Abbe折射率计,因其测量部分的棱镜体积较大,而不便于工业现场的在线实时连续测量[1]。

　　光纤传感器因其结构紧凑、抗电磁干扰等优点、便于工业现场的在线定点监测,正得到迅猛的发展[2]。但现有的全光纤型折射率计只在很窄的测量范围内敏感[3]。将光纤的包层去除,既可以用于倏逝波传感器,也可以用作折射率传感器。但作为折射率传感器,当媒质的折射率大于纤芯的折射率时,传感区使束缚光线衰减为零;而当媒质的折射率小于包层折射率时,传感区不使束缚光线产生衰减。因此这种折射率传感器的测量范围仅限于包层折射率和纤芯折射率之间[4]。由于液体和气体的折射率一般较小,因而这种型式的传感器应用受到了较大的限制。

　　该全光纤型光纤折射率计是通过将光纤的包层和一部分纤芯腐蚀构成传感区,在腐蚀区和未腐蚀区之间形成圆锥形的过渡区,利用圆锥形的过渡区对光的会聚与发散作用,使得束缚光线在腐蚀区的反射角减小。这样,当作用于传感区媒质的折射率小于光线包层的折射率时,传感区的光功率传输特性也随媒质的折射率而改变。通过设计圆锥过渡区的形状,可以使折射率的测量范围扩展到包层折射率以下,甚至可以扩展到空气的折射率1.0,从而使得折射率计可以用来测量气体的折射率,并且可以很方便地在空气中进行标定。为便于适用,在传感区的一端镀有全反射膜,形成探针结构。这种折射率探针的测量范围宽、灵敏度高、结构简单。若使用纤芯折射率高的光纤,可以获得很宽的折射率测量范围。

　　本文用光线理论分析了锥形过渡区的作用,导出了折射率测量范围扩展的原理并建立了传感器的理论模型,还导出了模型的理论误差。最后,根据传感器的理论模型导出传感器的分辨率。文中介绍了光纤传感区的制作方法,用丙三醇和水配成不同折射率的溶液对折射率探针的传感特性进行了测量。

　　1　测量原理

　　图1为光纤折射率探针的结构简图。光从芯径为D的光纤1经过无包层的锥形过渡区耦合到传感区。下面利用光线理论分析锥形过渡区的波导作用,在利用朗勃光源,且不考虑锥形过渡区的辐射作用的情况下,将得出耦合到传感区的光功率与被测媒质折射率nm的平方成线性关系的结论。另在考虑锥形过渡区的辐射作用的情况下,得到上述分析的理论误差。最后,根据传感器的理论模型导出传感器的分辨率。

　　考虑从光纤1入射到锥形过渡区的光线,θi表示光线在光纤1中与光纤轴线的夹角。在锥形过渡区中距离A为Z处,光线与光纤轴线的夹角变化为θz。根据光线理论有[6-7]