發(fā)布時間：2019-10-18 09:00

【摘要】：提出一種在線型光纖法布里-珀羅折射率傳感器。傳感器由空芯光子晶體光纖兩端熔接單模光纖而成。理論分析并實驗驗證了其折射率傳感特性。結(jié)果表明,干涉條紋對比度隨溶液折射率的增加而減小,與理論模擬一致。提出利用標(biāo)準(zhǔn)差解調(diào)方法對干涉譜進(jìn)行分析,標(biāo)準(zhǔn)差解調(diào)方法具有更好的線性度和準(zhǔn)確性,可靠性更高,便于編程實現(xiàn)自動化、快速的數(shù)據(jù)分析和溶液折射率的實時檢測。
【圖文】：

本文提出了一種基于空芯光子晶體光纖（ｈｏｌ－ｌｏｗ－ｃｏｒｅｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｆｉｂｅｒ，ＨＣＰＣＦ）的在線型光纖Ｆ－Ｐ干涉儀，理論分析并實驗驗證了其折射率傳感特性。同時提出基于標(biāo)準(zhǔn)差計算的解調(diào)方法，即通過計算干涉譜與其平滑線之間的光強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)偏差來實現(xiàn)對溶液折射率的解調(diào)。結(jié)果表明，新的解調(diào)方法有利于提高結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性，并且有利于實時檢測中數(shù)據(jù)的快速自動化處理。１原理１．１折射率檢測原理基于ＨＣＰＣＦ的在線型光纖Ｆ－Ｐ干涉儀結(jié)構(gòu)如圖１所示。利用ＨＣＰＣＦ形成光纖內(nèi)空氣腔，ＨＣＰＣＦ的一端與單模光纖（ｓｉｎｇｌｅｍｏｄｅｆｉｂｅｒ，ＳＭＦ）熔接，另一端與另一小段ＳＭＦ熔接。ＳＭＦ的纖芯折射率與ＨＣＰＣＦ不同，根據(jù)菲涅爾反射原理可知，此干涉儀結(jié)構(gòu)有三個反射面，分別為圖１中所標(biāo)記的Ｍ１、Ｍ２和Ｍ３。該結(jié)構(gòu)包含三個干涉腔：反射面Ｍ１和Ｍ２構(gòu)成長度為Ｌ１的干涉腔１，Ｍ２和Ｍ３構(gòu)成長度為Ｌ２的干涉腔２，Ｍ１和Ｍ３構(gòu)成長度為Ｌ１＋Ｌ２的干涉腔３。圖１基于ＨＣＰＣＦ的在線型光纖Ｆ－Ｐ傳感器結(jié)構(gòu)示意圖三個反射面的反射率Ｒ１、Ｒ２和Ｒ３分別表示為Ｒ１＝Ｒ２＝ｎＳＭＦ－ｎＨＣＰＣＦｎＳＭＦ＋ｎ［］ＨＣＰＣＦ２，Ｒ３＝ｎＳＭＦ－ｎＥＸｎＳＭＦ＋ｎ［］ＥＸ２（１）式中ｎＳＭＦ、ｎＨＣＰＣＦ和ｎＥＸ分別為ＳＭＦ、ＨＣＰＣＦ的纖芯折射率和外界待測溶液的折射率。ＨＣＰＣＦ

配制不同濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為０％－６０％，間隔５％）的蔗糖溶液，溶液的折射率用阿貝折射儀進(jìn)行校準(zhǔn)。將光纖Ｆ－Ｐ傳感器浸入溶液中，反射回來的干涉譜由解調(diào)儀（ＳＭ１２５，ＭｉｃｒｏｎＯｐｔｉｃ公司）進(jìn)行探測，信號數(shù)據(jù)由計算機(jī)記錄并分析。在換不同濃度的溶液測量之前，傳感器端面用蒸餾水清洗干凈并吹干。實驗在室溫下進(jìn)行，重復(fù)三次來驗證傳感器的重復(fù)性。３實驗結(jié)果與討論３．１折射率響應(yīng)特性實驗測得的傳感器在不同濃度（擇取０％、３０％和６０％）蔗糖溶液中的干涉譜如圖４所示。實驗結(jié)果與理論模擬一致，干涉條紋對比度隨著外界溶液折射率的增加而減校圖５所示為三次實驗獲得的干涉條紋最大對比度與溶液折射率的關(guān)系曲線。可以看出，在１．３３～１．４４ＲＩＵ（折射率單位）的范圍內(nèi)，隨著折射率的增加，最大對比度單調(diào)遞減。傳感器具有良好的線性響應(yīng)和重復(fù)性，線性擬合的相關(guān)系數(shù)約為９８．５％，，靈敏度為－１５０ｄＢ／ＲＩＵ。實驗使用的解調(diào)儀的光強(qiáng)分辨率為０．０１ｄＢ，因此傳感器的折射率分辨率約為６．６７×１０－５ＲＩＵ。圖４傳感器干涉譜實驗結(jié)果圖５干涉條紋最大對比度（Ｖｍａｘ）與溶液折射率的關(guān)系曲線圖６傳感器在不同濃度蔗糖溶液中的干涉譜及其平滑線３．２標(biāo)準(zhǔn)差解調(diào)結(jié)果實驗進(jìn)一步采用對平滑函數(shù)求標(biāo)準(zhǔn)差的解調(diào)方法來分析干涉譜。首先對采集到的干涉譜求平滑函數(shù)。本文采用的是Ｓａｖｉｔｚｋｙ－Ｇｏｌａｙ平滑算法［１６］，這是一種基于局域多項式最小二乘法擬合的平滑算法，被廣泛應(yīng)用到數(shù)據(jù)的平滑濾波和去噪中。不同濃度（０％、３０％和６０％）蔗糖溶液中的干涉譜的
【作者單位】： 山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院;
【基金】：國家自然科學(xué)基金(61174018,61505097) 山東大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費(2014YQ009)
【分類號】：TP212

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本文編號：2551008