基于法-珀干涉的透明流体折射率的测量方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010750649.0 (22)申请日 2020.07.30 (71)申请人 重庆理工大学 地址 400054 重庆市巴南区李家沱红光大 道69号 (72)发明人 冯文林廖杰杨晓占 (74)专利代理机构 重庆博凯知识产权代理有限 公司 50212 代理人 陆瑞 (51)Int.Cl. G01N 21/41(2006.01) G01N 21/45(2006.01) (54)发明名称 基于法-珀干涉的透明流体折射率的测量方 法 (57)摘要 本发明公开了一种基于法-珀干涉的透明。

2、流 体折射率的测量方法， 获取多个双光束法-珀干 涉结构传感器， 分别接入宽谱光源和光谱仪， 获 取其测量光谱图； 将传感器的法-珀腔中填充满 待测介质， 获取各传感器的检测光功率谱， 并由 入射光功率谱进行归一化处理； 选取上述传感器 在相同波段范围内的归一化图谱， 以及波谷的波 长值， 设置各传感器大于波谷数量的正整数系 数， 分别描绘各传感器在不同系数取值下得到的 折射率计算值随波谷变化散点图， 获取这些传感 器散点曲线重合度最高时的系数值， 根据散点所 描绘的曲线即为待检测介质折射率在选取波段 范围内的折射率曲线。 本发明中操作简单方便， 精确度高， 能检测待测介质在多个波长下的折射 。

3、率等优点。 权利要求书1页 说明书5页 附图3页 CN 111693491 A 2020.09.22 CN 111693491 A 1.一种基于法-珀干涉的透明流体折射率的测量方法， 其特征在于： 包括以下步骤： 获取至少两个开放式的双光束法-珀干涉结构传感器， 所有传感器的F-P腔的几何腔长 值已知且互不相同， 以传感器n和Ln分别表示第n个传感器以及该传感器F-P腔的几何腔长 值； 分别接入宽谱光源和光谱仪， 入射光以垂直于传感器法-珀腔界面的方向入射， 以能够 获取其测量光谱图； （b） 将步骤 （a） 中的n个传感器的法-珀腔中填充满待测介质， 获取各传感器的检测光功 率谱Ir( )，。

4、 表示光波长， 由入射光的功率谱Ii( )对检测光功率谱进行归一化处理， 获得各 传感器的归一化图谱R( )=Ir( )/Ii( )； （c） 选取上述n个传感器在相同波段范围内的归一化图谱， 分别获取各传感器归一化图 谱中波谷的波长值， 各自将归一化图谱中波谷的波长值按照从小到大进行排列， 并以 nm表 示第n个传感器在该选取波段范围内第m个波谷的波长值； （d） 设置大于第n个传感器波谷数量的正整数Kn为第n个传感器的系数， 分别描绘散点 ( 1m, (K1-m) 1m/2L1)在不同K1取值下、 散点( 2m, (K2-m) 2m/2L2)在不同K2取值下、 、 散点( nm, (Kn-。

5、m) nm/2Ln)在不同Kn取值下构成的曲线， 获取散点( 1m, (K1-m) 1m/2L1) 曲线、 散点( 2m, (K2-m) 2m/2L2)曲线、 、 散点( nm, (Kn-m) nm/2Ln)曲线重合度最高时 K1、 K2、 、 Kn的取值， 分别设置为H1、 H2、 、 Hn； (H1-m) 1m/2L1即为待检测介质在 1m波长下的折射率， (H2-m) 2m/2L2即为待检测介质 在 2m波长下的折射率， ， (Hn-m)nm/2Ln即为待检测介质在 nm波长下的折射率； 根据散 点( nm, Knnm/2Ln)所描绘的曲线即为待检测介质折射率在步骤(c)中选取波段范围内。

6、的 折射率曲线。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111693491 A 2 基于法-珀干涉的透明流体折射率的测量方法 技术领域 0001 本发明涉及一种折射率的测量方法， 具体涉及一种基于法-珀干涉的透明流体折 射率的测量方法。 背景技术 0002 折射率是表征分析物质的一个关键参数， 精确测量物质的折射率在工业生产、 医 疗诊断、 材料分析、 以及光器件制造等方面都有着十分重要的意义。 物质的折射率在不同光 波长是不同的， 但是现在最为普遍应用的阿贝折射仪能适用于介质在589.3nm波长的折射 率测量， 若希望由阿贝折射仪实现介质在其他波长下的折射率测量， 则需要有特定波长的 单色光源或。

7、滤波器件以及观察方法， 且测量与计算较为复杂。 近年来， 各种光纤类折射率传 感器得到了研究人员的广泛关注， 但是用于介质在不同波长折射率测量的研究较少。 发明内容 0003 针对上述现有技术的不足， 本发明所要解决的技术问题是： 如何提供一种操作简 单方便， 精确度高， 能测量透明流体在检测波长范围内的折射率的测量方法。 0004 为了解决上述技术问题， 本发明采用了如下的技术方案： 0005 一种基于法-珀干涉的透明流体折射率测量方法， 包括以下步骤： 0006 (a)获取至少两个开放式的双光束法-珀干涉结构传感器， 所有传感器的F-P腔的 几何腔长值已知且互不相同， 以传感器n和Ln分别。

8、表示第n个传感器以及该传感器F-P腔的 几何腔长值； 分别接入宽谱光源和光谱仪， 入射光以垂直于传感器法-珀腔界面的方向入 射， 以能够获取其测量光谱图； 0007 (b)将步骤(a)中的n个传感器的法-珀腔中填充满待测介质， 获取各传感器的检测 光功率谱Ir( )， 表示光波长， 由入射光的功率谱I( )对检测光功率谱进行归一化处理， 获 得各传感器的归一化图谱R( )Ir( )/I( )； 0008 (c)选取上述n个传感器在相同波段范围内的归一化图谱， 分别获取各传感器归一 化图谱中波谷的波长值， 各自将归一化图谱中波谷的波长值按照从小到大进行排列， 并以 nm表示第n个传感器在该选取波。

9、段范围内第m个波谷的波长值； 0009 (d)设置大于第n个传感器波谷数量的正整数Kn为第n个传感器的系数， 分别描绘 散点( 1m,(K1-m)1m/2L1)在不同K1取值下、 散点( 2m,(K2-m)2m/2L2)在不同K2取值 下、 、 散点( nm,(Kn-m) nm/2Ln)在不同Kn取值下构成的曲线， 获取散点( 1m,(K1-m) 1m/ 2L1)曲线、 散点( 2m,(K2-m) 2m/2L2)曲线、 、 散点( nm,(Kn-m) nm/2Ln)曲线重合度最高 时K1、 K2、 、 Kn的取值， 分别设置为H1、 H2、 、 Hn； 0010 (H1-m)1m/2L1即为待。

10、检测介质在 1m波长下的折射率， (H2-m)2m/2L2即为待检 测介质在 2m波长下的折射率， ， (Hn-m) nm/2Ln即为待检测介质在 nm波长下的折射率； 根据散点( nm,Knnm/2Ln)所描绘的曲线即为待检测介质折射率在步骤(c)中选取波段范 围内的折射率曲线。 说明书 1/5 页 3 CN 111693491 A 3 0011 光束以近乎垂直于法-珀腔界面的方向入射， 并在开放式的双光束法-珀干涉结构 传感器的两个法-珀界面先后发生反射， 忽略高阶反射光束的影响， 可将检测光谱视为双光 束干涉的结果。 获取两个开放式的双光束法-珀干涉结构传感器， 记录为FP1和FP2， 。

11、FP1和FP2 的法-珀腔内填充满同一待检测介质后的反射光功率谱R1( )和R2( )， 并分别由FP1与FP2 的入射光功率谱I1( )， I2( )分别进行归一化处理后应满足如下公式。 0012 R1( )R1( )/I1( )A1+B1cos(4 n( )L1/ + ) (1) 0013 R2( )R2( )/I2( )A2+B2cos(4 n( )L2/ + ) (2) 0014 在(1)式中， R1( )为FP1的归一化反射光谱， R2( )为FP2的归一化反射光谱， 为光 波长， n( )为待测介质折射率随波长变化的函数； L1、 L2分别是FP1和FP2的几何长度； A1、 A2。

12、； B1、 B2可视分别视为与法-珀腔结构、 腔内待测介质等因素有关的常数。 故FP1的归一化光谱 中的波谷 k以及波谷对应的级次k应满足(3)式， k为正整数； FP2的归一化光谱中的波谷 p以 及波谷对应的级次p应满足(4)式， p为正整数； 0015 4 n( k)L1/ k2 k (3) 0016 4 n( p)L2/ p2 p (4) 故待测介质的折射率n( )应同时满足下式： 0017 n( k)k k/2L1 (5) 0018 n( p)p p/2L2 (6) 0019 因为FP1和FP2的法-珀腔内填充的是同一介质， n( )相同， 故若以波长为横坐标， 散 点k k/2L1、。

13、 (k-1) k-1/2L1、 和散点p p/2L2、 (p-1) p-1/2L2、 描绘的曲线应是相同的， 可以 由此同时确定在监测光谱范围内介质在不同波长下的折射率n( k)以及n( p)。 0020 综上所述， 本发明的有益效果在于： 本发明中操作简单方便， 精确度高， 以及能够 测量透明流体在检测波长范围内的折射率。 附图说明 0021 为了使发明的目的、 技术方案和优点更加清楚， 下面将结合附图对本发明作进一 步的详细描述， 其中： 0022 图1为传感器1和传感器2在15301600nm波段范围内对去离水测量的归一化图 谱； 0023 图2为去离水测量中散点( 1m， (K1-m)。

14、 1m/2L1)在不同K1取值下的图像， 以及散点 ( 2m， (K2-m) 2m/2L2)不同K2取值下的图像； 0024 图3为传感器1和传感器2在15301600nm波段范围内对15蔗糖溶液测量的归一 化图谱； 0025 图4为15蔗糖溶液测量中散点( 1m， (K1-m) 1m/2L1)在不同K1取值下的图像， 以 及散点( 2m， (K2-m) 2m/2L2)不同K2取值下的图像； 0026 图5为传感器1和传感器2在15301600nm波段范围内对15氯化钠溶液测量的归 一化图谱； 0027 图6为15氯化钠测量中散点( 1m， (K1-m) 1m/2L1)在不同K1取值下的图像，。

15、 以及 散点( 2m， (K2-m) 2m/2L2)不同K2取值下的图像。 说明书 2/5 页 4 CN 111693491 A 4 具体实施方式 0028 下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。 0029 实施例1 0030 本具体实施方式中的基于法-珀干涉的透明流体折射率的测量方法， 包括以下步 骤： 0031 (a)获取两个开放式的双光束法-珀干涉结构传感器， 设置为传感器1和传感器2， 传感器1的几何腔长值L1为86482.25nm， 传感器2的几何腔长值L2为75699.49nm， 传感器1和 传感器2分别接入宽谱光源和光谱仪以能够获取其检测光谱， 入射光以垂直于传感器法-珀 腔界。

16、面的方向入射； 0032 开放式的双光束法-珀干涉结构传感器可以采用如下方法进行制作： 一段长2cm， 内径150 m外径500 m的石英毛细管， 它的中间部分经抛磨处理制作出U型缺口， 将去除涂覆 层直径为125 m的无芯光纤插入毛细管一端， 在毛细管端口上涂上光学胶， 并填充进光纤和 毛细管之间的部分缝隙， 调整无芯光纤端面位于U型缺口后， 使用紫外光对光学胶进行固 化， 随后将端面平整、 包层裸露大约10mm的标准单模光纤尾纤插入毛细管中， 同样在毛细管 端口和缝隙涂覆光学胶， 调整U型缺口内单模光纤和无芯光纤两平整端面的距离， 构成开放 式F-P腔， 由光谱仪、 光纤环形器对单模光纤的。

17、反射光谱进行检测， 在获得满意的F-P空腔光 谱后使用紫外光对光学胶进行固化处理； 0033 (a)将步骤(a)中的传感器1和传感器2的法-珀腔中填充满去离子水， 利用入射光 功率谱I( )对两传感器的检测光功率谱Ir( )进行归一化处理， 获得其各自的归一化图谱Ir ( )/I( )； 0034 (c)选取传感器1和传感器2在15301600nm波段范围内的归一化图谱， 如图1所 示， 分别获取传感器1和传感器2归一化图谱中波谷的波长值， 其中， 11为1538.33nm， 12 为1548.53nm， 13为1558.86nm， 14为1569.319nm， 15为1579.925nm， 。

18、16为1590.678nm； 21为1533.154nm， 22为1544.75nm， 23为1556.494nm， 24为1568.431nm， 25为 1580.539nm，26为1592.837nm； 0035 (d)设置大于传感器1归一化光谱波谷数量的正整数K1为传感器1的系数， 设置大 于传感器2归一化光谱波谷数量的正整数K2为传感器2的系数， 分别描绘散点( 1m,(K1-m) 1m/2L1)在不同K1取值下构成的曲线， 以及散点( 2m,(K2-m) 2m/2L1)在不同K2取值下构成 的曲线， 获取传感器1和传感器2曲线重合度最高时的K1、 K2的取值， 分别设置为H1、 H2。

19、， 故H1 149， H2131； 0036 此时(H1-m)1m/2L1即为待检测介质在 1m波长下的折射率， (H2-m)2m/2L2即为 去离子水在 2m波长下的折射率， 如表1所示， 根据散点( 1m， (H1-m)1m/2L1)以及散点 ( 2m， (H2-m)2m/2L2)所描绘的曲线(如图2中虚线)即为去离子水折射率在15301600nm 波段范围内的折射率曲线。 说明书 3/5 页 5 CN 111693491 A 5 0037 0038 表1 0039 实施例2 0040 获取两个开放式的双光束法-珀干涉结构传感器， 设置为传感器1和传感器2， 传感 器1的几何腔长值L1为8。

20、6482.25nm， 传感器2的几何腔长值L2为75699.49nm， 传感器1和传感 器2分别接入宽谱光源和光谱仪以能够获取其监测光谱， 入射光以垂直于传感器法-珀腔界 面的方向入射； 0041 使用去离子水配置质量分数为15的蔗糖溶液， 将传感器1和传感器2的法-珀腔 中填充满该液体， 利用入射光功率谱I( )对两传感器的检测光功率谱Ir( )进行归一化处 理， 获得其各自的归一化图谱Ir( )/I( )； 0042 选取传感器1和传感器2在15301600nm波段范围内的归一化图谱， 如图3所示， 分 别获取传感器1和传感器2归一化图谱中波谷的波长值， 其中， 11为1534.667nm。

21、， 12为 1544.674nm， 13为1554.779nm， 14为1565.001nm， 15为1575.397nm， 16为1585.906nm； 17为1596.565nm， 21为1536.645nm， 22为1548.104nm， 23为1559.711nm， 24为 1571.499nm，25为1583.451nm，26为1595.613nm； 0043 设置大于传感器1归一化光谱波谷数量的正整数K1为传感器1的系数， 设置大于传 感器2归一化光谱波谷数量的正整数K2为传感器2的系数， 分别描绘散点( 1m,(K1-m)1m/ 2L1)在不同K1取值下构成的曲线， 以及散点( 。

22、2m,(K2-m) 2m/2L1)在不同K2取值下构成的曲 线， 获取传感器1和传感器2曲线重合度最高时的K1、 K2的取值， 分别设置为H1、 H2， 故H1152， H2133； 0044 此时(H1-m)1m/2L1即为15蔗糖溶液在 1m波长下的折射率， (H2-m)2m/2L2即 为待检测介质在 2m波长下的折射率， 如表2所示， 根据散点( 1m， (H1-m) 1m/2L1)以及散点 ( 2m， (H2-m)2m/2L2)所描绘的曲线(如图4中虚线)即为15蔗糖溶液折射率在1530 1600nm波段范围内的折射率曲线。 0045 0046 表2 0047 实施例3 0048 获取。

23、两个开放式的双光束法-珀干涉结构传感器， 设置为传感器1和传感器2， 传感 器1的几何腔长值L1为86482.25nm， 传感器2的几何腔长值L2为75699.49nm， 传感器1和传感 说明书 4/5 页 6 CN 111693491 A 6 器2分别接入宽谱光源和光谱仪以能够获取其监测光谱， 入射光以垂直于传感器法-珀腔界 面的方向入射； 0049 使用去离子水配置质量分数为15的氯化钠溶液， 将传感器1和传感器2的法-珀 腔中填充满该液体， 利用入射光功率谱I( )对两传感器的检测光功率谱Ir( )进行归一化 处理， 获得其各自的归一化图谱Ir( )/I( )； 0050 选取传感器1和。

24、传感器2在15301600nm波段范围内的归一化图谱， 如图5所示， 分 别获取传感器1和传感器2归一化图谱中波谷的波长值， 其中， 11为1538.036nm， 12为 1548.045nm， 13为1558.153nm， 14为1568.416nm， 15为1578.837nm， 16为1589.381nm， 21为1539.935nm， 22为1551.417nm， 23为1563.058nm， 24为1574.873nm， 25为 1586.870nm，26为1599.028nm； 0051 设置大于传感器1归一化光谱波谷数量的正整数K1为传感器1的系数， 设置大于传 感器2归一化光谱。

25、波谷数量的正整数K2为传感器2的系数， 分别描绘散点( 1m,(K1-m)1m/ 2L1)在不同K1取值下构成的曲线， 以及散点( 2m,(K2-m) 2m/2L1)在不同K2取值下构成的曲 线， 获取传感器1和传感器2曲线重合度最高时的K1、 K2的取值， 分别设置为H1、 H2， 分别设置 为H1、 H2， 故H1152， H2133； 0052 此时(H1-m)1m/2L1即为15氯化钠溶液在 1m波长下的折射率， (H2-m)2m/2L2 即为去离子水在 2m波长下的折射率， 如表3所示， 根据散点( 1m， (H1-m) 1m/2L1)以及散点 ( 2m， (H2-m)2m/2L2)。

26、所描绘的曲线(如图6中虚线)即为15氯化钠溶液折射率在1530 1600nm波段范围内的折射率曲线。 0053 0054 表3 0055 最后说明的是， 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制， 尽管通过参 照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述， 但本领域的普通技术人员应当理解， 可 以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变， 而不偏离所附权利要求书所限定的本发明 的精神和范围。 说明书 5/5 页 7 CN 111693491 A 7 图1 图2 图3 说明书附图 1/3 页 8 CN 111693491 A 8 图4 图5 说明书附图 2/3 页 9 CN 111693491 A 9 图6 说明书附图 3/3 页 10 CN 111693491 A 10 。