(19)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 202210552669.6 (22)申请日 2022.05.19 (71)申请人 华南师范大学 地址 510000 广东省广州市中山大道西5 5 号 (72)发明人 张新　黄旭光　梁伟鸿　潘冬梅　 涂奇奇　刘震　岳兵　赵可　 (74)专利代理 机构 广州容大知识产权代理事务 所(普通合伙) 44326 专利代理师 刘新年 (51)Int.Cl. G01D 5/353(2006.01) G01D 21/02(2006.01) (54)发明名称 一种基于反射式模间干涉的高灵敏镍离子 光纤传感器 (57)摘要 本发明公开了一种基于反射式模间干涉的 高灵敏镍离子光纤传感器， 包括宽带光源、 光纤 布拉格光栅、 光环形器、 传感元件和光谱仪； 宽带 光源输出光信号， 经过光纤布拉格光栅， 然后从 光环形器第一端口进入光环形器， 从光环形器第 二端口输 出到传感元件； 然后光信号经过传感元 件获得镍离子浓度信息， 再经过反射， 从光环形 器第二端口再次进入光环形器； 光信号从光环形 器第三端口输出， 再进入光谱仪被光谱仪接收， 通过分析光谱的变化从而测量镍离子溶液的浓 度。 本发明检测镍离子既不会造成二次污染， 也 可以提高光纤检测镍离子的灵敏度； 具有高灵敏 度的镍离子传感特性和低检测限度的特性； 能够 在不同镍离子浓度下的水环境中长期保持稳定 并且能够长期使用。 权利要求书3页 说明书8页 附图4页 CN 115096343 A 2022.09.23 CN 115096343 A 1.一种基于反射式模 间干涉的高灵敏镍离子光纤传感器， 其特征在于， 包括宽带光源、 光纤布拉格光 栅、 光环形器、 传感元件和光谱仪； 宽带光源输出光信号， 经过光纤布拉格光栅， 然后从光环形器第一端口进入光环形器， 从光环形器第二端口输出到传感元件； 然后光信号经过传感元件获得镍离子浓度信息， 再 经过反射， 从光环形器第二端口再次进入光环形器； 最后， 光信号从光环形器第三端口输 出， 再进入光谱仪被光谱仪 接收， 通过分析光谱的变化从而测量镍 离子溶液的浓度。 2.根据权利要求1所述的基于反射式模间干涉的高灵敏镍离子光纤传感器， 其特征在 于， 所述光纤布拉格光栅能够监测环 境的温度， 将温度的信息同样传输到光谱仪， 通过分析 光纤布拉格光 栅光谱的透射峰从而得到溶 液环境的温度。 3.根据权利要求1所述的基于反射式模间干涉的高灵敏镍离子光纤传感器， 其特征在 于， 所述传感元件由多模光纤与单模光纤熔接而形成， 腐蚀多模光纤表面， 去掉部分包层， 然后在多模光纤涂敷对镍 离子敏感的传感膜。 4.根据权利要求3所述的基于反射式模间干涉的高灵敏镍离子光纤传感器， 其特征在 于， 对镍离子敏感的传感膜由壳聚糖和聚丙烯酸通过层层镀膜法形成， 这两种高分子材料 的羟基和氨基能够有效吸 收镍离子。 5.根据权利要求4所述的基于反射式模间干涉的高灵敏镍离子光纤传感器， 其特征在 于， 对镍离子敏感的传感膜由2％的壳聚糖和4％的聚丙烯酸 通过层层镀膜法形成。 6.根据权利要求1所述的基于反射式模间干涉的高灵敏镍离子光纤传感器， 其特征在 于， 传感元件中， 光信号传播至单模光纤和多模光纤端面， 由于单模光纤和多模光纤模式不 匹配， 激发出高阶模； 光信号在多模光纤端面形成反射， 重新传播回到单模光纤与多模光纤 端面， 部分的高阶模和基模传输到单模光纤， 由于两种模式同源， 其初相位、 电场振动方向 和频率都相同， 产生模间干涉； 光信号被激发产生高阶模， 由于消逝波的作用， 对镍离子敏 感的传感膜的折射率的变化将会引起光信号光程和相位的变化； 传感膜结合了镍离子， 折 射率发生变化， 光谱仪所接收到的光信号 也会随之变化。 7.根据权利要求1所述的基于反射式模间干涉的高灵敏镍离子光纤传感器， 其特征在 于， 传感元件中， 光信号由单模光纤传输到多模光纤时， 由于模式不匹配， 激发出多个模式 的光场， 第m阶模式光场的表达式为： 其中， A为振幅， i为虚数， βm为第m的尝试， z为光场传播距离； 当多模光纤的光场经过反 射回到单模光纤， 以一定的耦合系数耦合回单模光纤 并发生模间干涉， 则光场表达式为： 其中， a为耦合进入单模光纤的光场耦合系数， N表示无穷多， R为多模光纤端面的反射 率； 其表达式为： 其中， neff和n分别为多模光纤的有效折 射率和溶液介质的折 射率；权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115096343 A 2第m个和第m ‑1个模式发生干涉， 其相位差为： 其中， 和 分别为第m个和第m ‑1个模式的有效折 射率， λ是光信号的波长， L是多模 光纤的几何长度； 当 时， 发生干涉相消， 第k级干涉相消时， 其波长的表达式为： 其中， C为待测镍 离子溶液的浓度， T为任意温度， 得第k级的干涉相消峰漂移量 为： △λk＝ λk(C,T)‑λk(0,T0)       (6) 其中， λk(0,T0)为第k级干涉峰在 纯净水且温度 为T0下的波长值； 由于热光效应， 涂敷的 传感膜和光纤受到温度一定的影响， 第m个和第m ‑1个模式的有效折 射率分别为： 其中， 和 分别为C＝0， T＝T0时第m个和第m ‑1个模式的有效折射率； kc2和kc1分别 为第m个和第m ‑1个模式传感薄膜的浓度系数， kT1、 kT2和k'T2分别为对应模式对于光纤 的一阶和二阶热光系数。 8.根据权利要求7所述的基于反射式模间干涉的高灵敏镍离子光纤传感器， 其特征在 于， 将式子7和式子8带入式子 5得到： 式子10和式子11分别表明传感器的干涉光谱波长与温度和溶液镍离子浓度的单一关 系； 式子12表明了传感器干涉光谱波长与温度和溶液镍离子浓度的关系， 并且展开成二阶 泰勒级数的形式； 将式子12和式子9带入式子 6得到： 从式子13能够看出， 光谱干涉相消峰漂移量与镍 离子溶液浓度和温度相关。 9.根据权利要求1所述的基于反射式模间干涉的高灵敏镍离子光纤传感器， 其特征在 于， 传感器通过级联光纤布拉格光栅对温度进行监测， 能够补偿温度对传感器的影响， 光纤权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115096343 A 3