本发明涉及液体折射率测量，具体为基于光电振荡器解调的单模-无芯-单模光纤液体折射率检测方法。
背景技术：
1、折射率可以反映物质的本质属性，实现高速高精度的液体折射率测量对于科学研究、化工行业、工业应用等领域具有重要意义。光纤传感技术因具有灵敏度高、抗电磁干扰、体积小质量轻等优势而在液体折射率测量领域受到广泛关注。基于光纤传感的液体折射率传感器原理及结构多样，其中无芯光纤因其结构不具有纤芯的束缚，使得在无芯光纤内传输的光信号对外界折射率敏感，因此基于无芯光纤的光纤液体折射率测量方式是一种具有吸引力的检测方法。使用无芯光纤实现液体折射率的典型原理为：构建单模-无芯-单模结构，光信号通过单模光纤输入无芯光纤，然后从单模光纤输出至解调装置。无芯光纤周围液体折射率改变时，在其内传输的多个模式分布发生改变，使得输出干涉谱发生相应变化，通过追踪该变化可以恢复出无芯光纤周围的液体折射率。然而在传统的基于无芯光纤折射率测量方法中多使用光域解调方法，典型的使用光谱仪追踪该结构所产生的光谱变化实现对液体折射率的测量。光谱仪的解调速度较慢，且分辨率较低，不能够满足日益增长的高速高精度测量需求。
2、光电振荡器(oeo)发明的初衷是为了产生高质量微波信号，因其不可避免的使用了光纤等光器件，从而为光纤传感带来了可能。oeo可以将光域内光波长的变化，通过色散介质转化为微波域内微波信号频率的变化，借助于电信号检测装置的高速高精度优势，可以显著的提升光纤传感器的解调性能。基于oeo解调的光纤液体折射率传感方法也相继提出。2010年，lam duy nguyen等人在oeo腔内插入不同折射率液体实现折射率的测量,该方法直接利用oeo原理，不同液体折射率下光传输时间不同，从而改变了oeo环路延时，使得振荡信号发生改变从而实现折射率的测量。但是该方法传感单元为插入的溶液，难以与光纤器件集成，且该方法中oeo使用单环路结构，生成的微波信号稳定性较差；在2018年shiqingyun等人提出一种oeo解调的相移光纤光栅折射率检测方法,该方法利用相位-强度转换机制，将相移光栅周围折射率的变化转为oeo的振荡频率漂移，但是该方法得到的oeo振荡频率容易受到窄线宽激光器稳定性影响，测量误差较大。
3、综上所属，在液体折射率测量方面，开发一种基于光电振荡器解调的易于集成、高速高精度的测量方法是十分必要的。
技术实现思路
1、(一)解决的技术问题
2、针对现有技术的不足，本发明提供了基于光电振荡器解调的单模-无芯-单模光纤液体折射率检测方法，使用oeo解调单模-无芯-单模所产生的传感信号，实现对液体折射率的高速高精度检测。
3、(二)技术方案
4、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
5、基于光电振荡器解调的单模-无芯-单模光纤液体折射率检测方法，包括单模-无芯-单模光纤结构、传感模块、检测模块，所述单模-无芯-单模光纤结构包括单模光纤，无芯光纤及单模光纤组成，将无芯光纤熔接在单模光纤和单模光纤之间，其中无芯光纤作为折射率液体的感知部分，传感模块包括掺铒光纤放大器、单模-无芯-单模结构，光纤耦合器、偏振控制，所述检测模块为oeo环路，由调制器、光纤耦合器、色散模块、光纤衰减器、光纤耦合器、光电探测器、低噪声放大器、微波功率分束器以及信号检测器组成，检测包括以下步骤：
6、s1：环形激光器，掺铒光纤放大器输出的噪声信号作为光源，输入至单模-无芯-单模光纤结构，单模-无芯-单模光纤结构由于存在自成像效应，使得传输谱在特定波长处呈现窄带滤波器效果，使得处于该滤波器通带内的光信号通过并传输至光纤耦合器，光纤耦合器的一个输出端口输出光信号至检测模块，光纤耦合器的另一个输出端口连接至偏振控制器，偏振控制器的输出连接至掺铒光纤放大器形成闭合环路将光信号进行循环放大，从而构成环形激光器；
7、s2：生成微波信号，传感模块中的输出激光经过调制器之后被变为调制光，调制光输入光纤耦合器之后被分成两束光，一束通过色散模块，另一束输入光纤衰减器，两束光在经过光纤耦合器合束之后一起输入至光电探测器，光电探测器将光信号转化为微波信号，该微波信号经过低噪声放大器的放大之后，通过微波滤波器选取合适的微波信号，选取的微波信号被微波功率分束器分为两束，其中一束输入至调制器构成oeo闭合环路从而生成稳定的微波信号，另一束输入至信号检测器用于微波信号的检测；
8、s3：检测，待测液体覆盖在无芯光纤表面，由于单模光纤中的光输入至无芯光纤时，多个光波模式被激发且存在自映像效应，对于特定长度为l的无芯光纤来说，自映像波长λ可由公式(1)给出：
9、
10、其中：nncf为无芯光纤有效折射率，dncf为无芯光纤的直径，m为正数，代表了出现的第m个自映像。
11、作为本发明再进一步的方案，所述s1中传感模块用于液体折射率的感知，检测模块用于信号的检测。
12、进一步的，所述s3中当无芯光纤周围液体折射率改变时，无芯光纤nncf也将发生相应改变，使得自映像波长λ发生改变，既使得单模-无芯-单模结构产生的滤波器通带波长改变，进而使得传感模块的输出波长λ改变，传感模块的输出波长λ输入至oeo环路时，由oeo的原理可知，其产生的微波信号频率为：
13、
14、其中to、te分别为oeo环路中光路延时和电路延时，l23为oeo环路里色散模块中光纤长度，n23为折射率，n为正整数，代表了第n阶振荡频率。
15、在前述方案的基础上，所述s3中当传感模块的波长λ受到液体折射率扰动时，其波长变化为δλ＝knliquid，k为系数，可以依据实验数据获得，由于oeo环路中色散模块的影响，光信号的延时to发生改变，使得oeo振荡信号频率变为f'osc：
16、
17、因此，第n阶振荡信号频率的改变量δf为：
18、
19、从公式(4)可以看到，通过信号检测器追踪oeo振荡频率的变化，可以得到待测液体的折射率nliquid，同时选取高阶振荡频率，则灵敏度更高。
20、(三)有益效果
21、与现有技术相比，本发明提供了基于光电振荡器解调的单模-无芯-单模光纤液体折射率检测方法，具备以下有益效果：
22、1、本发明中，将光域内光波长的变化映射为微波域内微波信号频率的变化，由于微波信号检测器的分辨率较高(理论分辨率为1hz)实现了液体折射率高灵敏度检测。
23、2、本发明解调速度快，可以实现液体折射率的动态检测：oeo振荡信号建立时间在ms量级，因此可以检测到变化频率低于1mhz的液体折射率的动态变化信号。
1.基于光电振荡器解调的单模-无芯-单模光纤液体折射率检测方法，包括单模-无芯-单模光纤结构、传感模块(1)、检测模块(2)，其特征在于，所述单模-无芯-单模光纤结构包括单模光纤(1)，无芯光纤(2)及单模光纤(3)组成，将无芯光纤(2)熔接在单模光纤(1)和单模光纤(2)之间，其中无芯光纤作为折射率液体的感知部分，传感模块(1)包括掺铒光纤放大器(11)、单模-无芯-单模结构(12)，光纤耦合器(13)、偏振控制(14)，所述检测模块(2)为oeo环路，由调制器(21)、光纤耦合器(22)、色散模块(23)、光纤衰减器(24)、光纤耦合器(25)、光电探测器(26)、低噪声放大器(27)、微波功率分束器(28)以及信号检测器(29)组成，检测包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于光电振荡器解调的单模-无芯-单模光纤液体折射率检测方法，其特征在于，所述s1中传感模块(1)用于液体折射率的感知，检测模块(2)用于信号的检测。
3.根据权利要求1所述的基于光电振荡器解调的单模-无芯-单模光纤液体折射率检测方法，其特征在于，所述s3中当无芯光纤周围液体折射率改变时，无芯光纤nncf也将发生相应改变，使得自映像波长λ发生改变，既使得单模-无芯-单模结构产生的滤波器通带波长改变，进而使得传感模块(1)的输出波长λ改变，传感模块(1)的输出波长λ输入至oeo环路时，由oeo的原理可知，其产生的微波信号频率为：
4.根据权利要求1所述的基于光电振荡器解调的单模-无芯-单模光纤液体折射率检测方法，其特征在于，所述s3中当传感模块(1)的波长λ受到液体折射率扰动时，其波长变化为δλ＝knliquid，k为系数，可以依据实验数据获得，由于oeo环路中色散模块(23)的影响，光信号的延时to发生改变，使得oeo振荡信号频率变为f'osc：
