CN101387608A - 超长珐-珀干涉式气体传感器及基于传感器的气体测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超长珐－珀干涉式气体传感器，其特征为：在空芯光子晶体光纤的二端熔接有单模光纤，空芯光子晶体光纤的纤芯与外界之间通过在光纤上设置的透气微孔相通。本发明还公开了采用超长珐－珀干涉式气体传感器的气体测试仪，它包括扫频激光器、光耦合器、采用超长珐－珀干涉式气体传感器的传感干涉腔和参考干涉腔、光电探测器、数据接收及信号处理电路和监控计算机。本发明的有益技术效果是：成本低、体积小、系统简单、安全可靠、稳定性好、批量生产、容易组网、可对多种混合气体进行成分辨别和高灵敏度浓度监测等独特优势。

Description

超长珐-珀干涉式气体传感器及基于传感器的气体测试仪

技术领域

本发明涉及一种光纤传感技术，特别涉及一种超长珐-珀干涉式气体传感器及采用超长珐-珀干涉式气体传感器的气体测试仪。

背景技术

各种有害气体(例如甲烷、NH₃、CO₂、H₂S)浓度的监测对经济发展与社会进步有着重要的意义。以瓦斯气体(又名甲烷、沼气)为例，近年来，煤矿安全事故频繁发生，因为矿井下瓦斯气体爆炸而造成的伤亡更是触目惊心，2001年～2004年，一次死亡10人以上的特大事故中，瓦斯事故占80％；一次死亡30人以上的特别重大事故中，瓦斯事故占83％。这些事故的发生给国家和人民的生命财产带来了重大损失，产生了诸多的家庭悲剧，影响了社会的安定和谐。因此，安全检测各种有害气体十分重要，这在国内外都是重中之重，各国都投入了大量的人力物力对其展开了深入的研究。

光纤气体传感技术由于其具有本质安全、不受电磁干扰、特别是可用于易燃易爆、高温高湿等恶劣环境，以及便于联网与远距离测量等一系列优点，从80年代后期问世到现在，已经被应用在社会生活的许多方面，例如：工业气体在线监测、有害气体分析、环境空气质量监测和爆炸气体检测以及对火山喷发气体的分析等领域。

光谱吸收型光纤气体传感器是目前应用最广泛，结构较简单的一类光纤气体传感器，此类传感器主要采用Lambert-Beer定律的光谱吸收原理实现对气体的测量。目前，光谱吸收型光纤气体传感器的主要结构是采用各种各样的气室来容纳待测气体，通过监测透过容纳有待测气体的气室后信号光被吸收的情况探测待测气体的成分和浓度等。例如：专利号分别为“200410037099”和“200610012988.9”的中国专利分别公开了一种采用纳米级微孔结构光纤的气体浓度传感器和一种利用空芯光子晶体光纤作气室的气体传感器。然而，此类气体传感器由于存在需要光纤长度较长、易受污染、耦合损耗较大、易受光源波动影响、不能同时分辨待测气体的成分和浓度、较难组网作分布式多点测量等缺点，因此，在实际应用中受到极大限制。

发明内容

为解决现有光纤气体传感器存在的气室体积较长、容易受污染、耦合损耗较大、易受光源波动影响、不能同时测量待测气体的成分和浓度、较难组网作分布式多点测量等缺点，本发明提出了一种超长珐-珀干涉式气体传感器及其制作方法以及基于超长珐-珀干涉式气体传感器的气体测试仪。

本发明所采用的技术方案是：

一种超长珐-珀干涉式气体传感器，在空芯光子晶体光纤的二端熔接有单模光纤，空芯光子晶体光纤的纤芯与外界之间通过在光纤上设置的透气微孔相通。

所述的透气微孔可径向设置在空芯光子晶体光纤上，呈阵列式分布。

所述的透气微孔也可径向设置在单模光纤的包层上，呈阵列式分布，在单模光纤与空芯光子晶体光纤熔接的端头加工有微孔，微孔的端面镀有反射膜；所述的微孔将空芯光子晶体光纤的纤芯与透气微孔连通。

所述的透气微孔的直径为4—10微米。

一种基于超长珐-珀干涉式气体传感器的气体测试仪，该气体测试仪包括扫频激光器、光耦合器、采用超长珐-珀干涉式气体传感器的传感干涉腔和参考干涉腔、光电探测器、数据接收及信号处理电路和监控计算机，其中：扫频激光器发出的光通过光耦合器将光分成二束，分别传输到传感干涉腔和参考干涉腔；传感干涉腔和参考干涉腔探测到的干涉光信号和参考光信号经光耦合器分别传送到两个光电探测器转化成电信号，电信号送入数据接收及信号处理电路，最后送入监控计算机。

若干个传感干涉腔通过串联或并联组网形成传感支路，若干个参考干涉腔通过串联或并联组网形成参考支路。

本发明提供的基于空芯光子晶体光纤的新型超长珐—珀干涉气体传感器具有成本低、体积小、系统简单、安全可靠、稳定性好、批量生产、容易组网、可对多种混合气体进行成分辨别和高灵敏度浓度监测等独特优势。

附图说明

附图1为本发明超长珐-珀干涉式气体传感器在空芯光子晶体光纤的径向阵列分布的透气微孔实施例的结构示意图；

附图2为本发明超长珐-珀干涉式气体传感器在单模光纤上径向阵列分布的透气微孔实施例的结构示意图；

附图3为本发明基于超长珐-珀干涉式气体传感器的气体测试仪实施例的结构示意图；

附图4为本发明基于超长珐-珀干涉式气体传感器的组网气体测试仪实施例的结构示意图。

图中：单模光纤1、空芯光子晶体光纤2、空芯光子晶体的纤芯3、镀有反射膜的反射面4、单模光纤的包层5、单模光纤纤芯6、透气微孔7、微孔8、、扫频激光器9、耦合器10、传感干涉腔11、参考干涉腔12、光电探测器13、数据接收及信号处理电路14、监控计算机15。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的说明。

附图1和附图2分别为本发明超长珐-珀干涉式气体传感器在空芯光子晶体光纤的径向阵列分布的透气微孔实施例的结构示意图和本发明超长珐-珀干涉式气体传感器在单模光纤上径向阵列分布的透气微孔实施例的结构示意图。图中，空芯光子晶体光纤2的二端熔接有单模光纤1，空芯光子晶体光纤2的纤芯与外界之间通过在光纤上设置的透气微孔7相通。在加工透气微孔7时，可以通过紫外或飞秒激光脉冲激光加工微孔的方法，在单模光纤1或者空芯光子晶体光纤2上加工透气微孔7。

实施例1：在空芯光子晶体光纤2上加工透气微孔7的情况，可以直接在空芯光子晶体光纤2上径向加工呈阵列式分布的透气微孔7，如图1所示。

实施例2：在单模光纤1上加工透气微孔7的情况，在该实施例中，还需要在单模光纤1与空芯光子晶体光纤2熔接的端头加工微孔8，微孔8的端面镀有反射膜；在单模光纤1的包层上径向加工呈阵列式分布的透气微孔7，空芯光子晶体光纤2的纤芯通过微孔8及透气微孔7与外界连通，如图2所示。

由于激光具有良好的聚焦性能，能使光斑汇聚到波长量级，在很小的区域内集中很高的能量，热影响区域小，实现相对意义上的“冷加工”。因此，可沿单模光纤1或者空芯光子晶体光纤边缘上加工出重复性较好的气体进出口微孔阵列，并且这些微孔尺寸可控制在1-10微米并在实际使用中向下倒置或者采取其它的封装措施把光纤保护起来以防止粉尘堵塞。

空芯光子晶体光纤又称微结构光纤，是在纤芯周围沿着轴向规则排列的微小空气孔构成，利用光子带隙原理实现光的传导。由于在空芯光子晶体光纤中只有很少一部分光在硅材料中传输，采用手动熔接的方法将单模光纤1与空芯光子晶体光纤2熔接，以有效控制激光能量、熔接时间等，保证了熔接质量，使得本发明超长干涉式气体传感器具有强度大、散射小、损耗小、免受外界干扰、非线性效应低等优点。其腔长可以达到数厘米，此外，通过镀膜工艺其腔长可以达到米量级。

本发明的超长珐-珀干涉传感器，第二个反射面的反射信号需要两次通过干涉腔后与第一个反射面的反射信号发生干涉，其信号能量会被吸收两次，根据Lambert-Beer定律的光谱吸收原理可知，这种干涉腔所需要的长度远小于目前国内外常用气室的长度，因此在相同长度时其探测的灵敏度更高，

实施例3：

附图3为本发明基于超长珐-珀干涉式气体传感器的气体测试仪实施例的结构示意图。该气体测试仪包括扫频激光器9、光耦合器10、采用超长珐-珀干涉式气体传感器的传感干涉腔11和参考干涉腔12、光电探测器13、数据接收及信号处理电路14和监控计算机15。

由图可知，扫频激光器9作为光信号源，其输入波长的范围可以根据待测气体最强吸收峰附近的小段来选择，其波长的带宽非常窄，几乎可当作单波长处理。扫频激光器9发出的光经过普通光纤后，通过光耦合器10将光分成二束，一束光进入其内充满待测气体的传感干涉腔11并与干涉腔内的气体相互作用，另一束光进入参考干涉腔12；传感干涉腔11和参考干涉腔12分别将探测到的带有浓度信息的干涉光信号和参考光信号分别通过两个光耦合器10传送到两个光电探测器13转化成电信号，电信号送入数据接收及信号处理电路14进行处理、功率放大。经过放大处理后的电信号最后传输到监控计算机15及外部气体浓度监测系统处理。

根据Lambert-Beer定律的光谱吸收原理、珐珀干涉原理、差分放大等信号处理方法可根据提取出的传感干涉腔11相位变化量和对比度变化量，即可监测出该待测气体的浓度。众所周知，不同气体对光的最强吸收峰的波长是不相同的。根据不同待测气体最强吸收峰的波长以及不同激光波长的选择，可以监测到待测气体的成分。本实施例据此原理采用扫频激光器发出不同波长的激光，同时监测不同波长下传感干涉腔11的相位变化量和对比度变化量，据此测定传感干涉腔11中的气体成分和浓度。

具体实施例4：

附图4为本发明超长干涉式气体传感器的组网气体测试仪的结构示意图。由图可见，本实施例是在单个超长珐-珀传感器气体探测及信号处理的基础上，将若干个传感干涉腔11通过串联或并联组网形成传感支路，若干个参考干涉腔12通过串联或并联组网形成参考支路，以实现气体的准分布式测量。其频分复用方法是：参考支路上连接有与传感支路上一一对应相同的超长珐-珀干涉腔，并且要求对应的传感干涉腔11和参考干涉腔12放置在同一环境下(即受到几乎完全相同的环境影响)。对于串联的干涉腔，通过镀膜工艺来实现不同腔端面的反射率和透过率，且使得每个腔端面的反射率和透射率大小均需满足复用的要求。在不同的扫频激光输入波长下分别得到两个支路反射的合成干涉信号，借助谱变换技术、差分放大技术等信号处理方法就可分别提取出每个传感干涉腔相位变化量和对比度变化量，综合分析在多个波长状态下所测量得到的相位变化量和对比度变化程度，就可判断传感支路中每个传感干涉腔所在位置的气体浓度和成分，于是利用该频分复用网络就实现了气体的多点测量。

Claims (6)

1、一种超长珐-珀干涉式气体传感器，其特征在于：空芯光子晶体光纤(2)的二端熔接有单模光纤(1)，空芯光子晶体光纤(2)的纤芯与外界之间通过在光纤上设置的透气微孔(7)相通，并且空芯光子晶体光纤与二端的单模光纤熔接面之间形成珐珀干涉式传感器。

2、根据权利要求1所述的超长珐-珀干涉式气体传感器，其特征在于：所述的透气微孔(7)径向设置在空芯光子晶体光纤(2)上，呈阵列式分布，并且空芯光子晶体光纤与二端的单模光纤熔接面之间形成珐珀干涉式传感器。

3、根据权利要求1所述的超长珐-珀干涉式气体传感器，其特征在于：所述的透气微孔(7)径向设置在单模光纤(1)的包层上，呈阵列式分布，在单模光纤(1)与空芯光子晶体光纤(2)熔接的端头加工有微孔(8)，微孔(8)的端面镀有反射膜；所述的微孔(8)将空芯光子晶体光纤(2)的纤芯与透气微孔(7)连通，并且空芯光子晶体光纤与二端的单模光纤之间形成珐珀干涉式传感器。

4、根据权利要求1、2或3所述超长珐-珀干涉式气体传感器，其特征在于：所述的透气微孔(7)的直径为4—10微米。

5、一种基于超长珐-珀干涉式气体传感器的气体测试仪，其特征在于：该气体测试仪包括扫频激光器(9)、光耦合器(10)、采用超长珐-珀干涉式气体传感器的传感干涉腔(11)和参考干涉腔(12)、光电探测器(13)、数据接收及信号处理电路(14)和监控计算机(15)，其中：扫频激光器(9)发出的光通过光耦合器(10)将光分成二束，分别传输到传感干涉腔(11)和参考干涉腔(12)；传感干涉腔(11)和参考干涉腔(12)探测到的干涉光信号和参考光信号经光耦合器(10)分别传送到两个光电探测器(13)转化成电信号，电信号送入数据接收及信号处理电路(14)，最后送入监控计算机(15)。

6、根据权利要求5所述的超长珐-珀干涉式气体传感器的气体测试仪，其特征在于：若干个传感干涉腔(11)通过串联或并联组网形成传感支路，若干个参考干涉腔(12)通过串联或并联组网形成参考支路。

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