CN101819139A - 基于悬挂芯光纤的在线气体传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于悬挂芯光纤的在线气体传感器。包括光源、耦合连接器、光纤分光耦合器、浓度监测电路、锁相放大器、光电二极；三根普通光纤经耦合连接器耦合连接，光源发出的光分成两路，其中一束光通过第一标准光纤进入第一悬挂光纤的纤芯，并与第一悬挂光纤的孔道内的气体相互作用，然后进入第一光电二极管；另一束光为参考光，经第二标准光纤进入第二悬挂光纤的纤芯后进入第二光电二极管；两个光电二极管产生的电信号进入锁相放大器进行放大，最后经过检测电路进行浓度分析。本发明以悬挂光纤为传感单元，大大简化了结构设计以及传感器的体积，使仪器小型化。本发明有灵敏度高，整个传感器具有体积小，质量轻，布设方便等明显优势。

Description

基于悬挂芯光纤的在线气体传感器

技术领域

本发明涉及一种在线光纤气体传感器，尤其是一种基于悬挂芯光纤结构的在线倏逝波气体传感器。

背景技术

气体传感器已用于对各种有害、有毒及易燃易爆气体的探测，具体涉及大气污染和工业废气监测以及对食品和环境质量的检测等领域。应用最广泛的是利用气体对光谱的吸收原理建立起来的吸收型气体传感器。当覆盖被检测气体吸收光谱的光通过气体时，被吸收光的能量遵循朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律：

I＝I₀exp(-αC·l)           (1)

式中I₀和I，分别为入射光通过被测气体前后的光强；α为气体吸收系数；C为气体浓度；l为气体吸收层厚度。

根据(1)式可得到气体浓度C的表达式：

$C=\frac{1}{\mathrm{\α}\·l}\ln \left(\frac{I_0}{I}\right)---\left(2\right)$

传统的光纤气体传感器信号收集部分一般都是由大量分立元件构成，包括气室装置，反射镜、凸透镜、自聚焦透镜等光学元件，系统设计复杂，能量衰减大、安装调试要求高，需要光路保持准直等特殊要求。尤其是占用体积大、难实现仪器的微型化。如文献1[王玉田，郭廷蓥，王莉田，侯培国，差分吸收式光纤甲烷传感器的研究，传感器技术，2000，19(5)]及文献2[张英，王海容，高鲜妮，蒋庄德红外吸收式光纤甲烷气体传感系统的研究，压电与声光，2008，30(2)]。倏逝场型光纤气体传感器以光纤纤芯为传感单元，但纤芯直径一般较小，所以强度差。一般传感部位的长度与灵敏度呈线性关系，而纤芯的过度裸漏又会增加其脆性，所以裸漏纤芯的长度成为限制灵敏度的关键因素。同时光纤裸漏部位又必须置于样品室或者套管内进行保护，所以增加了传感器的体积。如果通过增加光纤直径的方式提高传感部位的强度，则会降低仪器的灵敏度，因为倏逝场光纤气体传感器的灵敏度主要取决于倏逝场能量占总能量的比例，比例越高，灵敏度也就越高。由此可见，简化样品吸收池或传感部位设计是光纤气体传感器得以集成化、稳定化、微型化、实用化的技术关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构紧凑、体积小、传感面积大的基于悬挂芯光纤的在线气体传感器。

本发明的目的是这样实现的：

包括光源、耦合连接器、光纤分光耦合器、浓度监测电路、锁相放大器、光电二极；三根普通光纤经耦合连接器耦合连接，光源发出的光经过一普通光纤后被分光器分成两路，其中一束光通过与第一光纤分光耦合器耦合的第一标准光纤进入第一悬挂光纤的纤芯，并与第一悬挂光纤的孔道内的气体相互作用，然后进入第一光电二极管；另一束光为参考光，经与第二光纤分光耦合器耦合的第二标准光纤进入第二悬挂光纤的纤芯后进入第二光电二极管；两个光电二极管产生的电信号进入锁相放大器进行放大，最后经过检测电路进行浓度分析。

本发明还可以包括：

1、所述的光纤由标准光纤和与标准光纤耦合的悬挂芯光纤构成；所述的悬挂光纤的纤芯与包层间具有一条孔道，孔道的形状为圆形或者“D”形，纤芯的折射率高于包层的折射率，纤芯紧贴悬挂于孔道内壁或部分嵌于包层内，在整个悬挂光纤长度范围内的包层上带有裸露结构。

2、所述的裸露结构是在包层上开有侧抛口的连续分布结构。

3、所述的裸露结构是在包层上间隔开有微孔的点分布结构。

4、在悬挂芯光纤的纤芯表面有气体敏感层。

5、悬挂光纤的纤芯嵌入光纤包层的面积小于纤芯表面积的20％。

本发明解决了已有的光纤气体传感器存在的结构复杂、稳定性差、体积大等技术问题，提供了一种结构高度集成、感应面积大的全光纤结构光纤倏逝波气体在线传感器。

本发明的悬挂芯光纤最显著的结构特点是纤芯与包层为非紧密配合，光纤内部具有一个延光纤延伸方向的一维孔道结构，微孔的形状可以使圆形或者“D”形，孔道位置可以位于光纤内部的各个位置，而高折射率纤芯则紧贴孔道内避悬挂于孔道内的任意位置(部分嵌于包层之中)，这一结构用来作为传感的场所，围成孔道的微管结构为较低折射率的光纤包层，光纤的端面如图1所示。该悬挂光纤两端各焊接一段标准光纤，用于作为光耦合。悬挂光纤的包层带有裸漏部位，气体可以通过微孔进入光纤内部，使悬挂纤芯裸漏于气体氛围之中(如图2)。

本发明以悬挂光纤为传感单元，代替传统的方形气室结构，省略了光纤与气室的光路准直、耦合连接等结构，大大简化了结构设计以及传感器的体积，使仪器小型化。因为悬挂光纤的长度可以根据具体要求选择，所以可以通过增加传感光纤的长度显著增加倏逝波面积，进而提高灵敏度，整个传感器具有体积小，质量轻，布设方便等明显优势。

附图说明

图1a-图1c三种悬挂光纤端面结构示意图；

图2a-图2b悬挂光纤包层裸漏结构示意图；

图3基于悬挂光纤的光纤倏逝波气体传感器的系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1a-图1c以及图2a-图2b。本发明涉及的悬挂光纤具有悬挂的纤芯1结构，纤芯与包层3之间具有裸漏的敞开孔道结构2。首先利用紫外显微加工方法在适当位置对悬挂光纤包层打孔4，孔直径为微米量级。紫外激光显微加工是近几年发展起来的显微加工新技术。由于光纤材料具有细、小、硬、脆等特点，而且光纤的芯层很细(单模光纤为几微米，多模光纤为几十微米)，加工精度一般不超过2微米，采用其它传统方法无论从光纤材料特性还是从加工精度都难以达到对光纤进行微加工的要求。而用紫外显微加工方法可以实现对光纤材料的局部精密改性。除利用显微加工以外，还可以直接对光纤包层进行侧面抛光制造缺口5。

结合图3实例一：甲烷是易燃易爆气体和多种燃料的主要部分。它的爆炸下限为5.3％，上限为15％，检测甲烷气体体积分数，对于工矿安全运行，人身安全有着至关重要的作用。下面结合具体甲烷检测具体实例对本发明作进一步说明。

光源6采用InGaSP发光二极管(PIN)，峰值波长为1.33μm，处于通讯波段，且在石英光纤的低损耗区。该发射波长位于CH₄的复合频位置(v₂+2v₃)，且其他气体如CO₂和H₂O等在此处无明显吸收，不会产生交叉传感问题。光源3dB光纤耦合器7(1∶1)分光后，一路光作为信号光经耦合连接器8普通光纤9进入与之焊接到一起的悬挂光纤10(纤芯直径10μm，光纤外经125μm)内部的纤芯1中。

光波在纤芯传输时产生倏逝波，倏逝波场与经包层扩散进入空腔气室的甲烷分子进行作用，产生吸收，经另一端焊接的普通光纤进入光电二极管11。另一路光经作为参考光延同样光纤路径进入相同型号的光电二极管11。电信号经锁相放大器12，进入检测电路13。双光路光强补偿的方法要求测量光路和参考光路中除甲烷浓度参量外，其它参量具有良好的一致性，包括两路初始光强，气室结构与尺寸，光路布设等等。然后进行解调，同时探测两路透射光，并将二者相除，消除初始光强I₀的影响，并得到气体浓度大小的绝对值。

Claims (7)

1.一种基于悬挂芯光纤的在线气体传感器，包括光源、耦合连接器、光纤分光耦合器、浓度监测电路、锁相放大器、光电二极；其特征是：三根普通光纤经耦合连接器耦合连接，光源发出的光经过一普通光纤后被分光器分成两路，其中一束光通过与第光纤分光耦合器耦合的第一标准光纤进入第一悬挂光纤的纤芯，并与第一悬挂光纤的孔道内的气体相互作用，然后进入第一光电二极管；另一束光为参考光，经与第二光纤分光耦合器耦合的第二标准光纤进入第二悬挂光纤的纤芯后进入第二光电二极管；两个光电二极管产生的电信号进入锁相放大器进行放大，最后经过检测电路进行浓度分析。

2.根据权利要求1所述的基于悬挂芯光纤的在线气体传感器，其特征是：所述的光纤由标准光纤和与标准光纤耦合的悬挂芯光纤构成；所述的悬挂光纤的纤芯与包层间具有一条孔道，孔道的形状为圆形或者“D”形，纤芯的折射率高于包层的折射率，纤芯紧贴悬挂于孔道内壁或部分嵌于包层内，在整个悬挂光纤长度范围内的包层上带有裸露结构。

3.根据权利要求2所述的基于悬挂芯光纤的在线气体传感器，其特征是：所述的裸露结构是在包层上开有侧抛口的连续分布结构。

4.根据权利要求2所述的基于悬挂芯光纤的在线气体传感器，其特征是：所述的裸露结构是在包层上间隔开有微孔的点分布结构。

5.根据权利要求2-4任何一项所述的基于悬挂芯光纤的在线气体传感器，其特征是：在悬挂芯光纤的纤芯表面有气体敏感层。

6.根据权利要求2-4任何一项所述的基于悬挂芯光纤的在线气体传感器，其特征是：悬挂光纤的纤芯嵌入光纤包层的面积小于纤芯表面积的20％。

7.根据权利要求5所述的基于悬挂芯光纤的在线气体传感器，其特征是：悬挂光纤的纤芯嵌入光纤包层的面积小于纤芯表面积的20％。

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