CN102226762B - 一种基于空芯带隙型光子晶体光纤带隙移动的挥发性有机物传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于空芯带隙型光子晶体光纤带隙移动的挥发性有机物传感器。空芯带隙型光子晶体光纤的两端与两根单模光纤对准，中间保留微小的间隔，放置在气室中(气室经过特殊设计，带有准直系统和高低可调节的V型槽)，两根单模光纤的另一端从气室中引出，分别连接宽带光源和光谱仪。本发明针对现有挥发性有机物传感技术中存在的制作复杂，成本较高，难于实现多次测量和微量检测的问题，提出了一种结构紧凑，易于制作，可重复测量，便于微量监测，灵敏度高，可以很好的实现不同种类挥发性有机物检测的基于空芯带隙型光子晶体光纤带隙移动的挥发性有机物传感器。

Description

一种基于空芯带隙型光子晶体光纤带隙移动的挥发性有机物传感器

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于空芯带隙型光子晶体光纤(Hollow-core photonic bandgap fiber，HC-PBF)带隙移动的挥发性有机物传感器。

背景技术

挥发性有机物(volatile organic compounds，VOCs)是最常见的一类空气污染物，通常指的是沸点在50～250℃，在常温常压下可以形成蒸气的有机物，主要包括苯系物、有机氯化物、氟利昂系列、有机酮类、醇类、胺、醚以及酯类等。VOCs具有毒性、刺激性以及致癌性，会严重破坏环境和人体健康。因此，发展灵敏、快速、准确测定空气中VOCs含量的方法是非常必要的。

目前发展比较成熟的用来测量空气中VOCs含量的传感器主要分为半导体类型的传感器和光纤类型的传感器。半导体类型的挥发性有机物传感器以空气中有机物分子与特殊材料制成的阻抗元件发生化学反应从而改变该元件的电阻值做为传感机理，阻抗元件的电阻值会随着空气有机物含量不同而不同，从而测得空气中VOCs的含量。具有响应速度快，制造简单等优点。但是，这类传感器也有很大的局限性，阻抗元件在重复测量时必须先进行一次化学反应，以消除上次测量时化学反应残留物造成的影响；其次，这类传感器测量不同的VOCs时要选择不同的阻抗元件，否则可能无法发生化学反应而无法实现检测。光纤具有体积小，重量轻，抗电磁干扰，能在恶劣环境中使用等优点，利用光纤传感测量空气中VOCs含量的机理多种多样，常用的有在光纤外表涂敷一层对待测挥发性有机物敏感的材料，空气中有机物含量改变会影响涂敷层性质的改变(厚度或者折射率等)，从而影响输出端光强大小，但这类传感器需要经过涂敷，制作复杂，成本较高，经涂敷后的光纤只能针对某一种或几种挥发性有机物进行监测，测量种类较小，并且难于实现微量监测；将单模光纤、空芯光子晶体光纤、单模光纤熔接在一起，制成简易的F-P干涉仪，测出光子晶体光纤纤芯中灌注气体的折射率，推导出其中有机物含量，这利类型的传感器可以实现微量检测，但是每次测量都必须进行一次熔接，熔接操作复杂，并且用折射率推导挥发性有机物浓度会引起较大误差。

针对上述问题，我们提出了一利基于空芯带隙型光子晶体光纤带隙移动的挥发性有机物传感器。这种传感器结构紧凑，易于制作，可重复测量，便于微量监测，灵敏度高，可以很好的实现不同种类挥发性有机物的检测。

发明内容

本发明目的就是解决现有挥发性有机物传感技术中存在的制作复杂，成本较高，难于实现多次测量和微量检测的问题，提供了一种结构紧凑、易于制作，可重复测量，灵敏度高的基于空芯带隙型光子晶体光纤带隙移动的挥发性有机物传感器。

本发明为解决技术问题所采取的技术方案是：

一种基于空芯带隙型光子晶体光纤带隙移动的挥发性有机物传感器，包括宽带光源、单模光纤、空芯带隙型光子晶体光纤、气室、光谱仪。

空芯带隙型光子晶体光纤的两端与两根单模光纤对准，中间保留微小的间隔，放置在气室中，两根单模光纤的另一端从气室中引出，分别连接宽带光源和光谱仪。

其中气室经过特殊设计，带有准直系统和高低可调节的V型槽，准直系统方便单模光纤与空芯带隙型光子晶体光纤间的光传输，V型槽用来固定空芯带隙型光子晶体光纤。

本发明所具有的有益效果为：

1.空芯带隙型光子晶体光纤具有大量的空气孔结构，这些空气孔形成带隙效应，使得带隙范围内的光才能够通过光纤进行传输。当挥发性有机物经过挥发并从空芯带隙型光子晶体光纤与单模光纤中的微小空隙扩散进入空芯带隙型光子晶体光纤的空气孔后，会改变空气孔的有效折射率，从而引起空芯带隙型光子晶体光纤带隙的移动。空气中挥发性有机物含量不同时，扩散进入空芯带隙型光子晶体光纤空气孔中的有机物含量也不同，从而空气孔的有效折射率发生变化，带隙的移动量也发生改变，观察带隙的移动即可实现对空气中挥发性有机物含量的测量。

2.空芯带隙型光子晶体光纤具有光子晶体光纤对温度变化不敏感的特性，使得测量过程不受外界温度的影响，避免了温度对测量造成影响，提高测量精度。

3.整个传感测量装置具有结构紧凑，易于制作，可重复测量，便于微量监测，灵敏度高，可以很好的实现不同种类挥发性有机物的检测。

附图说明

图1为本发明的结构图；

图2为本发明传感部位的细节图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步描述。

如图1所示，一种基于空芯带隙型光子晶体光纤带隙移动的挥发性有机物传感器，主要包括宽带光源1、单模光纤2、空芯带隙型光子晶体光纤3、气室4、光谱仪5。空芯带隙型光子晶体光纤3的两端与两根单模光纤2对准，中间保留微小的间隔，放置在气室4中，两根单模光纤2的另一端从气室4中引出，分别连接宽带光源1和光谱仪5。

本实施方式的工作方式为：空芯带隙型光子晶体光纤的两端与两根单模光纤对准，中间保留微小的间隔，放置在气室中，两根单模光纤的另一端气室中引出，分别连接宽带光源和光谱仪。

宽带光源发出的光耦合进单模光纤，单模光纤的一端伸入气室，与空芯带隙型光子晶体光纤对准，并且保留微小的间隔，空芯带隙型光子晶体光纤的另一端同样以微小的间隔与另一根单模光纤一端准直，该单模光纤另一端伸出气室与光谱仪光连接。单模光纤与空芯带隙型光子晶体光纤端面间隙可以方便挥发性有机物在空气中的分子扩散进入空芯带隙型光子晶体光纤的空气孔中，改变空气孔的有效折射率，在光谱仪上即可看出空芯带隙型光子晶体光纤的带隙出现移动。对应挥发性有机物在空气中所占的体积分数不同时，扩散进入空芯带隙型光子晶体光纤空气孔中的有机物数量发生变化，从而引起的带隙移动程度发生改变，观察带隙的移动程度即可解调出对应的挥发性液体浓度。在本实例中，选择带隙左端的跳变点作为观察点，记录对应不同体积分数的甲醇试剂所得到的测量结果，其理论实验结果如表一。

表一折射率与差分运算器输出值的变化关系

空气中甲醇的体积分数从0％(即空气孔中无甲醇分子)到5％范围内，带隙左端跳变点的波长从1.54um变化为1.495um，变化量为40nm，变化范围很大，易于读取。从表中数据可以看出，空气中甲醇的含量与带隙左端跳变点波长近似呈线性关系。选取从0％(即空气孔中无甲醇分子)到1％的范围观察，即空气中甲醇的体积分数变化1％，带隙左端跳变点偏移量Δλ＝10nm，光谱仪的分辨率为20pm，由此可得，本发明所述传感器的测量精度为2×10^-5，即空气中甲醇的体积分数变化超过0.002％时，均可由本传感器测得，说明本传感器具有很高的灵敏度。

本发明能够实现挥发性有机物传感测量并且具有较高灵敏度、可重复检测的关键技术为：

1.空芯带隙型光子晶体光纤具有大量的空气孔结构，这些空气孔形成带隙效应，使得带隙范围内的光才能够通过光纤进行传输。当挥发性有机物经过挥发并从空芯带隙型光子晶体光纤与单模光纤中的微小空隙扩散进入空芯带隙型光子晶体光纤的空气孔后，会改变空气孔的有效折射率，从而引起空芯带隙型光子晶体光纤带隙的移动。空气中挥发性有机物含量不同时，扩散进入空芯带隙型光子晶体光纤空气孔中的有机物含量也不同，从而空气孔的有效折射率发生变化，带隙的移动量也发生改变，观察带隙的移动即可实现对空气中挥发性有机物含量的测量。

2.空芯带隙型光子晶体光纤具有光子晶体光纤对温度变化不敏感的特性，使得测量过程不受外界温度的影响，避免了温度对测量造成影响，提高测量精度。

本实施例中的单模光纤是普通的SMF-28单模光纤；空芯带隙型光子晶体光纤是由长飞公司生产的型号为HC-1550-02的光子晶体光纤。

Claims (1)

1.一种基于空芯带隙型光子晶体光纤带隙移动的挥发性有机物传感器，其特征在于该传感器是基于空芯带隙型光子晶体光纤具有大量的空气孔结构，这些空气孔形成带隙效应，当挥发性有机物经过挥发并进入空芯带隙型光子晶体光纤的空气孔后，会改变空气孔的有效折射率，从而引起HC-PBF带隙的移动，通过监测HC-PBF带隙的移动量即可实现挥发性有机物浓度的检测；

所述的传感器主要包括宽带光源1、单模光纤2、空芯带隙型光子晶体光纤3、气室4、光谱仪5，空芯带隙型光子晶体光纤的两端与两根单模光纤对准，中间保留微小的间隔，放置在气室中，所述气室带有准直系统和高低可调节的V型槽，准直系统方便单模光纤与空芯带隙型光子晶体光纤间的光传输，V型槽用来固定空芯带隙型光子晶体光纤，两根单模光纤的另一端从气室中引出，分别连接宽带光源和光谱仪。

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