CN102262062A - 一种微结构光纤布拉格光栅气体传感器及其检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微结构光纤布拉格光栅气体传感器及其检测装置。传统的传感方案都是基于透射谱的分析，对检测的气体没有特异性的选择，结构不够紧凑。本发明中的气体传感器由一段单模光纤和一段微结构光纤组成，其上分别刻蚀有布拉格光栅，利用该传感器进行检测的装置包括光环形器、宽带光源和光谱仪，宽带光源发出的光经光环形器输入至传感器，由传感器反射后进入光谱仪进行分析，这样就可以得到待检气体的浓度。本发明具有结构简单实用、对气体识别具有特异性、抗干扰性好、适宜复杂条件、适用于远程分布式传感等优点。

Description

一种微结构光纤布拉格光栅气体传感器及其检测装置
技术领域
本发明属于光纤传感领域，涉及一种能够检测气体浓度的微结构光纤布拉格光栅传感器，以及利用该传感器进行气体检测的装置。
背景技术
在工业安全生产、环境质量与污染监测方面，气体检测已成为了一项十分重要的内容。特别是在恶劣或危险环境下，实现远程实时在线监测的需求，更是迫切和广泛。光纤型传感器由于其自身制作简单、抗电磁干扰、寿命长等特点，从上个世纪90年代以来，就广泛应用于气体传感领域，发展出了很多——例如CO，C02，CH4， C2H2等光纤气体传感器。光学式的气体传感器中，常用的检测原理有光谱吸收型，荧光型，光纤化学材料型等。其中光谱吸收法在检测气体浓度方面应用最为广泛，其原理是基于分子振动和转动吸收谱与光源发光光谱间的光源一致性。采用这一方法检测气体浓度，必须要配备样品池来盛放气体，这就对光路的耦合提出了更高的要求，并影响到整个系统的小型化和封装性，很大程度上制约了其与光纤技术的结合。
微结构光纤的出现，很好的解决了上述问题。其独特的空气孔设计，为气体和液体提供了很好的通道。在微结构光纤的孔内，物质和光的倏逝场相互作用，从而对输出光的特性产生一定影响。通过分析输出信号与输入信号之间的变化，便能够得到孔内物质的一些特性。“Design and modeling of a photonic crystal fiber gas sensor”(Yeuk L. Hoo, Wei Jin, Chunzheng Shi, Hoi L. Ho, Dong N. Wang, and Shuang C. Ruan,Appl.Opt., Vol. 42, Issue 18, pp. 3509-3515 (2003))一文中就提出了利用光子晶体光纤制作基于倏逝波传感的全光纤气体传感器，并建立了理论模型，分析和计算了传感器灵敏度和响应时间与微结构光纤参数的关系。之后CN200610012988.9空芯光子晶体光纤气体传感器的专利，提出了利用空芯光子晶体光纤作为气室的具体结构，很好地解决了基于光谱吸收原理的光纤气体传感器系统装置比较复杂、吸收光程不易控制、光耦合损耗较大等问题。但是这些传感方案都是基于透射谱的分析，并且对检测的气体没有特异性的选择，结构也不够紧凑，通常包含了一些电子器件，这些都在一定程度上，降低了其实用性。
发明内容
本发明的目的，就是针对现有技术的不足，提出一种微结构光纤布拉格光栅气体传感器以及利用该光纤所组成的气体浓度检测装置。
本发明的基本构思是：利用微结构光纤作为气室，并在其上刻写光纤布拉格光栅（FBG），利用MOFBG作为波长选择性反射镜，形成全光纤的反射式气体传感器。
本发明解决技术问题所采取的技术方案为：
一种微结构光纤布拉格光栅气体传感器，包括一段单模光纤和一段微结构光纤，单模光纤的一端与微结构光纤的一端熔接在一起，单模光纤的另一端作为传感器的输入/输出端。
所述的单模光纤的纤芯上刻蚀有波长为                                                
Figure 354866DEST_PATH_IMAGE002
的布拉格光栅，微结构光纤的纤芯上刻蚀有波长为
Figure 266453DEST_PATH_IMAGE004
的布拉格光栅。
所述的
Figure 2011101053479100002DEST_PATH_IMAGE005
波长远离待测气体吸收峰所对应的波长，所述的
Figure 941148DEST_PATH_IMAGE004
波长覆盖待测气体吸收峰所对应的波长。
一种气体浓度检测装置，包括微结构光纤布拉格光栅气体传感器、光环形器、宽带光源和光谱仪；光环形器的1端口与宽带光源的输出口光连接，光环形器的3端口与光谱仪的输入口光连接，光环形器的2端口与微结构光纤布拉格光栅气体传感器的输入/输出端。
一种气体浓度检测装置，包括微结构光纤布拉格光栅气体传感器、光环形器、耦合器、光谱仪、激光泵浦光源和宽带光源；激光泵浦光源的输出口与耦合器的一个输入端口光连接，宽带光源的输出口与耦合器的另一个输入端口光连接，耦合器的输出口与光环形器的1端口光连接，光谱仪的输入口与光环形器的3端口光连接，微结构光纤布拉格光栅气体传感器的输入/输出端与光环形器的2端口光连接；
所述的微结构光纤布拉格光栅气体传感器中的微结构光纤段的芯层上掺杂有钴金属。
本发明主要具有结构简单实用（反射式结构）、对气体识别具有特异性、抗干扰性好、适宜复杂条件、适用于远程分布式传感等优点。
附图说明
 图1为本发明所用的微结构光纤横截面示意图；
图2为本发明中微结构光纤布拉格光栅气体传感器的结构示意图；
图3为采用被动式方案进行气体检测的系统示意图；
图4为采用主动式方案进行气体检测的系统示意图。
具体实施方式
 以下结合附图对本发明作进一步说明。
微结构光纤根据导光机理的不同，分为全反射型和光子带隙型两种。由于结构的不同，光波倏逝场在孔内的能量分布也不一样。一般的，全反射型光纤光子晶体孔内的倏逝场能量大约占总能量的10% ~ 40%。为了实现光栅的刻写，并保证孔内有很强的倏逝场，选择类似图1所示的全反射型微结构光纤作为气室。这种光纤结构具有很强的倏逝场，能提高检测的灵敏度。
如图2所示，在单模光纤1和微结构光纤3上分别制作两个布拉格光栅2和4，对应的反射波长分别为
Figure 2011101053479100002DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 2011101053479100002DEST_PATH_IMAGE003
且光栅4的长度为
Figure 182642DEST_PATH_IMAGE006
，在附近待测气体没有明显的吸收峰，此波长反射回来的信号用作参考信号。
Figure 791795DEST_PATH_IMAGE003
覆盖待测气体的某一吸收峰，用于探测气体的吸收。然后将微结构光纤3和单模光纤1熔接，控制熔接点到光栅4的距离为
Figure 2011101053479100002DEST_PATH_IMAGE007
，这样总的气室长度为
Figure 752404DEST_PATH_IMAGE008
。到此传感器部分的制作就完成了。
在微结构光纤上刻写布拉格光栅后，可利用光栅的波长选择性并结合气体吸收特征谱线，实现对特定气体的浓度检测。根据比尔朗伯吸收定律和倏逝波传感的特点，从该微结构光纤布拉格光栅反射的信号强度
Figure 2011101053479100002DEST_PATH_IMAGE009
可以表示如下：     
       
Figure 333558DEST_PATH_IMAGE010
,                 (1)
这里
Figure 2011101053479100002DEST_PATH_IMAGE011
是探测光源信号，R是微结构光纤光栅的反射率，r是倏逝波的相对灵敏系数，
Figure 324517DEST_PATH_IMAGE012
是气体在波长
Figure 2011101053479100002DEST_PATH_IMAGE013
处的吸收系数，C是气体的浓度，L是气室的长度。其中r与传导模式有效折射率，孔内物质折射率有关，并与孔内倏逝场能量比重成正比。
当光栅的谐振波长与气体吸收峰一致时，反射信号就会由于气体吸收而减弱。若将反射信号利用分贝形式进行归一化处理，即
Figure 584597DEST_PATH_IMAGE014
,则气体吸收可以表示为：
        
Figure 2011101053479100002DEST_PATH_IMAGE015
,                 (2)
从以上公式可以看出，通过分析反射信号的强度衰减情况，就可以得到待测气体的浓度信息。由于气体吸收谱线的特异性和光栅的波长选择作用，这种检测方法从原理上就避免了其他气体的干扰，体现出了特异性选择的优点。
依据以上原理，本发明中传感器制作过程包括以下步骤：
1.在普通单模光纤上制作波长为
Figure 601094DEST_PATH_IMAGE001
的布拉格光栅，且在所制作的反射波长附近气体没有明显的吸收峰。此光栅的反射信号强度当作参考信号，用于消除测量时光纤传输和耦合的损耗以及光源功率波动所带来的误差。
2.在(光热)微结构光纤上制作特定周期的布拉格光栅，控制其谐振波长
Figure 99072DEST_PATH_IMAGE003
覆盖气体某一明显的吸收峰。此光栅的反射信号用于探测气体浓度。
3.将制作有光栅的微结构光纤和普通单模光纤熔接在一起，组成气体传感器。
本发明还提出了两种传感方案：被动式和主动式。
被动式传感系统的结构如图3所示。将如图2所示的传感器与环形器6的2端口通过跳线连接，环形器6的1端口和3端口分别与一个宽带光源5和光谱仪7相连。通过分析记录下的参考光栅和探测光栅的反射信号功率，就可以得到气体吸收的光功率，再根据已知的参数，利用公式（2）就可以分析出所探测气体的浓度。
主动式测量方案如图4所示。此时，图2中的布拉格光栅4是在芯层掺钴等元素的光热微结构光纤制成的。同样将制备好的传感器与环形器6的2端口通过跳线连接，环形器的1端口和3端口分别与耦合器8和光谱仪7相连，耦合器8又分别连接了一个激光泵浦源9和一个宽带光源5。激光泵浦源9的波长不在宽带光源5的光谱范围内。这样通过调节激光泵浦源9的输出功率，就可以利用光热微结构光纤的吸收光功率转化为热量的效应，改变光栅区的温度，从而调节光栅4的波长，使其在气体吸收峰
Figure 2011101053479100002DEST_PATH_IMAGE017
左右震荡。通过分析记录下的反射信号功率，就能得到
Figure 559134DEST_PATH_IMAGE018
=
Figure 2011101053479100002DEST_PATH_IMAGE019
时，气体吸收的光功率。最后根据已知的参数，利用公式（2）就可以分析出所探测气体的浓度。
主动式测量方案的原理如下：由于光栅的周期和有效折射率都受温度影响，所以当外界温度发生变化时，反射波长会产生漂移：
   ,               (3)
可以看到，温度变化能够用于调制反射信号波长。因此，进一步将光纤芯层掺杂钴金属等元素，可以把吸收的光能量转化为热能使得光纤温度升高，从而控制反射波长
Figure 2011101053479100002DEST_PATH_IMAGE021
向长波方向移动。利用这种方法可以主动式消除环境温度影响，用于不同温度环境下的气体探测。
被动式的传感方案系统结构相对简单，但是在光栅制作过程中对波长的控制要求更为严格。而主动式的传感方案能够克服环境变化（如温度）的影响，因而更适用于恶劣环境。

Claims (3)

1.一种微结构光纤布拉格光栅气体传感器，包括一段单模光纤和一段微结构光纤，其特征在于：
单模光纤的一端与微结构光纤的一端熔接在一起，单模光纤的另一端作为传感器的输入/输出端；
所述的单模光纤的纤芯上刻蚀有波长为                                                
Figure 2011101053479100001DEST_PATH_IMAGE001
的布拉格光栅，微结构光纤的纤芯上刻蚀有波长为
Figure 375116DEST_PATH_IMAGE002
的布拉格光栅；
所述的波长远离待测气体吸收峰所对应的波长，所述的波长覆盖待测气体吸收峰所对应的波长。
2.一种气体浓度检测装置，包括如权利要求1所述的微结构光纤布拉格光栅气体传感器、光环形器、宽带光源和光谱仪，其特征在于：光环形器的1端口与宽带光源的输出口光连接，光环形器的3端口与光谱仪的输入口光连接，光环形器的2端口与微结构光纤布拉格光栅气体传感器的输入/输出端。
3.一种气体浓度检测装置，包括如权利要求1所述的微结构光纤布拉格光栅气体传感器、光环形器、耦合器、光谱仪、激光泵浦光源和宽带光源，其特征在于：激光泵浦光源的输出口与耦合器的一个输入端口光连接，宽带光源的输出口与耦合器的另一个输入端口光连接，耦合器的输出口与光环形器的1端口光连接，光谱仪的输入口与光环形器的3端口光连接，微结构光纤布拉格光栅气体传感器的输入/输出端与光环形器的2端口光连接；
所述的微结构光纤布拉格光栅气体传感器中的微结构光纤段的芯层上掺杂有钴金属。
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