CN103048119B - 一种空芯光纤气体填充速率的检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空芯光纤气体填充速率的检测方法，具体为：将待测气体通入光子晶体光纤，四极质谱仪对输入光纤的气体进行采样分析，得到气体压强随时间变化的关系即为气体填充速率。本发明还提供一种空芯光纤气体填充速率的检测装置，包括气腔、涡轮分子泵、转接口和四极质谱仪，气腔的一端连接涡轮分子泵，另一端连接光纤的输入端，光纤的输出端连接转接口的光纤接口，转接口的管道接口连接四极质谱仪。本发明创新的提出将四极质谱仪用于光子晶体光纤气体填充速率检测，解决了传统光学法和气压计法无法实现对光子晶体光纤混合气体填充速率的检测问题。

Description

一种空芯光纤气体填充速率的检测方法及装置

技术领域

本发明属于光纤传感领域，具体涉及一种基于四极质谱仪的光子晶体光纤气体填充速率检测的方法，该方法尤其适用于混合气体的填充速率的检测。

背景技术

随着社会经济的不断发展，人类生存的环境也受到不同程度的污染，尤其是各种有害气体和液体的任意排放，给人类造成很大威胁，这需要我们能及时有效的检测这些物质的排放，避免危害的发生。因此，研究各种气体的检测方法与气体传感器就成为传感技术发展领域的一个重要课题。自20世纪70年代以来，光纤传感器取得了飞速发展。传统光纤传感器一般由光源、光纤、光检测器和附加装置组成；种类繁多，按照不同的原理可分为不同的种类，比如：功能型和非功能型光纤传感器；传光型和传感型光纤传感器；分布式光纤传感器和光纤光栅传感器等。

光子晶体光纤由于其独特的性质也开始受到人们的格外关注，尤其是它在传感方面中的应用，也正是因为它的出现改进了传统的光纤传感器。它可以用来检测气体和液体的浓度、温度、静压力和张力等。光纤传感器的一个重要性能指标就是气体填充速率，填充速率越高，则光线传感器的响应时间越快。

在2002年Hoo和Jin等人(Y.L.Hoo，W.Jin,C.Shi,etal.Design andmodeling of a photonic crystal fiber gas sensor.Appl.Opt，2003，42(18):3509-3515)就对实芯光子晶体光纤倏逝波吸收气体的传感特性进行了研究，主要是让检测的气体填充到包层孔中，填充时牵扯到填充时间问题，要尽量减少填充时间，提高检测效率，利用光场渗透到包层中的倏逝波吸收气体进行检测。但是这种方法渗透到包层中的光场强度很小，所以检测灵敏度比较低。而利用空芯光子晶体光纤则有效的解决了这一问题。由于其纤芯是空的，所以要检测的气体可以直接通入纤芯中，填充时间要比利用实芯光子晶体光纤倏逝波检测快的多，并且由于光子带隙作用使光能在纤芯中传播，也加大了光和检测气体的相互作用，大大提高了检测的灵敏度。

由于气体填充速率的快慢取决于光纤内气体压强稳定所需的时间即气体填充时间，因此检测气体的填充时间是判断气体填充速率快慢的主要手段。目前对光子晶体光纤气体填充时间的检测主要由两种方法，即光学法和传统气压计法。光学法是基于比尔-朗伯定律测量出通光前后光强的变化，由变化得到物质的浓度，具有响应速度快、测量精确、无接触测量等优点。但是比尔-朗伯定律的成立是有前提的，即：（1）入射光为平行单色光且垂直照射；（2）吸光物质为均匀非散射体系；（3）吸光质点之间无相互作用；（4）辐射与物质之间的作用仅限于光吸收过程，无荧光和光化学现象发生。如果入射光不是单色平行光；或者被测介质不均匀，浓度过大；以及产生光化学反应等因素都将造成较大的测量误差。而传统气压计法一般采用气敏法对某种特定气体进行检测，通过在压电晶体表面涂覆一层选择性吸附某气体的气敏薄膜使得该气敏薄膜与待测气体相互作用引起膜层质量和导电率的变化，从而反映气体浓度的变化，因此气敏法具有气体选择性，不适合混合气体的检测，并且受温度影响较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于四极质谱仪的光子晶体光纤气体填充速率的检测方法，能够实时监测混合气体的填充速率。

本发明的另一目的在于提供一种基于四极质谱仪的光子晶体光纤气体填充速率的检测装置，能够实时监测混合气体的填充速率。

一种空芯光纤气体填充速率的检测方法，具体为：将待测气体通入光子晶体光纤，四极质谱仪对输入光纤的气体进行采样分析，得到气体压强随时间变化的关系即为气体填充速率。

一种空芯光纤气体填充速率的检测装置，包括气腔、涡轮分子泵、转接口和四极质谱仪，气腔的一端连接涡轮分子泵，另一端连接光纤的输入端，光纤的输出端连接转接口的光纤接口，转接口的管道接口连接四极质谱仪。

进一步地，转接口的管道接口通过压降管道连接四极质谱仪。本发明的技术效果体现在：

四极质谱仪是在真空腔内利用离子分化器将气体分子电离，电离后的带电粒子进入四极杆产生的偏转电场内，由于不同的粒子质量数不一样，在一定的电场作用下所形成的偏转半径就不一样，在四极杆上加特定的电场就会有特定质量数的离子打到探测器阳极上，探测器所产生的电流正比于气体分子的浓度。进一步改变电场，就可以检测到不同质量数离子的浓度，之后再做电场扫描，就可以计算出真空腔内所含气体的成分与浓度，因此非常适用于混合气体的检测。但四极质谱仪一般用于真空装置的检漏、残余气体的分析和等离子体好坏的定性判断，用于微管道尤其是光纤的气体填充时间的检测尚未出现过。由于光纤的气体填充时间检测是为了对光纤性能进行评价，检测方法一般都是从从光学角度考虑，其与四极质谱仪的检测对象和检测目的差别很大，因此很难让技术人员想到将两者结合起来。本发明创新的提出将四极质谱仪用于光子晶体光纤气体填充速率检测，解决了传统光学法和气压计法无法实现对光子晶体光纤混合气体填充速率的检测问题。

实验证明，本发明通过四极质谱仪直接检测空芯光子晶体光纤单种气体或混合气体的填充速率，不需要光学法那样经行光耦合，且响应速度快，测量结果较精确。

附图说明

图1为四极质谱仪光纤气体检测系统装置图；

图2为四极质谱仪内部系统分布图；

图3为四极质谱仪混合气体检测图。

图中1.入气口，2.真空计，3.光纤，4.光纤转接口，5.气阀，6.气阀，7.四极质谱仪，8.涡轮分子泵，9.气腔，10.入气压降管道，11.管道转接口，12.采样阀，13.气体分析系统，14.涡轮分子泵，15.气压计，16.气室阀，17.机械泵，18.小孔径压降管道

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细的说明。

本发明基于四极质谱仪的光子晶体光纤气体填充速率检测方法，具体为：将待测气体通入光子晶体光纤，四极质谱仪对输入光纤的气体进行采样分析，得到气体压强随时间变化的关系即为气体填充速率。

图1实现上述检测方法的检测装置结构图，气腔9一端连接涡轮分子泵8，另一端连接光纤的输入端，光纤的输出端连接转接口4的光纤接口，转接口4的管道接口连接四极质谱仪7。气腔9开有入气口1，并设有真空计2。气阀5、6控制输入待测气体与涡轮分子泵8的抽运。

先关闭入气口1的入气阀门5，并打开涡轮分子泵阀门6，打开涡轮分子泵8对气腔9抽真空，并通过真空计2监测真空情况，当真空度达到10-2Pa左右不再下降时，关闭涡轮分子泵8与分子泵阀门6，打开阀门5充入被测气体，同时运行四极质谱仪7进行气体检测。

由于四极质谱仪7的气体分析系统13灵敏度非常高，当压强太大时产生电流太大会烧坏系统内的灯丝，所以在转接口4与四极质谱仪7之间设置压降管道10，利用压降管道10对采样气体进行初步降压，将用于低压气体检测的四极质谱仪用于光纤高压气体填充当中，通过压降管道对四极质谱仪起到保护作用。

图2为四极质谱仪内部系统分布图，压降管道10直径为125微米，利用压降管道10对采样气体进行初步降压，先打开机械泵17与阀门16，待气压计15显示气室压强为0.1mbar到0.3mbar时，打开涡轮分子泵14，待涡轮分子泵14运行稳定后，打开采样阀门12，采样气体通过转接口11进入60微米小孔径压降管道18进行进一步压降，然后采样气体进入气体分析系统13中进行检测，检测结果通过PC上检测软件进行显示。

图3为220T入气压强下将氢气、六氟化硫和氦气三种气体的混合气体填充到50μm空心光纤的检测结果。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种空芯光纤气体填充速率的检测方法，具体为：将待测气体通入光子晶体光纤，四极质谱仪对输入光纤的气体进行采样分析，得到气体压强随时间变化的关系即为气体填充速率。

2.一种空芯光纤气体填充速率的检测装置，包括气腔、涡轮分子泵、转接口和四极质谱仪，气腔的一端连接涡轮分子泵，另一端连接光纤的输入端，光纤的输出端连接转接口的光纤接口，转接口的管道接口连接四极质谱仪；转接口的管道接口通过压降管道连接四极质谱仪。