CN104949920A - 基于空芯光子晶体光纤的反射式气体传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出基于空芯光子晶体光纤的反射式气体传感系统。由光源1、环形器2、传感探头3、和光谱解调单元4组成。其特点是光源1发出的光信号首先进入环形器2的端口A，再从环形器2的端口B输出进入传感探头3，当光信号依次经由传感探头3内的单模光纤31、空芯光子晶体光纤32、多模光纤33后，将在多模光纤33尾端的高反射镜34处产生反射，而反射回来的信号又依次经由多模光纤33、空芯光子晶体光纤32、单模光纤31后回入环形器2的端口B，之后由环形器2的端口C输出进入光谱解调单元4进行数据的处理，进而可推算出空芯光子晶体光纤32内的待测气体浓度。本发明为基于空芯光子晶体光纤气体传感器的远程实时在线监测提供了一种切实可行的方法。
Description
技术领域
本发明涉及基于空芯光子晶体光纤的反射式气体传感系统，属于微型光电子器件技术领域。
背景技术
近几十年来，伴随着工业的发展，排放的大量有毒有害甚至易燃易爆气体严重污染了人类的生存环境[文献1. G. Schurmann, K. Schafer, C. Jahn, et al. The impact of NO x , CO and VOC emissions on the air quality of Zurich airport[J]. Atmospheric Environment, 2007, 41(1): 103-118.]。而对某些有毒有害气体，必须要求能检测到非常低的浓度。因此，实现对痕量气体高准确度、高灵敏度的检测具有非常重大的意义[文献2. L Melo, G. Burton, B. Davies, et al. Highly sensitive coated long period grating sensor for CO2 detection at atmospheric pressure[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2014, 202: 294-300.]。光纤气体传感器具有抗电磁干扰、耐腐蚀、安全防爆、自身独立性好、易实现远距离传输等显著优势，在气体检测方面得到了良好的应用，但传统光纤气体传感器的检测灵敏度受到气室有效吸收长度的限制，极大地限制了其进一步的发展。
空芯光子晶体光纤的包层是由一系列周期性排列的空气孔所形成的光子晶体结构组成的，由于光子晶体的禁带特性，将特定频率的光局域在纤芯中传播[文献3. T. P. Hansen, J. Broeng, C. Jakobsen, et al. Air-guiding photonic bandgap fibers: spectral properties, macrobending loss, and practical handling[J]. Journal of Lightwave Technology, 2004. 22(1): 11-15.]。利用空芯光子晶体光纤优异的光学特性和独特的空气纤芯结构，将其作为气体检测用的气室时，不需要借助光学准直器或高反射镜等光学等器件，不仅有助于降低光路噪声，同时具有体积小、重量轻、易缠绕和易延长气体有效吸收路径等显著优点，为设计小型化，高灵敏度，远距离检测的气体传感器提供了新的思路[文献4. H. Ding, X. Li, J. Cui, et al. An all-fiber gas sensing system using hollow-core photonic bandgap fiber as gas cell[J]. Instrumentation Science & Technology, 2011, 39(1):78-87.]。但是，考虑到实际应用，将空芯光子晶体光纤连入光纤传感系统需要将其与普通光纤进行耦合连接，如果采用传统的熔接技术连接空芯光子晶体光纤与普通光纤，待测气体将无法进入纤芯内部，虽然利用激光打孔技术在光子晶体光纤包层上打孔，使待测气体流入纤芯中，但这同时会导致光泄露、增加光的传输损耗，如果采用机械对准的方法实现空芯光子晶体光纤与普通光纤两者间的耦合，由于两者之间会留有空隙，可以在实现耦合的同时，方便待测气体流入纤芯中，但该方法对机械结构的稳定性以及位置的精确度要求很高，必须要设计合理的机械结构，以实现结构简单、性能稳定、气体填充时间短、耦合效率高的空芯光子晶体光纤测量气室。此外，目前基于空芯光子晶体光纤的气体传感探头均是透射式的，即光源发出的光从空芯光子晶体光纤的一端进入，在空芯光子晶体光纤内与待测气体接触作用后，再从另一端透射出去进入信号解调单元，这种方法的缺点是入射光路和出射光路需要两根光纤，这在实际测量中，不仅会增加光纤的成本，而且不利用光信号的远传与控制。
基于此，本发明提出基于空芯光子晶体光纤的反射式气体传感系统，该探头集光纤耦合、气体填充、机械固定于一体，具有微型化、高耦合效率、快速填充、长吸收光程长、稳定性高、可盘绕、可弯曲等优异特性，此外，其独特的反射结构使光在空芯光子晶体光纤气室中可以往返传播一次，进一步增大了光与气体之间的有效作用距离，灵敏度更高，且易于实现独立的探头，入射光与反射光共用一根光纤传输，极大地方便了光信号的远传，为基于空芯光子晶体光纤气体传感器的远程实时在线监测提供了一种切实可行的方法。
发明内容
（一）要解决的技术问题
本发明的主要目的在于解决空芯光子晶体光纤用于气体传感时存在的关键问题，提出一种具有高耦合效率、快速气体填充、高稳定性、长吸收光程的反射式气体传感探头。
（二）技术方案
为达到上述目的，本发明提出基于空芯光子晶体光纤的反射式气体传感系统，其特征在于，从光源1发出的光信号首先进入环形器2的端口A，再从环形器2的端口B输出进入气体测量的传感探头3，该传感探头由单模光纤31、空芯光子晶体光纤32、多模光纤33、高反射镜34、保护玻璃35、有机玻璃箱36、有机玻璃箱37组成，其中，单模光纤31与空芯光子晶体光纤32之间的间距为20μm，两者的连接处位于密封的有机玻璃箱36内，空芯光子晶体光纤32与多模光纤33之间的间距为50μm，两者的连接处位于密封的有机玻璃箱37内，多模光纤33与高反射镜34直接熔融连接，高反射镜34周围用保护玻璃35包裹起来，起到保护和防污染的作用，这样，当光信号分别经由单模光纤31、空芯光子晶体光纤32、多模光纤33后，将在多模光纤33尾端的高反射镜34处产生反射，反射率大于97%，而反射回来的信号又经多模光纤33、空芯光子晶体光纤32、单模光纤31后回入环形器2的端口B，之后由环形器2的端口C输出，最后，这个信号将进入后续的光谱解调单元4进行数据的处理，以推算出空芯光子晶体光纤32内的待测气体浓度。
上述方案中，所述的有机玻璃箱36和有机玻璃箱37均用螺丝固定在一个光学平台5上，这样不仅可以起到固定传感探头的作用，而且可以根据需要，随时方便地移动整个传感探头。
上述方案中，所述的单模光纤31与空芯光子晶体光纤32的连接端口分别配有裸纤适配器6和裸纤适配器7，通过陶瓷纤芯8将两个裸纤适配器连接起来，陶瓷纤芯的侧面开有0.5mm的缝隙，两个裸纤适配器的主体部分用中间开槽的有机玻璃9夹持，并用螺丝固定。
上述方案中，所述的多模光纤33与空芯光子晶体光纤32的连接端口分别配有裸纤适配器10和裸纤适配器11，通过陶瓷纤芯12将两个裸纤适配器连接起来，陶瓷纤芯的侧面开有0.5mm的缝隙，两个裸纤适配器的主体部用中间开槽的有机玻璃9夹持，并用螺丝固定。
上述方案中，所述的有机玻璃箱36和有机玻璃箱37的底部通过一个V型槽13连接，V型槽13的开口宽度为125μm，可将单模光纤31、空芯光子晶体光纤32、多模光纤33嵌入在该V型槽内，以防止光纤的弯曲、折断、或随外界的震动而摆动。
上述方案中，所述的有机玻璃箱36和有机玻璃箱37的顶端均连接一个外径为8mm、内径为5mm的有机玻璃管，与有机玻璃箱36相连的有机玻璃管14用作出气口，与有机玻璃箱37相连的有机玻璃管15用作进气口。
（三）有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1) 本发明提出的基于空芯光子晶体光纤的反射式气体传感系统，将光子晶体光纤作为气室实现全光纤式气体测量，气室长度将不受光纤准直工艺的限制，可极大地提高光与气体的有效作用距离，进而可提高气体测量的灵敏度；
2) 本发明提出的基于空芯光子晶体光纤的反射式气体传感系统，其传感探头集光纤耦合、气体填充、机械固定于一体，具有微型化、高耦合效率、快速填充、长吸收光程长、稳定性高、可盘绕、可弯曲等优异特性；
3) 本发明提出的基于空芯光子晶体光纤的反射式气体传感探头，其传感探头具有独特的反射结构，使得在不增加设备复杂度的情况下，光在光子晶体光纤气室中可以往返传播一次，进一步增大了光与气体之间的有效作用距离，灵敏度更高，且易于实现独立的探头，入射光与反射光共用一根光纤传输，极大地方便了光信号的远传，为基于空芯光子晶体光纤气体传感器的远程实时在线监测提供了一种切实可行的方法。
附图说明
图1为基于空芯光子晶体光纤的反射式气体传感系统的工作原理图；
图2为基于空芯光子晶体光纤的反射式气体传感探头结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明的具体结构作进一步的详细说明。
本发明提出基于空芯光子晶体光纤的反射式气体传感系统，将光子晶体光纤作为气室实现全光纤式气体测量。气体传感系统如图1所示，其工作过程为：从光源1发出的光信号首先进入环形器2的端口A，再从环形器2的端口B输出进入气体测量的传感探头3，当光信号分别经由传感探头3内的单模光纤31、空芯光子晶体光纤32、多模光纤33后，将在多模光纤33尾端的高反射镜34处产生反射，反射率大于97%，而反射回来的信号又经多模光纤33、空芯光子晶体光纤32、单模光纤31后回入环形器2的端口B，之后由环形器2的端口C输出，最后，这个信号将进入后续的光谱解调单元4进行数据的处理。
假设所用的空芯光子晶体光纤的长度为L，待测气体的吸收系数为α，浓度为C，则由朗伯-比尔定律可得：
（1）
式中，I 0、I分别为进入传感探头前后光强的大小，f为空芯光子晶体光纤纤芯内的光功率分布比例；P为传感探头内光纤链路以及耦合接头处的损耗引起的光强衰减比例。当传感探头确定后，f和P均为已知，则由公式（1）可知，通过对比I 0、I的大小即可反推出空芯光子晶体光纤32内的待测气体浓度C。
基于空芯光子晶体光纤的反射式气体传感探头的具体结构如图2所示，该传感探头由单模光纤31、空芯光子晶体光纤32、多模光纤33、高反射镜34、保护玻璃35、有机玻璃箱36、有机玻璃箱37组成，其中，单模光纤31与空芯光子晶体光纤32之间的间距为20μm，两者的连接处位于密封的有机玻璃箱36内，连接端口分别配有裸纤适配器6和裸纤适配器7，通过陶瓷纤芯8将两个裸纤适配器连接起来，陶瓷纤芯的侧面开有0.5mm的缝隙，方便气体进出，有机玻璃箱36的顶端连接一个外径为8mm、内径为5mm的有机玻璃管14用作出气口；空芯光子晶体光纤32与多模光纤33之间的间距为50μm，两者的连接处位于密封的有机玻璃箱37内，连接端口分别配有裸纤适配器10和裸纤适配器11，通过陶瓷纤芯12将两个裸纤适配器连接起来，陶瓷纤芯的侧面开有0.5mm的缝隙，方便待测气体流入光子晶体光纤纤芯内，有机玻璃箱37的顶端连接一个外径为8mm、内径为5mm的有机玻璃管15用作进气口；多模光纤33与高反射镜34直接熔融连接，高反射镜34周围用保护玻璃35包裹起来，起到保护和防污染的作用；有机玻璃箱36和有机玻璃箱37均用螺丝固定在一个光学平台5上，这样不仅可以起到固定气室的作用，而且可以根据需要，随时方便地移动整个气室；有机玻璃箱36和有机玻璃箱37的底部通过一个125μm宽的V型槽13连接，可将单模光纤31、空芯光子晶体光纤32、多模光纤33嵌入在该V型槽内，以防止光纤的弯曲、折断、或随外界的震动而摆动。
该传感探头集光纤耦合、气体填充、机械固定于一体，具有微型化、高耦合效率、快速填充、长吸收光程长、稳定性高、可盘绕、可弯曲等优异特性。此外，其独特的反射结构可使光在光子晶体光纤气室中可以往返传播一次，进一步增大了光与气体之间的有效作用距离，灵敏度更高，且易于实现独立的探头，入射光与反射光共用一根光纤传输，极大地方便了光信号的远传，为基于空芯光子晶体光纤气体传感器的远程实时在线监测提供了一种切实可行的方法。
Claims (6)
1.基于空芯光子晶体光纤的反射式气体传感系统，其特征在于：从光源1发出的光信号首先进入环形器2的端口A，再从环形器2的端口B输出进入气体测量的传感探头3，该传感探头由单模光纤31、空芯光子晶体光纤32、多模光纤33、高反射镜34、保护玻璃35、有机玻璃箱36、有机玻璃箱37组成，其中，单模光纤31与空芯光子晶体光纤32之间的间距为20μm，两者的连接处位于密封的有机玻璃箱36内，空芯光子晶体光纤32与多模光纤33之间的间距为50μm，两者的连接处位于密封的有机玻璃箱37内，多模光纤33与高反射镜34直接熔融连接，高反射镜34周围用保护玻璃35包裹起来，起到保护和防污染的作用，这样，当光信号分别经由单模光纤31、空芯光子晶体光纤32、多模光纤33后，将在多模光纤33尾端的高反射镜34处产生反射，而反射回来的信号又经多模光纤33、空芯光子晶体光纤32、单模光纤31后回入环形器2的端口B，之后由环形器2的端口C输出至光谱解调单元4进行数据的处理，进而可推算出空芯光子晶体光纤32内的待测气体浓度。
2.如权利要求1所述基于空芯光子晶体光纤的反射式气体传感系统，其特征在于：所述的有机玻璃箱36和有机玻璃箱37均用螺丝固定在一个光学平台5上，这样不仅可以起到固定传感探头的作用，而且可以根据需要，随时方便地移动整个传感探头。
3.如权利要求1所述基于空芯光子晶体光纤的反射式气体传感系统，其特征在于：所述的单模光纤31与空芯光子晶体光纤32的连接端口分别配有裸纤适配器6和裸纤适配器7，通过陶瓷纤芯8将两个裸纤适配器连接起来，陶瓷纤芯的侧面开有0.5mm的缝隙，两个裸纤适配器的主体部分用中间开槽的有机玻璃9夹持，并用螺丝固定。
4.如权利要求1所述基于空芯光子晶体光纤的反射式气体传感系统，其特征在于：所述的多模光纤33与空芯光子晶体光纤32的连接端口分别配有裸纤适配器10和裸纤适配器11，通过陶瓷纤芯12将两个裸纤适配器连接起来，陶瓷纤芯的侧面开有0.5mm的缝隙，两个裸纤适配器的主体部用中间开槽的有机玻璃9夹持，并用螺丝固定。
5.如权利要求1所述基于空芯光子晶体光纤的反射式气体传感系统，其特征在于：所述的有机玻璃箱36和有机玻璃箱37的底部通过一个V型槽13连接，V型槽13的开口宽度为125μm，可将单模光纤31、空芯光子晶体光纤32、多模光纤33嵌入在该V型槽内，以防止光纤的弯曲、折断、或随外界的震动而摆动。
6.如权利要求1所述基于空芯光子晶体光纤的反射式气体传感系统，其特征在于：所述的有机玻璃箱36和有机玻璃箱37的顶端均连接一个外径为8mm、内径为5mm的有机玻璃管，与有机玻璃箱36相连的有机玻璃管14用作出气口，与有机玻璃箱37相连的有机玻璃管15用作进气口。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20150930 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |