CN105372206A - 用于多种气体折射率检测的并行远距离光纤传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于多种气体折射率检测的并行远距离光纤传感系统，包括宽带光源、光纤分束器、光纤耦合器、光纤传感器和光电探测阵列，所述宽带光源连接光纤分束器的输入口，所述光纤分束器的输出分支和多个所述光纤耦合器的输入端口级联，每个所述光纤耦合器连接一个光纤传感器，每个所述光纤传感器包括多个并行的光纤传感探头；所述光电探测阵列与每个所述光纤耦合器的输出端口级联；多个所述光纤耦合器对应的光纤传感探头分别镀不同的金属和或化学膜。本发明实现远距离、多种气体和外界折射率同时检测；所述光纤传感探头采用上扩拉锥的反射光纤椭球形，使包层光场与外界的交叠面积增大，增大了光纤传感探头的灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于传感技术领域，尤其是涉及一种用于多种气体折射率检测的并行远距离光纤传感系统。
背景技术
传感技术是信息产业，尤其是物联网技术的产业基础之一。目前用于气体检测的传感器，主要有传统的化学样品分析法，电化学类传感器检测，光谱测量法和声表面波集成传感器方法。
传统的化学样品分析法，需要对样品进行各种化学过程的操作，检测速度慢且比较复杂，安全性差。电化学类传感器，需要在一定的热温度下测量，同时受到电磁场等因素的干扰，而且不利于进行组网行程传感网络。光谱成像法需要特别昂贵的宽带光源或者可调谐的激光器实现对气体吸收谱的扫描，体积庞大，同时价格昂贵，测量速度也较慢。一些光纤气体传感器，比如说镀膜长周期光栅，但是长周期光栅的制作成本较高，同时不能受到弯曲等外界的干扰，如果多个光栅使用的话，需要宽带光源，价格也很昂贵，不适合实际使用。声表面波传感器虽然检测灵敏度很高，但是其对集成加工要求特别苛刻，信号驱动和检测也比较复杂，同时不可以进行远距离组网检测。
因此，发明一种低成本，可以实现远距离同时多种气体和外界折射率同时检测的传感系统迫在眉睫。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种用于多种气体折射率检测的并行远距离光纤传感系统，以实现远距离、多种气体和外界折射率同时检测。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
用于多种气体折射率检测的并行远距离光纤传感系统，包括宽带光源、光纤分束器、光纤耦合器、光纤传感器和光电探测阵列，所述宽带光源连接光纤分束器的输入口，所述光纤分束器的输出分支和多个所述光纤耦合器的输入端口级联，每个所述光纤耦合器连接一个光纤传感器，每个所述光纤传感器包括多个并行的光纤传感探头；所述光电探测阵列与每个所述光纤耦合器的输出端口级联；多个所述光纤耦合器对应的光纤传感探头分别镀不同的金属和或化学膜，每种镀膜只对某一特定的气体进行吸附。
进一步的，镀膜的所述光纤传感探头为上扩拉锥的反射光纤椭球，带一个平整的反射端面。
进一步的，所述光纤传感探头所镀为半反射和半透射膜，膜层厚度控制在50-100nm之间。
进一步的，其中一个光纤耦合器对应的光纤传感探头不镀膜。
进一步的，每个所述光纤耦合器级联的并行的光纤传感探头的个数可为2-8个。
进一步的，多个光纤传感器和光纤耦合器数量对应，可为2-32个。
进一步的，所述宽带光源可为自发辐射的LED型宽带光源或者具有较宽3dB带宽的激光光源。
进一步的，级联时可以是多个光纤耦合器级联或者多个光纤分束器级联。
进一步的，所述光纤传感探头和光纤耦合器之间利用长距离的通信用单模光纤进行连接。
进一步的，所述光纤传感探头可以利用光纤玻璃球连接单模光纤实现，或利用空心光子晶体光纤实现，或利用普通光纤熔融上拉锥实现。
相对于现有技术，本发明具有以下优势：
(1)实现远距离、多种气体和外界折射率同时检测；
(2)所述光纤传感探头采用上扩拉锥的反射光纤椭球形，带一个平整的反射端面，使包层光场与外界的交叠面积增大，同时增大了光纤端面与外界的接触面积，从而两方面增大了光纤传感探头的灵敏度；
(3)光纤分束器的使用可以使得多个并联的光纤传感器共享一个光源，从而大幅降低了系统从成本。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述光纤传感系统的结构原理图；
图2为本发明实施例所述光纤传感探头的示意图；
图3为本发明实施例所述光纤传感探头的工作原理示意图。
附图标记说明：
1-宽带光源，2-光纤分束器，3-光纤耦合器，4-光纤传感器，5-光电探测阵列，6-光纤传感探头。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
用于多种气体折射率检测的并行远距离光纤传感系统，如图1所示，包括宽带光源1、光纤分束器2、光纤耦合器3、光纤传感器4和光电探测阵列，所述宽带光源1连接光纤分束器2的输入口，所述光纤分束器2的输出分支和多个所述光纤耦合器3的输入端口级联，每个所述光纤耦合器3连接一个光纤传感器4，每个所述光纤传感器4包括多个并行的光纤传感探头6；所述光电探测阵列与每个所述光纤耦合器3的输出端口级联。
每个所述光纤耦合器3对应相应的光纤传感器4，每个所述光纤传感器4包括多个并行的光纤传感探头6组成，如图2所示；每个光纤传感器4分别对特定气体敏感，可以同时实现对多个气体的同时测量。实现方式为，每个所述光纤耦合器3对应的光纤传感探头6分别镀不同的金属和化学膜，每种膜只对某一特定的气体进行吸附，其中多个光纤传感器4和光纤耦合器3数量对应，可为2-32个(本实施例为4个)。
所述镀膜的光纤传感探头6为上扩拉锥的反射光纤椭球，带一个平整的反射端面，如图3所示，镀膜的光纤传感探头6的工作原理是将光纤上扩拉锥后，使包层光场与外界的交叠面积增大，同时增大了光纤端面与外界的接触面积，从而两方面增大了光纤传感探头6的灵敏度。
所述光纤传感探头6可以利用光纤玻璃球连接单模光纤实现，或利用空心光子晶体光纤实现，或利用普通光纤熔融上拉锥实现。
在椭球形端面上镀特定的金属和化学膜，使其仅对某一种气体具有吸附和解析作用，膜的折射率随着特定气体浓度的变化而变化，从而导致包层光场和端面反射回的光场的损耗变化，进而改变光功率。所述光纤传感探头6所镀为半反射和半透射膜，膜层厚度控制在50-100nm之间。
预留一个光纤传感器4的光纤传感探头6不镀膜，直接用于对外界液体折射率的测量，这样系统实现对多种气体和液体折射率的同时测量和检测。本申请实施例3个光纤传感器4分别对硫化氢，二氧化氮，氢气敏感，另一个光纤传感器4对液体折射率进行测量。
每个所述光纤耦合器3对应的并行的光纤传感探头6的个数可为2-8个(本实施例为4个)，相对于连接单个光纤传感探头6，并行的多个光纤传感探头6极大的增加了外界气体或液体与光纤传感界面的感应面积，从而极大的增大了灵敏度，使得光纤传感器4灵敏度可以增大1倍以上。
所述宽带光源1可为自发辐射的LED型宽带光源或者具有较宽3dB带宽的激光光源，本实施例选择LED型宽带光源，大幅降低了系统成本。
本发明的宽带光源1、光纤传感器4、传输介质都是通信波段的，价格低廉，同时便于组网。
本发明通过探测每个光纤耦合器3反射回光强的信息变化确定气体浓度的变化和液体折射率的变化。实现了宽带光源1和探测部分在长距离的同一侧，便于系统集成。系统的探测时间主要取决于本系统对外界液体折射率测量是实时的，但是对于外界气体浓度的检测时间，取决于膜材料对外界气体的作用时间，一般在分钟量级。
长距离级联光纤，光纤传感探头6和光纤耦合器3之间利用长距离的通信用单模光纤进行连接，该连接光纤具有损耗低，不容易受到外界的影响，因此可以很好的远距离传输传感信号，从而避免了污染区对测量人员的污染和伤害。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.用于多种气体折射率检测的并行远距离光纤传感系统，其特征在于：包括宽带光源、光纤分束器、光纤耦合器、光纤传感器和光电探测阵列，所述宽带光源连接光纤分束器的输入口，所述光纤分束器的输出分支和多个所述光纤耦合器的输入端口级联，每个所述光纤耦合器连接一个光纤传感器，每个所述光纤传感器包括多个并行的光纤传感探头；所述光电探测阵列与每个所述光纤耦合器的输出端口级联；多个所述光纤耦合器对应的光纤传感探头分别镀不同的金属和或化学膜，每种镀膜只对某一特定的气体进行吸附。
2.根据权利要求1所述的用于多种气体折射率检测的并行远距离光纤传感系统，其特征在于：镀膜的所述光纤传感探头为上扩拉锥的反射光纤椭球，带一个平整的反射端面。
3.根据权利要求1或2所述的用于多种气体折射率检测的并行远距离光纤传感系统，其特征在于：所述光纤传感探头所镀为半反射和半透射膜，膜层厚度控制在50-100nm之间。
4.根据权利要求1所述的用于多种气体折射率检测的并行远距离光纤传感系统，其特征在于：其中一个光纤耦合器对应的光纤传感探头不镀膜。
5.根据权利要求1所述的用于多种气体折射率检测的并行远距离光纤传感系统，其特征在于：每个所述光纤耦合器级联的并行的光纤传感探头的个数可为2-8个。
6.根据权利要求1所述的用于多种气体折射率检测的并行远距离光纤传感系统，其特征在于：多个光纤传感器和光纤耦合器数量对应，可为2-32个。
7.根据权利要求1所述的用于多种气体折射率检测的并行远距离光纤传感系统，其特征在于：所述宽带光源可为自发辐射的LED型宽带光源或者具有较宽3dB带宽的激光光源。
8.根据权利要求1所述的用于多种气体折射率检测的并行远距离光纤传感系统，其特征在于：级联时可以是多个光纤耦合器级联或者多个光纤分束器级联。
9.根据权利要求1所述的用于多种气体折射率检测的并行远距离光纤传感系统，其特征在于：所述光纤传感探头和光纤耦合器之间利用长距离的通信用单模光纤进行连接。
10.根据权利要求2所述的用于多种气体折射率检测的并行远距离光纤传感系统，其特征在于：所述光纤传感探头可以利用光纤玻璃球连接单模光纤实现，或利用空心光子晶体光纤实现，或利用普通光纤熔融上拉锥实现。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106706562A (zh) * | 2017-01-12 | 2017-05-24 | 天津大学 | 基于全光纤的气液混合测量装置及远程气液混合测量系统 |
| CN110644061A (zh) * | 2019-11-14 | 2020-01-03 | 广西立盛茧丝绸有限公司 | 一种自动选茧机 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6480638B1 (en) * | 1999-08-20 | 2002-11-12 | Empirical Technologies Corporation | Single mode fiber optic evanescent wave refractometer |
| CN102226763A (zh) * | 2011-04-08 | 2011-10-26 | 杭州恒川科技有限公司 | 一种基于awg的星状拓扑准分布式多点折射率传感系统 |
| CN103900991A (zh) * | 2013-12-17 | 2014-07-02 | 中国计量学院 | 一种基于表面等离子共振的折射率传感器 |
| CN204255844U (zh) * | 2014-12-11 | 2015-04-08 | 上海交通大学 | 多通道无标记生物传感光纤系统 |
| CN204359686U (zh) * | 2014-12-15 | 2015-05-27 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于白光干涉绝对光程比较法的光纤预制棒折射率分布剖面测量装置 |
-
2015
- 2015-11-05 CN CN201510747435.7A patent/CN105372206B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6480638B1 (en) * | 1999-08-20 | 2002-11-12 | Empirical Technologies Corporation | Single mode fiber optic evanescent wave refractometer |
| CN102226763A (zh) * | 2011-04-08 | 2011-10-26 | 杭州恒川科技有限公司 | 一种基于awg的星状拓扑准分布式多点折射率传感系统 |
| CN103900991A (zh) * | 2013-12-17 | 2014-07-02 | 中国计量学院 | 一种基于表面等离子共振的折射率传感器 |
| CN204255844U (zh) * | 2014-12-11 | 2015-04-08 | 上海交通大学 | 多通道无标记生物传感光纤系统 |
| CN204359686U (zh) * | 2014-12-15 | 2015-05-27 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于白光干涉绝对光程比较法的光纤预制棒折射率分布剖面测量装置 |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106706562A (zh) * | 2017-01-12 | 2017-05-24 | 天津大学 | 基于全光纤的气液混合测量装置及远程气液混合测量系统 |
| CN110644061A (zh) * | 2019-11-14 | 2020-01-03 | 广西立盛茧丝绸有限公司 | 一种自动选茧机 |
| CN110644061B (zh) * | 2019-11-14 | 2021-09-10 | 广西立盛茧丝绸有限公司 | 一种自动选茧机 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105372206B (zh) | 2018-10-30 |
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