CN105699294B - 一种可实现多种气体浓度测量的微纳光学传感器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可实现多种气体浓度测量的微纳光学传感器系统，包括激光器，输入端通过单模光纤与激光器光输出端连接、用于将激光器输出的光分成两束完全相同的光信号的光纤分束器，输入端通过单模光纤与光纤分束器输出端连接、用于接收其中一束光信号并作为参比信号的光检测单元，以及输入端通过单模光纤与光纤分束器输出端连接、用于接收另一束光信号进行光学测量的微型集成传感器芯片；微型集成传感器芯片输出端与光检测单元输入端连接。本发明全部基于光波导传感原理进行测量，不仅抗干扰能力强、测量精度和灵敏度高、能实现远距离测量，能够测量多种气体组分浓度，而且其芯片部分尺寸微小，可用于狭小空间内的多种气体组分浓度的在线测量。

Description

一种可实现多种气体浓度测量的微纳光学传感器系统
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及的是一种可实现多种气体浓度测量的微纳光学传感器系统。
背景技术
目前，商用的气体传感器大多是半导体传感器或者电化学传感器，其输出的信号一般为电信号，尺寸一般为厘米级以上。由于输出的是电压或电流信号，往往受外界干扰大，导致传感器误差大、测量精度不高，因此在实际应用中还需要设计配套电路，例如I/V转换、前置放大电路等。而半导体气体传感器在测量之前往往还需要长时间的预热，才能保证较高的测量精度，并且响应速度较慢。
另外，对于多种气体浓度测量的微型集成传感器还非常少见，即使是已经开始商业化的微传感器（例如基于微机电系统（MEMS）技术）只能测量某一种气体参数，其输出信号仍以电信号为主，同样面临输出信号微弱、需要配套电路以及抗干扰性差等缺点。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种可实现多种气体浓度测量的微纳光学传感器系统，其可用于狭小空间内的多种气体组分浓度测量，并且具有尺寸小、测量精度和灵敏度高、抗干扰性强的优点。
为实现上述目的，本发明解决问题的技术方案如下：
一种可实现多种气体浓度测量的微纳光学传感器系统，包括激光器，输入端通过单模光纤与激光器光输出端连接、用于将激光器输出的光分成两束完全相同的光信号的光纤分束器，输入端通过单模光纤与光纤分数器输出端连接、用于接收其中一束光信号并作为参比信号的光检测单元，以及输入端通过单模光纤与光纤分数器输出端连接、用于接收另一束光信号进行光学测量的微型集成传感器芯片；所述微型集成传感器芯片输出端与光检测单元输入端连接。
作为优选，所述光纤分束器为3dB光纤分束器。
具体地说，所述微型集成传感器芯片包括第一波导-光纤耦合器、第一波分复用器、光学传感器组、第二波分复用器和第二波导-光纤耦合器；所述第一波导-光纤耦合器输入端与光纤分束器输出端连接，用于将单模光纤传输中的光能量耦合到第一波分复用器的光波导中，并激发相应的波导模式；所述第一波分复用器输出端与光学传感器组连接，用于将输入波导中的波导模式进行解复用，分解成多个不同波长的单色光信号；所述光学传感器组通过光波导与第二波分复用器输入端连接，用于对多种待测参数进行响应，并输出多条不同波长的光波导模式；所述第二波导-光纤耦合器输入端通过光波导与第二波分复用器输出端连接，用于将输入的光波导模式进行复合；所述第二波导-光纤耦合器输出端与光检测单元输入端连接，用于将光波导中传输的波导模式耦合到单模光纤中，并使输出的光信号传输到光检测单元中。
进一步地，所述光学传感器组由n个并联的光学传感器组成，n>1。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明结构合理、设计巧妙，其通过设置激光器、光纤分束器、微型集成传感器芯片和光检测单元，并且微型集成传感器芯片与光源和光检测单元之间均采用单模光纤通信，因而利用各个部件的相互配合，在无需额外设计配套电路的条件下，便可实现气体多种待测参数的测量。本发明整个传感器系统全部基于光波导传感原理，且集成了多信号通道的光学检测，因而具有使用方便、尺寸小（微型集成传感器芯片尺寸仅有数百微米）、多信号在线测量、抗干扰能力强（例如机械振动、电磁干扰等）、可远程测量、测量精度和灵敏度高等显著优点，可以在特殊场合获得重要应用（例如尺寸狭小的密闭容器、某些危险场所以及空间中气体/液体的相关参数测量）。
附图说明
图1为本发明的系统框图。
其中，附图标记对应的名称为：
1-激光器，2-光纤分束器，3-微型集成传感器芯片，4-第一波导-光纤耦合器，5-第一波分复用器，6-光学传感器，7-第二波分复用器，8-第二波导-光纤耦合器，9-光检测单元。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
如图1所示，本发明提供了一种微纳光学传感器系统，可用于狭小空间内的多种气体组分浓度测量。本发明包括激光器1、光纤分束器2、微型集成传感器芯片3以及光检测单元9，其中，激光器1、光纤分束器2和微型集成传感器芯片3通过单模光纤依次连接，而光检测单元9则通过单模光纤同时与光纤分束器2和微型集成传感器芯片3连接。
所述的激光器1用于作为本发明传感系统的光源，输出一定波长范围内的光到单模光纤中，单模光纤对接收的激光信号进行传输，其采用目前光通信所用的标准单模光纤。传输的光信号进入到光纤分束器2中，由该光纤分束器2进行光纤分束，将输入光纤的光信号分束成完全相同的两束光信号。本实施例中，该光纤分束器2为3dB光纤分束器。
所述的微型集成传感器芯片用于接收分束出来的其中一束光信号，并测量出其中的多种参数。具体地说，该微型集成传感器芯片3是基于光波导传感原理工作，其采用了微纳加工技术制作而成，其中的主要部件包括依次连接的第一波导-光纤耦合器4、第一波分复用器5、光学传感器组、第二波分复用器7和第二波导-光纤耦合器8。
在上述组成微型集成传感器芯片的组件中，所述第一波导-光纤耦合器4用于将单模光纤传输中的光能量耦合到第一波分复用器的光波导中，并激发相应的波导模式。所述第一波分复用器5用于将输入波导中的波导模式进行解复用，分解成多个不同波长的单色光信号；所述光学传感器组用于对待测参数进行响应，并输出多条不同波长的光波导模式，本实施例中，该光学由多个并联的光学传感器6组成，每个传感器都是基于光波导传感原理，分别感知不同的外界参数变化，输入输出前后波长基本保持不变或者很小（在波分复用间距之内），采集到的传感信号由输出光波导模式传输（比如相位变化、能量变化等形式）。所述第二波分复用器7用于将输入的光波导模式进行复合。而所述第二波导-光纤耦合器8则用于将光波导中传输的波导模式耦合到单模光纤中，并使输出的光信号传输到光检测单元9中。光波导是微型集成传感器芯片3的光信号传输路径，在实际应用中，可以将微型集成传感芯片3放置在某一个空间中，由于尺寸微小，因而该空间可以十分狭小（例如某一精密产品的内部容器中）。
所述的光检测单元9用于接收另一束光信号，用作参比信号，并对传感信号光纤和参比信号光纤中的光信号进行分测量，得到各个波长下的光强变化，其测量结果可用其他设备进行记录和显示。
本发明的工作过程如下：
激光器1输出的光通过单模光纤传输到光纤分束器2，然后被分成完全相同的两束光信号，其中一束作为参比信号直接传输到光检测单元9中，另一束光信号传输到微型集成传感器芯片3中。
传输至微型集成传感器芯片3中的光信号经第一波导-光纤耦合器4（输入耦合器）耦合到芯片上的光波导中，并激发波导中的波导模式。由于激光器1发出的光是在一个光谱范围内的光信号，因此光纤和波导的光在传输过程中按各个波长形成了多个传输模式，并且各个模式之间互不影响。
波导中传输的光经过第一波分复用器5后分成多条不同波长传输的光波导，然后分别进入到光学传感器组的不同传感器中工作。各个传感器是并行检测的，可以各自对某一种待测参数进行响应，然后，各个传感器输出的光信号通过光波导传输到第二波分复用器7波分复用到一条光波导中，复合后的光波导中传输有不同波长下的波导模式，各模式之间互不干涉、耦合或串扰。最后，光波导中的波导模式经过第二波导-光纤耦合器8（输出耦合器）耦合到单模光纤中，然后再经过单模光纤传输到光检测单元9中。
光检测单元9对传感信号光纤和参比信号光纤中的光信号进行分测量，对比每一个波长下两种信号的光强，然后根据各个波长下的光强变化情况，便可计算出待测参数的强度。
本发明通过合理的结构及流程设计，不仅实现了传感器芯片的微型化，而且很好地实现了狭小空间内的多种气体组分浓度测量。本发明很好地突破了现有技术的限制，实现了重大创新，符合了科技发展的潮流，因此，本发明具有突出的实质性特点和显著的进步。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种可实现多种气体浓度测量的微纳光学传感器系统，其特征在于，包括激光器(1)，输入端通过单模光纤与激光器光输出端连接、用于将激光器输出的光分成两束完全相同的光信号的光纤分束器(2)，输入端通过单模光纤与光纤分束器(2)输出端连接、用于接收其中一束光信号并作为参比信号的光检测单元(9)，以及输入端通过单模光纤与光纤分束器(2)输出端连接、用于接收另一束光信号进行光学测量的微型集成传感器芯片(3)；所述微型集成传感器芯片(3)输出端与光检测单元(9)输入端连接；所述微型集成传感器芯片(3)包括第一波导-光纤耦合器(4)、第一波分复用器(5)、光学传感器组、第二波分复用器(7)和第二波导-光纤耦合器(8)；所述第一波导-光纤耦合器(4)输入端与光纤分束器(2)输出端连接，用于将单模光纤传输中的光能量耦合到第一波分复用器的光波导中，并激发相应的波导模式；所述第一波分复用器(5)输出端与光学传感器组连接，用于将输入波导中的波导模式进行解复用，分解成多个不同波长的单色光信号；所述光学传感器组通过光波导与第二波分复用器(7)输入端连接，用于对多种待测参数进行响应，并输出多条不同波长的光波导模式；所述第二波导-光纤耦合器(8)输入端通过光波导与第二波分复用器(7)输出端连接，用于将输入的光波导模式进行复合；所述第二波导-光纤耦合器(8)输出端与光检测单元(9)输入端连接，用于将光波导中传输的波导模式耦合到单模光纤中，并使输出的光信号传输到光检测单元中。
2.根据权利要求1所述的一种可实现多种气体浓度测量的微纳光学传感器系统，其特征在于，所述光纤分束器(2)为3dB光纤分束器。
3.根据权利要求2所述的一种可实现多种气体浓度测量的微纳光学传感器系统，其特征在于，所述光学传感器组由n个并联的光学传感器(6)组成，n>1。
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