CN106248602A - 基于光纤f‑p干涉仪的硫化氢气体传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于光纤F‑P干涉仪的硫化氢气体传感装置。该测量装置采用光纤F‑P腔实现外界硫化氢气体浓度的感知，利用光纤准直器与填充硫化氢敏感有机聚合物材料的金属凹槽，形成一种光学F‑P腔。当外界硫化氢气体浓度的发生变化时，有机聚合物材料的折射率发生改变，使光纤F‑P腔中传输光波光程改变，导致其输出的干涉信号的光谱特性改变。通过对光纤F‑P腔的反射干涉信号光谱特性数据进行分析，即可精确地测量出硫化氢气体浓度的大小。本发明装置具有结构简单、微型化、高灵敏度、高精度、抗电磁干扰、本质安全等特点。

Description

基于光纤F-P干涉仪的硫化氢气体传感装置

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别是涉及一种基于光纤F-P干涉仪的硫化氢气体浓度传感装置。

背景技术

硫化氢是一种无色、剧毒、强酸性气体。低浓度硫化氢气体具有臭鸡蛋气味，燃烧时带蓝色火焰，并产生对眼和肺非常有害的二氧化硫气体。硫化氢气体不仅对人体的危害很大，对设备也有很强的腐蚀作用。因此对硫化氢气体的检测显得尤为重要。检测硫化氢气体的方法有很多，一般分为电化学的方法和光学传感器的方法。光学传感器相对于传统的电化学的方法具有更小的体积、质量更轻、抗干扰能力更强、抗辐射性更好的有点。

光学气体传感器的类型有很多，常用的是光谱吸收型、倏逝波型和折射率改变型等。光谱吸收型硫化氢气体传感器的原理是每种气体都有固有的光吸收谱线，当光源的发射谱与气体的吸收谱相吻合时，就会发生共振吸收，依据吸收量就可以测量出该气体的浓度。当半导体激光器发射出的激光束穿过硫化氢气体后，由光电探测器接收并进行检测。如果激光束的频率等于硫化氢分子的自然震动频率，硫化氢分子便会吸收入射光束的能量。通过检测这种吸收作用，就可以对硫化氢气体浓度进行测量。光谱吸收法的优点是检测范围广，很少受杂质影响，分析结果精确，而且绿色环保，有较大的发展空间。但缺点是仪器价格昂贵，操作方法专业性强，主要在专业的研究机构和检测机构应用较多。

倏逝场型气体传感器的基本原理是：光在波导中传播时存在以光轴为中心轴，向两侧迅速衰减的倏逝波。利用硫化氢气体作用影响倏逝波的衰减，进而影响波导输出光强度，检测其输出光强度的变化便可得到硫化氢气体的浓度。倏逝波型硫化氢气体传感器又可分为以下几种结构：D型光纤传感器、锥形光纤传感器、纤芯裸露型光纤传感器等。倏逝波光纤硫化氢传感器具有传感长度较长，结构简单，适合分布式及远距离测量等独特优点，但存在如何解决表面污染严重的问题，虽然可以用高分子隔离膜防止较大污染物进入倏逝场区域，但仍有一些与硫化氢气体分子体积相近的分子，同样可通过隔离膜进入倏逝场区域，从而影响传感器的灵敏度。

折射率改变型硫化氢气体传感器，它的原理是：利用某些材料的折射率对硫化氢气体敏感的特性，代替光纤包层涂覆于光纤表面，通过测量折射率变化所引起的光纤或者波导参数(有效折射率、双折射、或损耗等)的变化，该类传感器既可用光强检测，也可用干涉法来测量硫化氢气体的浓度。折射率改变型硫化氢气体传感器具有结构简单、成本低廉等特点，尤其是可采用相干测量来获得高灵敏度，具有极高的研究价值。目前首要的是解决其相关的镀膜技术以及防止膜层污染的方法。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种基于光纤F-P干涉仪的硫化氢气体传感装置，采用光纤F-P干涉仪来实现硫化氢气体浓度感知，利用光纤准直器和填充有硫化氢敏感有机聚合物材料的金属凹槽间隔一定距离，构成一个微型F-P腔。该F-P腔在受到外界硫化氢气体作用时，因有硫化氢敏感有机聚合物材料折射率改变，进而使光纤F-P干涉仪中传输光波的光程发生变化，并导致其干涉光谱特性发生变化。通过分析光纤F-P干涉仪的反射光谱特性数据，精确地测量出硫化氢气体的浓度针对硫化氢气体浓度的高精度测量。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于光纤F-P干涉仪的硫化氢气体传感装置，其特征在于，包括：传感装置包括光源模块、金属反射凹槽、光纤F-P腔结构、硫化氢敏感有机聚合物材料、光谱采集模块和信号处理模块；

所述光纤F-P腔结构包括光纤准直器、金属凹槽；所述的光纤准直器固定在支架上，所述金属凹槽上填充有硫化氢敏感材料，用以实现硫化氢气体浓度的高精度测量；

所述光纤环形器的第一端口与所述光源模块连接，第二端口与所述光纤F-P腔连接、第三端口所述光谱采集模块连接，所述光谱采集模块连接所述信号处理模块。

优选地，所述的硫化氢敏感有机聚合物材料，是在聚甲基丙烯酸甲酯PMMA溶液中分别加入聚乙烯亚胺PEI和丙酮配制成的混合液，并制成薄膜。

区别于现有技术的情况，本发明的有益效果是：

1、采用新的有机聚合物材料聚乙烯亚胺作为敏感材料，它具有抗干扰性好，敏感系数高、损耗低、本质安全、价格低廉、适合大规模生产等特点。

2、采用F-P腔干涉仪的方法相对于传统的电化学方法，具有响应速度更快，测量精度更高的优点，而且F-P干涉仪相对于M-Z干涉仪和其他干涉仪具有结构更简单，系统更稳定等优点，尤其是可以采用光反射信号进行测量，能组成单端测试系统，适合工程应用环境。

附图说明

图1、基于光纤F-P干涉仪的硫化氢气体传感测量装置示意图

图2、光纤F-P腔结构图

图中：31、单模光纤32、准直头33、金属凹槽34、有机聚合物35、硫化氢气室

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，是本发明实施例一种基于光纤F-P干涉仪的硫化氢气体传感测量装置示意图。本实施例的基于光纤F-P干涉仪的硫化氢气体传感测量装置包括光源模块1、光纤环形器2、光纤F-P腔结构3、光谱采集模块4和信号处理模块5。

光纤环形器2的第一端口D1与光源模块1连接、第二端口D2与光纤F-P腔结构3连接，第三端口D3与光谱采集模块4连接，光谱采集模块4连接处理模块5。在本实施例中，光源模块1采用了宽光谱的半导体光源，光谱采集模块4采用了光谱仪，信号处理模块5采用了嵌入式计算机，通过嵌入式计算机对光谱特性数据进行处理与分析。光纤F-P腔结构，采用了固定在五维调节架上的光纤准直器与置于其下方的金属凹槽，二者间隔在毫米量级，并且金属凹槽里填充了硫化氢敏感有机聚合物材料。

光源模块1用于向第一端口D1输出稳定光谱和功率的光信号，第二端口D2用于将光信号注入光纤F-P腔结构3，以使光纤F-P腔结构向第二端口D2反射光信号的干涉信号，第三端口D3用于向光谱采集模块4输出干涉信号，光谱采集模块4用于采集干涉信号的光谱特性数据，信号处理模块5用于根据光谱特性数据精确测量硫化氢气体浓度。

具体而言，如图2所示，是图1中光纤F-P腔3一种应用场景中的结构示意图。在该应用场景中，采用固定在五维调节架上的光纤准直器32，与置于其下方的金属凹槽33，间隔几个毫米，构成光纤F-P腔，其中金属凹槽内填充硫化氢敏感有机聚合物材料34。当硫化氢气体浓度发生改变时，光纤F-P腔中金属凹槽填充的有机聚合物材料折射率发生改变，从而使F-P腔长发生变化，使得F-P腔反射的干涉信号光谱特性发生改变。其中，F-P腔长满足关系式：

$h_1=\frac{{\mathrm{n\λ}}_k{\mathrm{\λ}}_{k-n}}{2\left|{\mathrm{\λ}}_{k-n}-{\mathrm{\λ}}_k\right|}---\left(1\right)$

其中，h1为腔长，λ_k、λ_k-n分别为第k和k-n次干涉级次。当硫化氢气体浓度改变时，有机聚合物材料的折射率发生改变，从而相同干涉级次所对应的波长发生改变，引起腔长的变化。在信号处理模块，利用嵌入式计算机对光谱数据进行处理与分析，得到腔长的变化，从而实现对硫化氢气体浓度的高精度测量。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于光纤F-P干涉仪的硫化氢气体传感装置，其特征在于，包括：传感装置包括光源模块、金属反射凹槽、光纤F-P腔结构、硫化氢敏感有机聚合物材料、光谱采集模块和信号处理模块；

所述光纤F-P腔结构包括光纤准直器、金属凹槽；所述的光纤准直器固定在支架上，所述的金属凹槽置于所述光纤准直器下方，所述金属凹槽上填充有硫化氢敏感材料，用以实现硫化氢气体浓度的高精度测量；

所述光纤环形器的第一端口与所述光源模块连接，第二端口与所述光纤F-P腔连接、第三端口所述光谱采集模块连接，所述光谱采集模块连接所述信号处理模块。

2.根据权利要求1所述的基于光纤F-P干涉仪的硫化氢气体传感装置，其特征在于：所述的硫化氢敏感有机聚合物材料，是在聚甲基丙烯酸甲酯PMMA溶液中分别加入聚乙烯亚胺PEI和丙酮配制成的混合液，并制成薄膜。

3.根据权利要求1所述的基于光纤F-P干涉仪的硫化氢气体传感装置，其特征在于：所述准直器与金属凹槽间隔在毫米量级，用以实现硫化氢气体浓度的高精度测量。