CN106323915A - 一种基于光纤m‑z干涉仪检测硫化氢气体的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于光纤M‑Z干涉仪检测硫化氢气体的装置，包括：激光器，用于产生激光光源；敏感光路结构，设置于激光器输出端，包括第一耦合器、充有硫化氢气体的气室、第二耦合器，气室内包括两路光路，一路为全光纤的参考传输臂光路，另一路为填充有对硫化氢气体敏感的有机化合物的V型槽和两端的光纤准直头构成的测量传输臂光路，激光光源经第一耦合器将光束分为两束光，一束光通过参考传输臂光路输出，另一束光通过测量传输臂光路输出，并都进入第二耦合器，输出三束光；信号处理模块，设置于第二耦合器输出端，用于根据第二耦合器输出的光束，进行光电信号转换，并利用相位解调算法计算得到硫化氢气体浓度，进而提高了测量灵敏度。

Description

一种基于光纤M-Z干涉仪检测硫化氢气体的装置

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于光纤M-Z干涉仪检测硫化氢气体的装置。

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、抗辐射性更好的优点。

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。

但是，现有采用的检测硫化氢气体的传感器结构比较复杂，操作专业性强，存在灵敏度不高的技术问题。

发明内容

本发明实施例通过提供一种基于光纤M-Z干涉仪检测硫化氢气体的装置，解决了现有采用的检测硫化氢气体的传感器结构比较复杂，操作专业性强，存在灵敏度不高的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于光纤M-Z干涉仪检测硫化氢气体的装置，包括：

激光器，用于产生激光光源；

敏感光路结构，设置于激光器输出端，包括第一耦合器、充有硫化氢气体的气室、第二耦合器，气室内包括两路光路，一路为全光纤的参考传输臂光路，另一路为填充有对硫化氢气体敏感的有机化合物的V型槽和两端的光纤准直头构成的测量传输臂光路，激光光源经第一耦合器将光束分为两束光，一束光通过参考传输臂光路输出，另一束光通过测量传输臂光路输出，并都进入第二耦合器，输出三束光；

信号处理模块，设置于第二耦合器输出端，用于根据第二耦合器输出的光束，进行光电信号转换，并利用相位解调算法计算得到硫化氢气体浓度。

进一步地，所述V型槽内设置有外径与光纤准直头直径相同且内径与光纤相同的玻璃毛细管，用于传输激光光源，在所述玻璃毛细管内填充有对硫化氢气体敏感的有机化合物。

进一步地，信号处理器模块包括光探测器、放大器、A/D采样模块以及嵌入式计算机，光探测器用于将第二耦合器输出的光转换成电信号，通过放大器放大、A/D采样模块采样后，输入嵌入式计算机处理，嵌入式计算机利用相位解调算法计算得到硫化氢气体浓度。

进一步地，所述对硫化氢气体敏感的有机化合物具体为：在PMMA溶液中加入有聚乙烯亚胺PEI和丙酮配置成的混合液注入毛细管而制成的聚合物光纤。

进一步地，所述嵌入式计算机用于利用相位解调算法获得光信号的相位差变化量，并根据所述相位差变化量，获得硫化氢气体的折射率变化量，从而根据所述硫化氢气体的折射率变化量获得硫化氢气体的浓度。

采用本发明中的一个或者多个技术方案，具有如下有益效果：

1、采用将硫化氢气体敏感有机聚合物充入毛细管中的方法代替传统的将敏感材料涂覆在光纤上的做法，使得硫化氢对传输光的作用更明显，灵敏度更高。

2、采用新的有机聚合物材料聚乙烯亚胺作为敏感材料，具有抗干扰性好、硫化氢气体敏感系数高、损耗低、价格低廉等优点。

附图说明

图1为本发明实施例中基于光纤M-Z干涉仪检测硫化氢气体的装置的模块示意图；

图2为本发明实施例中测量传输臂光路的结构示意图；

图3为本发明实施例中硫化氢气室结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例通过提供一种基于光纤M-Z干涉仪检测硫化氢气体的装置，解决了现有采用的检测硫化氢气体的传感器结构比较复杂，操作专业性强，存在灵敏度不高的技术问题。

为了解决上述技术问题，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对本发明的技术方案进行详细的说明。

本发明实施例提供了一种基于光纤M-Z干涉仪检测硫化氢气体的装置，如图1所示，包括：激光器10、敏感光路结构、信号处理模块，具体地，该激光器10用于产生激光光源，敏感电路结构设置于激光器10输出端，包括第一耦合器201、充有硫化氢气体的气室、第二耦合器202，该气室包括两路光路，一路为全光纤的参考传输臂光路203，另一路为测量传输臂光路204，如图2所示，该测量传输臂光路204包括V型槽2041和该V型槽2041两端的光纤准直头2042构成，具体的，该V型槽内设置有外径与光纤准直头2042直径相同且内径与光纤相同的玻璃毛细管2043，该玻璃毛细管2043用于传输激光光源，在玻璃毛细管2043内填充有对硫化氢气体敏感的有机化合物。当激光光源经第一耦合器201将光束分为两束光，一束光通过参考传输臂光路输出，另一束光通过测量传输臂光路输出，并都进入第二耦合器，输出三束光。

在具体的实施方式中，该激光器10发出的激光光源采用相干性好的半导体光源，中心波长为1550nm，光源输出功率的稳定性对测量精度影响很大，为保证测量的精确度必须使用稳定性光源，该第一耦合器201为22耦合器，能够将一束激光1分成两束光3和4，且按照1:1分配，该分成的两束光中一束光3进入测量传输臂光路204，另一束光4进入参考传输臂光路203，然后输出光束5和7，进入第二耦合器202，该第二耦合器为33耦合器，能够输出3束光信号。由于参考传输臂光路203和测量传输臂光路204均置于硫化氢气室中，该气室中充有硫化氢气体，在该测量传输臂光路204中的V型槽内填充有对硫化氢气体敏感的有机聚合物，硫化氢气体与有机聚合物发生反应，导致折射率发生变化，使得传感光的相位发生变化，进而输出干涉光强发生变化。具体的气室结构示意图如图3所示。

该有机聚合物具体为，在PMMA溶液中加入聚乙烯亚胺PEI和丙酮配置成的混合液制成的薄膜，具体的制作过程为，调整该聚乙烯亚胺PRI的含量，然后，放置于高浓度硫化氢气室中，静置后扫描紫外透光光谱，并与未用硫化氢气体处理的薄膜紫外透光光谱相比较，从而得到硫化氢气体比较敏感的PMMA和PEI溶液比例，进而将配置好的溶液注入毛细管，固化后形成聚合物光纤。

光束由第二耦合器202输出之后，由该信号处理模块进行处理，具体，该信号处理模块根据该第二耦合器202输出的光束，利用相位解调算法计算得到硫化氢气体浓度。在通过相位解调算法计算获得硫化氢气体浓度之前，如图1所示，该信号处理模块包括有光探测器301、放大器、A/D采样模块302以及嵌入式计算机303，首先第二耦合器202输出的光束有光探测器301探测并将该光转换成电信号，然后，通过放大器放大、A/D采样模块302采样后，输入嵌入式计算机303处理，该嵌入式计算机利用相位解调算法计算得硫化氢气体浓度。具体如下：

由该第二耦合器输出端8、9、10输出的光束的功率分别为：

其中， 为信号，为噪声，A为直流项，B为输入光强。

分别对(1)、(2)、(3)微分后得到(4)、(5)、(6)

其中一个消除直流量的信号与另外两个微分信号之差相乘，即

(7)、(8)、(9)三式相加比上直流分量的平方和得到(10)

积分后即可得到滤波后就可以得到

其中k₀＝2π/λ，Δl为两臂差，为与初始值之差，由此得到Δn，Δn为折射率的改变量，而折射率的改变量对应于硫化氢气体的浓度，从而得到硫化氢气体的浓度。

通过上述的技术方案，能够获得操作简单的装置，灵敏度更高。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种基于光纤M-Z干涉仪检测硫化氢气体的装置，其特征在于，包括：

激光器，用于产生激光光源；

敏感光路结构，设置于激光器输出端，包括第一耦合器、充有硫化氢气体的气室、第二耦合器，气室内包括两路光路，一路为全光纤的参考传输臂光路，另一路为填充有对硫化氢气体敏感的有机化合物的V型槽和两端的光纤准直头构成的测量传输臂光路，激光光源经第一耦合器将光束分为两束光，一束光通过参考传输臂光路输出，另一束光通过测量传输臂光路输出，并都进入第二耦合器，输出三束光；

信号处理模块，设置于第二耦合器输出端，用于根据第二耦合器输出的光束，进行光电信号转化，并利用相位解调算法计算得到硫化氢气体浓度。

2.根据权利要求1所述的基于光纤M-Z干涉仪检测硫化氢气体的装置，其特征在于，所述V型槽内设置有外径与光纤准直头直径相同且内径与光纤相同的玻璃毛细管，用于传输激光光源，在所述玻璃毛细管内填充有对硫化氢气体敏感的有机化合物。

3.根据权利要求1所述的基于光纤M-Z干涉仪检测硫化氢气体的装置，其特征在于，信号处理器模块包括光探测器、放大器、A/D采样模块以及嵌入式计算机，光探测器用于将第二耦合器输出的光转换成电信号，通过放大器放大、A/D采样模块采样后，输入嵌入式计算机处理，嵌入式计算机利用相位解调算法计算得到硫化氢气体浓度。

4.根据权利要求1所述的基于光纤M-Z干涉仪检测硫化氢气体的装置，其特征在于，所述对硫化氢气体敏感的有机化合物具体为：在PMMA溶液中加入聚乙烯亚胺PEI和丙酮配置成的混合液注入毛细管而制成的聚合物光纤。

5.根据权利要求3所述的基于光纤M-Z干涉仪检测硫化氢气体的装置，其特征在于，所述嵌入式计算机用于利用相位解调算法获得光信号的相位差变化量，并根据所述相位差变化量，获得硫化氢气体的折射率变化量，从而根据所述硫化氢气体的折射率变化量获得硫化氢气体的浓度。