CN106908389B - 气体传感器及用于检测氟化氢气体浓度变化的方法 - Google Patents
气体传感器及用于检测氟化氢气体浓度变化的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN106908389B CN106908389B CN201710158530.2A CN201710158530A CN106908389B CN 106908389 B CN106908389 B CN 106908389B CN 201710158530 A CN201710158530 A CN 201710158530A CN 106908389 B CN106908389 B CN 106908389B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- coupler
- hollow
- cavity
- core fiber
- hydrogen fluoride
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 78
- 229910000040 hydrogen fluoride Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 78
- 239000007789 gas Substances 0.000 title claims abstract description 72
- 230000008859 change Effects 0.000 title claims abstract description 28
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 27
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 121
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 13
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 12
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 10
- 238000003466 welding Methods 0.000 claims description 9
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 claims description 8
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 8
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 8
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 8
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 6
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 6
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims description 6
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims description 4
- 210000001367 artery Anatomy 0.000 claims description 3
- 210000003462 vein Anatomy 0.000 claims description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 2
- 238000000180 cavity ring-down spectroscopy Methods 0.000 abstract description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 abstract description 2
- 238000000985 reflectance spectrum Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 3
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 229910018503 SF6 Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- SFZCNBIFKDRMGX-UHFFFAOYSA-N sulfur hexafluoride Chemical compound FS(F)(F)(F)(F)F SFZCNBIFKDRMGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229960000909 sulfur hexafluoride Drugs 0.000 description 1
- 230000002463 transducing effect Effects 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明提供了一种气体传感器及用于检测氟化氢气体浓度变化的方法。气体传感器包括第一激光器、第二激光器、偏振器、电光调制器、第一隔离器、第一EDFA、第二隔离器、第一滤波器、F‑P腔、环形器、第一耦合器、第二耦合器、第二EDFA、第二滤波器、第三耦合器和探测器。其中，第一耦合器、第二耦合器、环形器、F‑P腔、第二EDFA、第二滤波器和第三耦合器构成环形腔。F‑P腔的空芯光纤纤芯内充有待测的氟化氢气体。通过测量脉冲信号光的衰荡时间变化，能够得到氟化氢气体浓度的变化。本发明将空芯光纤光热技术、F‑P腔干涉技术与环形腔衰荡光谱技术相结合，提高了被测气体的探测灵敏度，降低了光源起伏对测量结果的影响。
Description
技术领域
本发明涉及光纤气体传感技术，尤其涉及一种气体传感器及用于检测氟化氢气体浓度变化的方法。
背景技术
氟化氢是配电设备中绝缘介质六氟化硫的主要分解物之一。通常采用空间光谱吸收法进行测量，为了提高灵敏度需要大体积气室，导致仪器体积庞大，难以实现在线检测。
发明内容
在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
鉴于此，本发明提供了一种气体传感器及用于检测氟化氢气体浓度变化的方法，以至少解决现有氟化氢检测技术存在仪器体积庞大、难以实现在线检测的问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种基于空芯光纤光热、F-P腔和环形衰荡腔的气体传感器，气体传感器包括第一激光器、第二激光器、偏振器、电光调制器、第一隔离器、第一EDFA、第二隔离器、第一滤波器、F-P腔、环形器、第一耦合器、第二耦合器、第二EDFA、第二滤波器、第三耦合器和探测器；第一耦合器和第二耦合器的分光比均为50：50，第三耦合器的分光比为1：99；F-P腔的空芯光纤纤芯内充有氟化氢气体；其中，第一耦合器、第二耦合器、环形器、F-P腔、第二EDFA、第二滤波器和第三耦合器构成环形腔；第二激光器的输出波长与氟化氢的吸收谱峰重合；第二激光器发出的泵浦光经第一EDFA、第二隔离器和第一滤波器后，再经第二耦合器的第一50％输入端和环形器后进入空芯光纤，并与空芯光纤内的氟化氢相互作用；第一激光器的输出波长与氟化氢的吸收谱最低处重合；第一激光器发出的信号光经偏振器和电光调制器后变为脉冲信号光；从电光调制器输出的脉冲信号光经第一隔离器后经第一耦合器的第一50％输入端和第二耦合器的第二50％输入端后进入环形腔，经环形器后进入F-P腔，并由F-P腔反射后经第二EDFA、第二滤波器后进入第三耦合器，经第三耦合器后的脉冲信号光分成两部分：从第三耦合器的99％输出端输出的脉冲信号光经第一耦合器的50％输入端后在环形腔内完成一次循环，而从第三耦合器的1％输出端输出的脉冲信号光由探测器接收。
进一步地，脉冲信号光的脉宽和周期以及环形腔的长度被设置成：使脉冲信号光在环形腔内循环一周所需的时间tr在脉冲信号光的脉宽的2-10倍范围内、且在脉冲信号光的周期的1/50-1/20范围内。
进一步地，F-P腔包括长度为第一预设长度的一段空芯光纤；该段空芯光纤的一端与第一单模光纤的一端相熔接，对应的熔接面作为第一反射面；该段空芯光纤的另一端与第二单模光纤的一端相熔接，对应的熔接面作为第二反射面；在空芯光纤的侧面上距离第一反射面第一距离处开有第一孔，第一孔使得空芯光纤内纤芯与外界连通；在空芯光纤的侧面上距离第二反射面第二距离处开有第二孔，第二孔使得空芯光纤内纤芯与外界连通。
进一步地，第一激光器和泵浦激光器均为DFB激光器。
根据本发明的另一方面，还提供了一种用于检测氟化氢气体浓度变化的方法，该方法利用上文所述的基于空芯光纤光热、F-P腔和环形衰荡腔的气体传感器实现，基于空芯光纤光热、F-P腔和环形衰荡腔的气体传感器包括第一激光器、第二激光器、偏振器、电光调制器、第一隔离器、第一EDFA、第二隔离器、第一滤波器、F-P腔、环形器、第一耦合器、第二耦合器、第二EDFA、第二滤波器、第三耦合器和探测器；第一耦合器和第二耦合器的分光比均为50：50，第三耦合器的分光比为1：99；F-P腔的空芯光纤纤芯内充有氟化氢气体；其中，第一耦合器、第二耦合器、环形器、F-P腔、第二EDFA、第二滤波器和第三耦合器构成环形腔；第二激光器的输出波长与氟化氢的吸收谱峰重合；第二激光器发出的泵浦光经第一EDFA、第二隔离器和第一滤波器后，再经第二耦合器的第一50％输入端和环形器后进入空芯光纤，并与空芯光纤内的氟化氢相互作用；第一激光器的输出波长与氟化氢的吸收谱最低处重合；第一激光器发出的信号光经偏振器和电光调制器后变为脉冲信号光；从电光调制器输出的脉冲信号光经第一隔离器后经第一耦合器的第一50％输入端和第二耦合器的第二50％输入端后进入环形腔，经环形器后进入F-P腔，并由F-P腔反射后经第二EDFA、第二滤波器后进入第三耦合器，经第三耦合器后的脉冲信号光分成两部分：从第三耦合器的99％输出端输出的脉冲信号光经第一耦合器的50％输入端后在环形腔内完成一次循环，而从第三耦合器的1％输出端输出的脉冲信号光由探测器接收；用于检测氟化氢气体浓度变化的方法包括：获得探测器16相邻两次接收到脉冲信号光之间的时间差，将该时间差作为脉冲信号光在环形腔中传输一圈所用的时间tr；获得探测器16所接收的脉冲信号光的衰荡时间的变化量Δτ；根据下式计算空芯光纤内氟化氢气体浓度的变化量ΔC：
其中，k为预设常数，α为氟化氢对泵浦光的吸收系数，l为空芯光纤的长度，P为空芯光纤内泵浦光的平均功率。
进一步地，脉冲信号光的脉宽和周期以及环形腔1的长度被设置成：使脉冲信号光在环形腔1内循环一周所需的时间tr在脉冲信号光的脉宽的2-10倍范围内、且在脉冲信号光的周期的1/50-1/20范围内。
本发明的基于空芯光纤光热、F-P腔和环形衰荡腔的气体传感器及用于检测氟化氢气体浓度变化的方法，将空芯光纤光热技术、F-P腔干涉技术与环形腔衰荡光谱技术相结合，其中，环形腔由第一耦合器、第二耦合器、环形器、F-P腔、第二EDFA、第二滤波器和第三耦合器构成，F-P腔空芯光纤的纤芯内充有氟化氢气体。泵浦激光器输出波长与氟化氢的吸收谱峰重合，使得泵浦光经第一EDFA、第二隔离器和第一滤波器后，再经第二耦合器和环形器后进入空芯光纤，并与空芯光纤内的氟化氢相互作用。氟化氢吸收泵浦光后温度增加，导致F-P腔的光程增大，进而导致F-P腔的反射谱变化。氟化氢的浓度越高，F-P腔的反射谱变化越大。
如上所述，通过将空芯光纤光热技术、F-P腔干涉技术以及光纤环形腔衰荡光谱技术相结合，大大提高了被测气体的探测灵敏度，降低了光源起伏对测量结果的影响。其中，信号光经F-P腔产生干涉，干涉后信号光的光强随F-P腔光程的变化而变化，导致环形腔的损耗和衰荡时间变化。空芯光纤内氟化氢浓度决定F-P腔光程的变化，可通过测量环形腔的衰荡时间来获得氟化氢的浓度。
相比于现有技术，本发明的基于空芯光纤光热、F-P腔和环形衰荡腔的气体传感器及用于检测氟化氢气体浓度变化的方法，采用空芯光纤作为气室，即实现了被测气体的长距离吸收和在线检测，又实现了气室的小型化。
此外，本发明的基于空芯光纤光热、F-P腔和环形衰荡腔的气体传感器及用于检测氟化氢气体浓度变化的方法，避免了基于法拉第效应电流传感器的双折射问题，解决了基于超磁致伸缩材料电流传感器磁滞回线的问题。本发明的双锥形导磁回路，使被测导线产生的磁场汇聚到传感头上，大大提高了传感头处电流到磁场的转化效率及电流测量灵敏度。
通过以下结合附图对本发明的最佳实施例的详细说明，本发明的这些以及其他优点将更加明显。
附图说明
本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。在附图中：
图1是示意性地示出本发明的基于空芯光纤光热、F-P腔和环形衰荡腔的气体传感器的一个示例的结构图；
图2是示出光纤微腔传感头结构的一个示例的示意图；
图3是探测器接收到的脉冲光信号的衰荡时间示意图。
本领域技术人员应当理解，附图中的元件仅仅是为了简单和清楚起见而示出的，而且不一定是按比例绘制的。例如，附图中某些元件的尺寸可能相对于其他元件放大了，以便有助于提高对本发明实施例的理解。
具体实施方式
在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
本发明的实施例提供了一种基于空芯光纤光热、F-P腔和环形衰荡腔的气体传感器，气体传感器包括第一激光器、第二激光器、偏振器、电光调制器、第一隔离器、第一EDFA、第二隔离器、第一滤波器、F-P腔、环形器、第一耦合器、第二耦合器、第二EDFA、第二滤波器、第三耦合器和探测器；第一耦合器和第二耦合器的分光比均为50：50，第三耦合器的分光比为1：99；F-P腔的空芯光纤纤芯内充有氟化氢气体；其中，第一耦合器、第二耦合器、环形器、F-P腔、第二EDFA、第二滤波器和第三耦合器构成环形腔；第二激光器的输出波长与氟化氢的吸收谱峰重合；第二激光器发出的泵浦光经第一EDFA、第二隔离器和第一滤波器后，再经第二耦合器的第一50％输入端和环形器后进入空芯光纤，并与空芯光纤内的氟化氢相互作用；第一激光器的输出波长与氟化氢的吸收谱最低处重合；第一激光器发出的信号光经偏振器和电光调制器后变为脉冲信号光；从电光调制器输出的脉冲信号光经第一隔离器后经第一耦合器的第一50％输入端和第二耦合器的第二50％输入端后进入环形腔，经环形器后进入F-P腔，并由F-P腔反射后经第二EDFA、第二滤波器后进入第三耦合器，经第三耦合器后的脉冲信号光分成两部分：从第三耦合器的99％输出端输出的脉冲信号光经第一耦合器的50％输入端后在环形腔内完成一次循环，而从第三耦合器的1％输出端输出的脉冲信号光由探测器接收。
图1给出了本发明的基于空芯光纤光热、F-P腔和环形衰荡腔的气体传感器的一个示例的结构图。
如图1所示，在该示例中，基于空芯光纤光热、F-P腔和环形衰荡腔的气体传感器包括第一激光器1、第二激光器2、偏振器3、电光调制器4、第一隔离器5、第一EDFA 6、第二隔离器7、第一滤波器8、F-P腔9、环形器10、第一耦合器11、第二耦合器12、第二EDFA 13、第二滤波器14、第三耦合器15和探测器16。
其中，第一耦合器11和第二耦合器12的分光比均为50：50，而第三耦合器15的分光比为1：99。
F-P腔9例如可以具有如图2所示的结构，也即，F-P腔9可以包括长度为第一预设长度(如5mm－10m)的一段空芯光纤，该段空芯光纤的一端与一段单模光纤(如图2中的第一单模光纤)的一端相熔接(该熔接面作为第一反射面)，该段空芯光纤的另一端与另一段单模光纤(如图2中的第二单模光纤)的一端相熔接(该熔接面作为第二反射面)。在空芯光纤的侧面上距离第一反射面第一距离(如2mm－3mm)处开有第一孔(如图2中的孔A，例如可通过飞秒激光打此孔)，第一孔使得空芯光纤内纤芯与外界连通。此外，在空芯光纤的侧面上距离第二反射面第二距离(如2mm－3mm)处开有第二孔(如图2中的孔B，例如可通过飞秒激光打此孔)，第二孔使得空芯光纤内纤芯与外界连通。其中，第一孔和第二孔所在侧面可以不同，如图2所示，第一孔在空芯光纤图中的上侧，而第二孔在空芯光纤图中的下侧。F-P腔9的空芯光纤纤芯内充有氟化氢气体。采用如图2所示的结构，实现了被测气体的长距离吸收和在线检测，又实现了气室的小型化。
F-P腔的制作流程如下：如图2所示的光纤微腔传感头所示，首先将普通单模光纤与空芯光纤熔接放电的强度是正常情况下熔接两根普通单模光纤强度相同；然后以熔接点为起点截取长度在5mm－10m之间的一段空芯光纤，将此段空芯光纤的自由端与普通单模熔接(空芯光纤的外径与普通光纤尺寸相同，为125um)，是正常情况下熔接两根普通单模光纤强度相同，这样两单模光纤之间的第一反射面(熔接面)和第二反射面(熔接面)就构成了F-P腔；然后在距离两反射面各2mm－3mm处的空芯光纤的侧面上各开一小孔(可飞秒激光打此孔)，使其与空芯光纤的空芯相连通；被测气体通过此两孔进入空芯光纤。
在图1中，第一耦合器11、第二耦合器12、环形器10、F-P腔9、第二EDFA 13、第二滤波器14和第三耦合器15构成环形腔。
第二激光器2例如为DFB激光器，其输出波长与氟化氢的吸收谱峰重合，以使泵浦光能够尽量多地被氟化氢吸收(即使得氟化氢对泵浦光的吸收率最大化)。第二激光器6发出的泵浦光经第一EDFA6、第二隔离器7和第一滤波器8后，再经第二耦合器12的第一50％输入端和环形器10后进入空芯光纤，并与空芯光纤内的氟化氢相互作用。氟化氢吸收泵浦光后温度增加，导致F-P腔9的光程增大，进而导致F-P腔9的反射谱变化。氟化氢的浓度越高，F-P腔9的反射谱变化越大。
第一激光器1例如为DFB激光器，其输出波长与氟化氢的吸收谱最低处重合，以使得信号光能够尽可能不被氟化氢所吸收(即使得氟化氢对信号光的吸收率最小化)。第一激光器1发出的信号光经偏振器3和电光调制器4后变为脉冲信号光；从电光调制器4输出的脉冲信号光经第一隔离器5后经第一耦合器11的第一50％输入端和第二耦合器12的第二50％输入端后进入环形腔10，经环形器10后进入F-P腔9，并由F-P腔9反射后经环形器10、第二EDFA 13、第二滤波器14后进入第三耦合器15，经第三耦合器15后的脉冲信号光分成两部分：从第三耦合器15的99％输出端输出的脉冲信号光经第一耦合器11的50％输入端后在环形腔内完成一次循环，而从第三耦合器15的1％输出端输出的脉冲信号光由光电探测器(即探测器16)接收。脉冲信号光在环形腔内多次循环衰减，因此光电探测器接收的信号光为衰荡的脉冲信号。
信号光经F-P腔9产生干涉，干涉后信号光的光强随F-P腔9光程的变化而变化，导致环形腔的损耗和衰荡时间变化。空芯光纤内氟化氢浓度决定F-P腔光程的变化，可通过测量环形腔的衰荡时间来获得氟化氢的浓度。
其中，上述“从第三耦合器15的99％输出端输出的脉冲信号光经第一耦合器11的50％输入端后在环形腔内完成一次循环”的这部分脉冲信号光通过第一耦合器11的50％输入端后继续在环形腔中进行下一次循环，依旧经第二耦合器12的第二50％输入端后进入环形腔10，经环形器10后进入F-P腔9，并由F-P腔9反射后经环形器10、第二EDFA 13、第二滤波器14后进入第三耦合器15，经第三耦合器15后依旧分为两部分，即被探测器16接收的部分(从第三耦合器15的1％输出端输出)和继续在环形腔中进行下一次循环的部分(从第三耦合器15的99％输出端输出)；依此类推，脉冲信号光在环形腔内多次循环衰减，同样使得探测器16接收的信号光为衰荡的脉冲信号。
第二滤波器14的作用是过滤掉残余的泵浦光。
根据一个实现方式，通过控制脉冲信号光的脉宽和周期以及环形腔的长度，使脉冲信号光在环形衰荡腔(即环形腔)内循环一周所需的时间tr为脉冲光脉宽的2-10倍、且是脉冲光周期的1/50-1/20。也就是说，将脉冲信号光的脉宽记为WS，将脉冲信号光的周期记为TS，则有：2WS≤tr≤10WS，且TS/50≤tr≤TS/20。
此外，本发明的实施例还提供了一种用于检测氟化氢气体浓度变化的方法，该方法利用上文所述的基于空芯光纤光热、F-P腔和环形衰荡腔的气体传感器实现，基于空芯光纤光热、F-P腔和环形衰荡腔的气体传感器包括第一激光器、第二激光器、偏振器、电光调制器、第一隔离器、第一EDFA、第二隔离器、第一滤波器、F-P腔、环形器、第一耦合器、第二耦合器、第二EDFA、第二滤波器、第三耦合器和探测器；第一耦合器和第二耦合器的分光比均为50：50，第三耦合器的分光比为1：99；F-P腔的空芯光纤纤芯内充有氟化氢气体；其中，第一耦合器、第二耦合器、环形器、F-P腔、第二EDFA、第二滤波器和第三耦合器构成环形腔；第二激光器的输出波长与氟化氢的吸收谱峰重合；第二激光器发出的泵浦光经第一EDFA、第二隔离器和第一滤波器后，再经第二耦合器的第一50％输入端和环形器后进入空芯光纤，并与空芯光纤内的氟化氢相互作用；第一激光器的输出波长与氟化氢的吸收谱最低处重合；第一激光器发出的信号光经偏振器和电光调制器后变为脉冲信号光；从电光调制器输出的脉冲信号光经第一隔离器后经第一耦合器的第一50％输入端和第二耦合器的第二50％输入端后进入环形腔，经环形器后进入F-P腔，并由F-P腔反射后经第二EDFA、第二滤波器后进入第三耦合器，经第三耦合器后的脉冲信号光分成两部分：从第三耦合器的99％输出端输出的脉冲信号光经第一耦合器的50％输入端后在环形腔内完成一次循环，而从第三耦合器的1％输出端输出的脉冲信号光由探测器接收；用于检测氟化氢气体浓度变化的方法包括：获得探测器16相邻两次接收到脉冲信号光之间的时间差，将该时间差作为脉冲信号光在环形腔中传输一圈所用的时间tr；获得探测器16所接收的脉冲信号光的衰荡时间的变化量；根据公式一计算空芯光纤内氟化氢气体浓度的变化量。
公式一：
Δτ为衰荡时间τ的变化量(衰荡时间τ定义为当光电探测器探测到的脉冲信号衰减到初始脉冲能量的1/e时所需要的时间)，此量可由探测器测得的脉冲衰荡信号计算获得；tr为光脉冲信号在环形腔中传输一圈所用的时间，此量可由探测器测得的脉冲衰荡信号计算获得；k为预设常数，可根据经验值来设定；ΔC为氟化氢气体浓度的变化量，此量为待测量；α为氟化氢对泵浦光的吸收系数，此量可测得；l为空芯光纤的长度(如范围为0.01m-10m)；P为空芯光纤内泵浦光的平均功率。基于公式一，由实验测得的脉冲衰荡时间的变化量Δτ，可计算获得氟化氢气体浓度的变化量ΔC。
本发明的用于检测氟化氢气体浓度变化的方法可以利用上文中结合图1和图2所描述的基于空芯光纤光热、F-P腔和环形衰荡腔的气体传感器实现，关于基于空芯光纤光热、F-P腔和环形衰荡腔的气体传感器的描述这里将省略。
如上文所述，打开第一激光器1和第二激光器2，使得二者开始工作，其中，第一激光器1输出的光作为信号光，而第二激光器2输出的光作为泵浦光。
第二激光器2的输出波长与氟化氢的吸收谱峰重合，泵浦光在经过第一EDFA 6、第二隔离器7、第一滤波器8、第二耦合器12和环形器10后进入F-P腔9的空芯光纤，并与空芯光纤内的氟化氢相互作用，使得部分泵浦光被氟化氢吸收。
第一激光器1的输出波长与氟化氢的吸收谱最低处重合，信号光在经过偏振器3和电光调制器4后变为脉冲信号光。
从电光调制器4输出的脉冲信号光经第一隔离器5后经第一耦合器11的第一50％输入端和第二耦合器12的第二50％输入端后进入环形腔，经环形器10后进入F-P腔，并由F-P腔反射后经第二EDFA 13、第二滤波器14后进入第三耦合器15，经第三耦合器15后的脉冲信号光分成两部分：从第三耦合器15的99％输出端输出的脉冲信号光经第一耦合器11的第二50％输入端后在环形腔内完成一次循环，而从第三耦合器15的1％输出端输出的脉冲信号光由探测器16接收。
利用以上气体传感器，可以测得探测器16每次接收到的脉冲信号光的脉冲能量，并可以得到探测器16每次接收到脉冲信号光时的接收时间。
获得探测器16相邻两次接收到脉冲信号光之间的时间差，将该时间差作为脉冲信号光在环形腔中传输一圈所用的时间tr。例如，探测器16首次接收到脉冲信号光时的接收时间为t1，而第二次接收到脉冲信号光时的接收时间为t2，则可以将t2-t1作为tr的值。
获得探测器16所接收的脉冲信号光的衰荡时间的变化量Δτ。图3是探测器接收到的脉冲光信号的衰荡时间示意图，其中，图3中tr为脉冲信号光在环形腔中传输一圈所用的时间。
如图3所示，将探测器16首次接收到的脉冲信号光的脉冲能量作为初始脉冲能量E0，探测器16接收到的脉冲信号光的脉冲能量从初始脉冲能量E0衰减到E0的1/e时所需的时间即为衰荡时间。这样，测得当前衰荡时间后，利用当前衰荡时间与参考衰荡时间之差，即可作为上述“探测器16所接收的脉冲信号光的衰荡时间的变化量Δτ”。
举例来说，在已知氟化氢气体浓度的情况下，测得探测器16所接收的脉冲信号光的衰荡时间τ1，作为参考衰荡时间，并将该条件下的氟化氢气体浓度作为参考浓度；在未知氟化氢气体浓度的情况下，测得探测器16所接收的脉冲信号光的衰荡时间τ2，作为上述“当前衰荡时间”，则此时得到的探测器16所接收的脉冲信号光的衰荡时间的变化量Δτ＝τ2-τ1。其中，上述参考浓度例如可以为0(即空芯光纤内未充入氟化氢)，也可以为非零值。
这样，根据公式一即可计算空芯光纤内氟化氢气体浓度的变化量ΔC。
例如，已知氟化氢气体浓度条件下的参考浓度为C1，而计算所得空芯光纤内氟化氢气体浓度的变化量ΔC，则可以得到当前空芯光纤内氟化氢气体浓度为C1+ΔC。
根据一个实现方式，脉冲信号光的脉宽和周期以及环形腔的长度可被设置成：使脉冲信号光在环形腔内循环一周所需的时间tr在脉冲信号光的脉宽的2-10倍范围内、且在脉冲信号光的周期的1/50-1/20范围内。
尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。
Claims (6)
1.基于空芯光纤光热、F-P腔和环形衰荡腔的气体传感器，其特征在于，所述气体传感器包括第一激光器（1）、第二激光器（2）、偏振器（3）、电光调制器（4）、第一隔离器（5）、第一EDFA（6）、第二隔离器（7）、第一滤波器（8）、F-P腔（9）、环形器（10）、第一耦合器（11）、第二耦合器（12）、第二EDFA （13）、第二滤波器（14）、第三耦合器（15）和探测器（16）；所述第一耦合器（11）和所述第二耦合器（12）的分光比均为50：50，所述第三耦合器（15）的分光比为1：99；F-P腔（9）的空芯光纤纤芯内充有氟化氢气体；
其中，第一耦合器（11）、第二耦合器（12）、环形器（10）、F-P腔（9）、第二EDFA（13）、第二滤波器（14）和第三耦合器（15）构成环形衰荡腔；
所述第二激光器（2）的输出波长与氟化氢的吸收谱峰重合；所述第二激光器（2）发出的泵浦光经所述第一EDFA（6）、所述第二隔离器（7）和所述第一滤波器（8）后，再经所述第二耦合器（12）的第一50%输入端和所述环形器（10）后进入所述空芯光纤，并与所述空芯光纤内的氟化氢相互作用；
所述第一激光器（1）的输出波长与氟化氢的吸收谱最低处重合；所述第一激光器（1）发出的信号光经所述偏振器（3）和所述电光调制器（4）后变为脉冲信号光; 从所述电光调制器（4）输出的脉冲信号光经所述第一隔离器（5）后经所述第一耦合器（11）的第一50%输入端和所述第二耦合器（12）的第二50%输入端后进入所述环形器（10），经所述环形器（10）后进入所述F-P腔（9），并由所述F-P腔（9）反射后经所述第二EDFA（13）、所述第二滤波器（14）后进入所述第三耦合器（15），经第三耦合器（15）后的脉冲信号光分成两部分：从所述第三耦合器（15）的99%输出端输出的脉冲信号光经所述第一耦合器（11）的50%输入端后在所述环形衰荡腔内完成一次循环，而从所述第三耦合器（15）的1%输出端输出的脉冲信号光由所述探测器（16）接收。
2.根据权利要求1所述的基于空芯光纤光热、F-P腔和环形衰荡腔的气体传感器，其特征在于，所述脉冲信号光的脉宽和周期以及所述环形衰荡腔的长度被设置成：使所述脉冲信号光在所述环形衰荡腔内循环一周所需的时间tr在所述脉冲信号光的脉宽的2-10倍范围内、且在所述脉冲信号光的周期的1/50-1/20范围内。
3.根据权利要求1或2所述的基于空芯光纤光热、F-P腔和环形衰荡腔的气体传感器，其特征在于，所述F-P腔包括长度为第一预设长度的一段空芯光纤；该段空芯光纤的一端与第一单模光纤的一端相熔接，对应的熔接面作为第一反射面；该段空芯光纤的另一端与第二单模光纤的一端相熔接，对应的熔接面作为第二反射面；在所述空芯光纤的侧面上距离所述第一反射面第一距离处开有第一孔，所述第一孔使得空芯光纤内纤芯与外界连通；在所述空芯光纤的侧面上距离所述第二反射面第二距离处开有第二孔，所述第二孔使得空芯光纤内纤芯与外界连通。
4.根据权利要求1或2所述的基于空芯光纤光热、F-P腔和环形衰荡腔的气体传感器，其特征在于，所述第一激光器（1）和所述第二激光器（2）均为DFB激光器。
5.用于检测氟化氢气体浓度变化的方法，其特征在于，该方法利用基于空芯光纤光热、F-P腔和环形衰荡腔的气体传感器实现， 所述基于空芯光纤光热、F-P腔和环形衰荡腔的气体传感器包括第一激光器（1）、第二激光器（2）、偏振器（3）、电光调制器（4）、第一隔离器（5）、第一EDFA（6）、第二隔离器（7）、第一滤波器（8）、F-P腔（9）、环形器（10）、第一耦合器（11）、第二耦合器（12）、第二EDFA （13）、第二滤波器（14）、第三耦合器（15）和探测器（16）；所述第一耦合器（11）和所述第二耦合器（12）的分光比均为50：50，所述第三耦合器（15）的分光比为1：99；F-P腔（9）的空芯光纤纤芯内充有氟化氢气体；其中，第一耦合器（11）、第二耦合器（12）、环形器（10）、F-P腔（9）、第二EDFA（13）、第二滤波器（14）和第三耦合器（15）构成环形衰荡腔；所述第二激光器（2）的输出波长与氟化氢的吸收谱峰重合；所述第二激光器（2）发出的泵浦光经所述第一EDFA（6）、所述第二隔离器（7）和所述第一滤波器（8）后，再经所述第二耦合器（12）的第一50%输入端和所述环形器（10）后进入所述空芯光纤，并与所述空芯光纤内的氟化氢相互作用；所述第一激光器（1）的输出波长与氟化氢的吸收谱最低处重合；所述第一激光器（1）发出的信号光经所述偏振器（3）和所述电光调制器（4）后变为脉冲信号光; 从所述电光调制器（4）输出的脉冲信号光经所述第一隔离器（5）后经所述第一耦合器（11）的第一50%输入端和所述第二耦合器（12）的第二50%输入端后进入所述环形器（10），经所述环形器（10）后进入所述F-P腔（9），并由所述F-P腔（9）反射后经所述第二EDFA（13）、所述第二滤波器（14）后进入所述第三耦合器（15），经第三耦合器（15）后的脉冲信号光分成两部分：从所述第三耦合器（15）的99%输出端输出的脉冲信号光经所述第一耦合器（11）的50%输入端后在所述环形衰荡腔内完成一次循环，而从所述第三耦合器（15）的1%输出端输出的脉冲信号光由所述探测器（16）接收；
所述用于检测氟化氢气体浓度变化的方法包括：
获得所述探测器（16）相邻两次接收到脉冲信号光之间的时间差，将该时间差作为脉冲信号光在所述环形衰荡腔中传输一圈所用的时间；
获得所述探测器（16）所接收的脉冲信号光的衰荡时间的变化量；
根据下式计算所述空芯光纤内氟化氢气体浓度的变化量：
[01]，
其中，为预设常数，为氟化氢对泵浦光的吸收系数，为空芯光纤的长度，为空芯光纤内泵浦光的平均功率。
6.根据权利要求5所述的用于检测氟化氢气体浓度变化的方法，其特征在于，脉冲信号光的脉宽和周期以及环形衰荡腔的长度被设置成：使脉冲信号光在环形衰荡腔内循环一周所需的时间tr在脉冲信号光的脉宽的2-10倍范围内、且在脉冲信号光的周期的1/50-1/20范围内。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710158530.2A CN106908389B (zh) | 2017-03-17 | 2017-03-17 | 气体传感器及用于检测氟化氢气体浓度变化的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710158530.2A CN106908389B (zh) | 2017-03-17 | 2017-03-17 | 气体传感器及用于检测氟化氢气体浓度变化的方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN106908389A CN106908389A (zh) | 2017-06-30 |
| CN106908389B true CN106908389B (zh) | 2018-02-16 |
Family
ID=59186574
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201710158530.2A Active CN106908389B (zh) | 2017-03-17 | 2017-03-17 | 气体传感器及用于检测氟化氢气体浓度变化的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN106908389B (zh) |
Families Citing this family (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10925515B2 (en) | 2014-05-22 | 2021-02-23 | Picomole Inc. | Alveolar breath collection apparatus |
| CA2998026A1 (en) | 2017-03-13 | 2018-09-13 | Picomole Inc. | Apparatus and method of optimizing laser system |
| CN107817221A (zh) * | 2017-12-07 | 2018-03-20 | 哈尔滨理工大学 | 基于光热光谱技术和Sagnac干涉的气体传感器 |
| CN108548787B (zh) * | 2018-04-11 | 2020-11-17 | 黑龙江工程学院 | 一种光谱仪精确测量硫化氢气体浓度的方法 |
| CN109164050B (zh) * | 2018-09-27 | 2021-02-09 | 电子科技大学 | 基于硒化钨薄膜沟道结构的光纤法珀超敏气体传感器 |
| CN109490234A (zh) * | 2019-01-17 | 2019-03-19 | 哈尔滨理工大学 | 基于光纤Sagnac双环并联结构的光谱探测型气体传感器 |
| CN109490233B (zh) * | 2019-01-17 | 2021-08-24 | 哈尔滨理工大学 | 基于fp干涉计级联增敏及光热技术的强度探测型气体传感器 |
| CN109507129A (zh) * | 2019-01-17 | 2019-03-22 | 哈尔滨理工大学 | 基于fp双腔级联增敏特性的光谱探测型气体传感器 |
| CN109507128A (zh) * | 2019-01-17 | 2019-03-22 | 哈尔滨理工大学 | 基于fp干涉计并联结构及光热技术的强度探测型气体传感器 |
| CN109668846A (zh) * | 2019-01-17 | 2019-04-23 | 哈尔滨理工大学 | 基于混合干涉计级联增敏的强度探测型气体传感器 |
| CN109507132A (zh) * | 2019-01-17 | 2019-03-22 | 哈尔滨理工大学 | 基于双光纤fp干涉计并联结构的光谱探测型气体传感器 |
| CN109507131A (zh) * | 2019-01-17 | 2019-03-22 | 哈尔滨理工大学 | 基于混合干涉计并联及光热技术的强度探测型气体传感器 |
| US11035789B2 (en) | 2019-04-03 | 2021-06-15 | Picomole Inc. | Cavity ring-down spectroscopy system and method of modulating a light beam therein |
| CN111092396B (zh) * | 2020-01-17 | 2020-12-22 | 温州瑞翔扁线有限公司 | 一种用于导线裸露处绝缘层熔接装置 |
| US11782049B2 (en) | 2020-02-28 | 2023-10-10 | Picomole Inc. | Apparatus and method for collecting a breath sample using a container with controllable volume |
| US11957450B2 (en) | 2020-02-28 | 2024-04-16 | Picomole Inc. | Apparatus and method for collecting a breath sample using an air circulation system |
| CN111504945B (zh) * | 2020-06-08 | 2023-06-13 | 朗思传感科技(深圳)有限公司 | 一种光纤光热气体传感装置及方法 |
| CN115541521B (zh) * | 2022-11-03 | 2023-05-23 | 中国科学院新疆理化技术研究所 | 一种红外波段激光测量多种气体浓度的方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1086393B1 (en) * | 1998-06-09 | 2004-06-02 | Crystal Fibre A/S | A photonic band gap fibre |
| CN101059433A (zh) * | 2007-06-05 | 2007-10-24 | 天津大学 | 基于内腔光纤激光器的准分布式混合气体传感系统 |
| CN102116738A (zh) * | 2010-11-30 | 2011-07-06 | 华中科技大学 | 基于光纤环形衰荡腔的甲烷气体传感装置 |
| CN104111463A (zh) * | 2014-07-30 | 2014-10-22 | 中国科学技术大学 | 一种基于保偏光纤形成双腔f-p干涉仪的激光频移探测方法和设备 |
| CN105093238A (zh) * | 2015-09-07 | 2015-11-25 | 中国科学技术大学 | 单腔f-p干涉仪单探测器实现的透反式双边缘测风激光雷达 |
| CN106091973A (zh) * | 2016-07-05 | 2016-11-09 | 哈尔滨理工大学 | 基于环形腔衰荡光谱技术应变传感器及应变检测方法 |
-
2017
- 2017-03-17 CN CN201710158530.2A patent/CN106908389B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1086393B1 (en) * | 1998-06-09 | 2004-06-02 | Crystal Fibre A/S | A photonic band gap fibre |
| CN101059433A (zh) * | 2007-06-05 | 2007-10-24 | 天津大学 | 基于内腔光纤激光器的准分布式混合气体传感系统 |
| CN102116738A (zh) * | 2010-11-30 | 2011-07-06 | 华中科技大学 | 基于光纤环形衰荡腔的甲烷气体传感装置 |
| CN104111463A (zh) * | 2014-07-30 | 2014-10-22 | 中国科学技术大学 | 一种基于保偏光纤形成双腔f-p干涉仪的激光频移探测方法和设备 |
| CN105093238A (zh) * | 2015-09-07 | 2015-11-25 | 中国科学技术大学 | 单腔f-p干涉仪单探测器实现的透反式双边缘测风激光雷达 |
| CN106091973A (zh) * | 2016-07-05 | 2016-11-09 | 哈尔滨理工大学 | 基于环形腔衰荡光谱技术应变传感器及应变检测方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN106908389A (zh) | 2017-06-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN106908389B (zh) | 气体传感器及用于检测氟化氢气体浓度变化的方法 | |
| CN106950194B (zh) | 气体传感器及用于检测二氧化硫气体浓度变化的方法 | |
| CN107817221A (zh) | 基于光热光谱技术和Sagnac干涉的气体传感器 | |
| CN207623230U (zh) | 基于光热光谱技术和Sagnac干涉的气体传感器 | |
| US4758087A (en) | Fiber optic transducer | |
| CN103471701A (zh) | 一种光纤声波传感器及光纤声波探测方法 | |
| CN106123933B (zh) | 一种混沌光纤环衰荡传感装置及方法 | |
| CN106483069A (zh) | 基于腔衰荡技术的痕量气体在线分析装置 | |
| CN107681423A (zh) | 光纤激光器 | |
| CN110595515B (zh) | 一种基于保偏光纤及fp腔的双参量光纤传感器 | |
| CN103364370A (zh) | 基于环形腔衰落的环形芯光纤传感器 | |
| CN103487392B (zh) | 一种频域腔衰荡光谱探测装置及方法 | |
| CN109490234A (zh) | 基于光纤Sagnac双环并联结构的光谱探测型气体传感器 | |
| CN100533095C (zh) | 光波导环形谐振腔基本结构参数的测试装置及其方法 | |
| CN108844919A (zh) | 包层反射式倾斜光纤光栅折射率传感器及制作、测量方法 | |
| CN102707388B (zh) | 微纳光纤滤波器、光纤激光器、光纤传感装置及制作方法 | |
| CN109507132A (zh) | 基于双光纤fp干涉计并联结构的光谱探测型气体传感器 | |
| CN109507128A (zh) | 基于fp干涉计并联结构及光热技术的强度探测型气体传感器 | |
| CN109001155A (zh) | 一种基于低增益低噪声光纤腔衰荡技术的湿度测量方法 | |
| CN107843273A (zh) | 一种光纤环传感系统及实现方法 | |
| CN205909795U (zh) | 基于环形腔衰荡光谱技术应变传感器 | |
| CN107991267A (zh) | 波长捷变的可调谐半导体激光吸收光谱气体检测装置及方法 | |
| CN105203135B (zh) | 一种基于直波导‑反馈波导‑环‑直波导的高灵敏度谐振系统 | |
| CN111157467A (zh) | 有源光纤纤芯吸收系数测量装置及方法 | |
| CN109524874A (zh) | 一种增益光纤测量装置及测量增益光纤输出功率的稳定性的方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20240412 Address after: 830011 No. 40 South Beijing Road, the Xinjiang Uygur Autonomous Region, Urumqi Patentee after: XINJIANG TECHNICAL INSTITUTE OF PHYSICS & CHEMISTRY, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES Country or region after: China Address before: Room 30, F420, No. 153 Zhongshan Road, Nangang District, Harbin City, Heilongjiang Province, 150000 Patentee before: HARBIN HAN'AO TECHNOLOGY Co.,Ltd. Country or region before: China |