CN107817221A - 基于光热光谱技术和Sagnac干涉的气体传感器 - Google Patents
基于光热光谱技术和Sagnac干涉的气体传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种气体传感器及用于检测气体浓度变化的方法。气体传感器包括第一激光器、第一隔离器、耦合器、Sagnac环、环形器、第二隔离器、第二激光器、滤波器和光电探测器；Sagnac环内含有一段空芯光子晶体光纤，包层内部分气孔充酒精，空芯则充被测气体；第二激光器的输出波长与被检测气体的吸收谱峰重合，其输出的泵浦光经隔离器和环形器后进入空芯光纤，并与空芯光纤芯内被检测气体相互作用；第一激光器的输出波长则与被测气体的吸收谱波谷重合，其输出的窄带信号光经第一隔离器和耦合器后进入Sagnac环内，再经环形器，经过滤波器后，由光电探测器接受。通过测量信号光的光强变化，即电压变化量，最终获得被测气体浓度的变化。
Description
技术领域
本专利涉及光纤气体传感技术，尤其涉及一种基于光热光谱技术和Sagnac干涉的气体传感器。
背景技术
对于气体浓度的测量，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。
光纤气体传感技术在气体检测技术中属于后起之秀，在20世纪70年代才走进人们的视野。光纤气体传感器传输功率损耗小，适合长距离测量，在高温、高压等恶劣环境下有较强优势，结构简单，灵敏度高，稳定可靠。鉴于以上种种独特的优势得到了众多科研工作者的青睐，在实际应用中的地位也逐渐提升。
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，本发明提供了一种基于光热光谱技术和Sagnac干涉的气体传感器，以至少解决现有气体浓度检测技术存在仪器体积庞大、难以实现在线检测的问题，以及现有的光纤气体传感器灵敏度偏低的问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种基于光热光谱技术和Sagnac干涉的气体传感器，该基于光热光谱技术和Sagnac干涉的气体传感器包括第一激光器、第一隔离器、耦合器、Sagnac环、环形器、第二隔离器、第二激光器、滤波器和光电探测器；
其中，耦合器的分光比为50:50；Sagnac环内含有一段空芯光子晶体光纤，其包层内部分气孔充入酒精，使其成为双折射光纤，纤芯孔则充入被测气体；第二激光器的输出波长与被检测气体的吸收谱峰重合，第二激光器输出的泵浦光经隔离器和环形器后进入空芯光子晶体光纤，并与空芯光纤芯内的被检测气体相互作用，使得温度发生变化进而改变了空芯光纤的双折射系数；第一激光器的输出波长与被测气体的吸收谱波谷重合，第一激光器输出的窄带信号光经第一隔离器和耦合器后进入Sagnac环内，再经环形器，然后通过滤波器滤掉残余泵浦光后，由光电探测器接收。
进一步地，Sagnac环包括长度为第一预设长度的空芯光纤，该段空芯光纤的一端与第一单模光纤的一段相熔接，称为第一熔接面；该段空芯光纤的另一端与第二单模光纤的一端相熔接，称为第二熔接面；在空芯光纤的侧面上距离第一熔接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熔接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，窄带信号与泵浦光均为DFB激光器，其线宽为0.01pm。
根据本发明的另一方面，还提供了一种用于检测气体浓度变化的方法，该方法利用上文所述的基于光热光谱技术和Sagnac干涉的气体传感器实现，基于光热光谱技术和Sagnac干涉的传感器包括第一激光器、第一隔离器、耦合器、Sagnac环、环形器、第二隔离器、第二激光器、滤波器和光电探测器；耦合器的分光比为50:50；Sagnac内含有一段空芯光子晶体光纤；第二激光器的输出波长与被检测气体的吸收谱峰重合，第二激光器输出的泵浦光经隔离器和环形器后进入Sagnac环，并与空芯光纤芯内的被检测气体相互作用改变了双折射光纤的双折射系，气体浓度不同双折射系数改变大小也不同；第一激光器的输出波长与被测气体的吸收谱波谷重合，第一激光器输出的窄带信号光经第一隔离器和耦合器后进入Sagnac环，由于空芯光纤双折射系数发生变化，所以两次信号光之间会产生相位的变化，出来后的信号光再经环形器，然后通过滤波器滤掉残余泵浦光后，根据相应关系转化为电压的变化，最后由光电探测器接收。
用于检测气体浓度变化的方法包括：获得光电探测器所接收的电压变化量，则可根据下式计算空芯光纤内气体浓度的变化量：
公式一
其中，是电压的变化量，为泵浦光的功率，为空芯光纤的长度，为预设常数，可根据经验值来设定。
本发明的基于光热光谱技术和Sagnac干涉的传感器及用于检测气体浓度变化的方法，将空芯光纤光热技术与Sagnac干涉技术相结合，其中，Sagnac环内空芯光纤包层内部分气孔充酒精，使纤芯内则充被测气体。第二激光器输出波长与被测气体的吸收谱峰重合，使得第二激光器输出的泵浦光经第二隔离器和环形器，再经耦合器后，进入空芯光纤，并与空芯光纤内的被测气体相互作用。被测气体吸收泵浦光后温度增加，从而导致Sagnac环的光程增大，进而改变双折射光纤的双折射系数。被测气体的浓度越高，Sagnac环内的空芯光纤的双折射系数变化越大。
如上所述，通过将空芯光纤光热技术和Sagnac环干涉技术相结合，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，第一激光器输出的窄带信号光经Sagnac环产生干涉，干涉后信号光的光强随Sagnac环光程的变化而变化。空芯光纤内被测气体浓度决定Sagnac环光程的变化，可通过测量信号光的光强变化，即电压变化量，最终获得被测气体浓度的变化。
相比于现有技术，本发明的基于光热光谱技术和Sagnac干涉的传感器及用于检测被测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，本发明的基于光热光谱技术和Sagnac干涉的传感器及用于检测被测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。
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光热光谱技术和Sagnac干涉的气体传感器的一个示例的结构图；
图2是示意性地示出光纤微腔传感头结构的一个示例的示意图；
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处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
本发明提供了一种基于光热光谱技术和Sagnac干涉的气体传感器，该基于光热光谱技术和Sagnac干涉的气体传感器包括第一激光器、第一隔离器、耦合器、Sagnac环、环形器、第二隔离器、第二激光器、滤波器和光电探测器；其中，耦合器的分光比为50:50；Sagnac环内含有一段空芯光子晶体光纤，其包层内部分气孔充入酒精，使其成为双折射光纤，纤芯孔则充入被测气体；第二激光器的输出波长与被检测气体的吸收谱峰重合，第二激光器输出的泵浦光经隔离器和环形器后进入空芯光子晶体光纤，并与空芯光纤芯内的被检测气体相互作用，使得温度发生变化进而改变了空芯光纤的双折射系数；第一激光器的输出波长与被测气体的吸收谱波谷重合，第一激光器输出的窄带信号光经第一隔离器和耦合器后进入Sagnac环内，再经环形器，然后通过滤波器滤掉残余泵浦光后，由光电探测器接收。
图1给出了本发明的基于光热光谱技术和Sagnac干涉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，基于光热光谱技术和Sagnac干涉的气体传感器包括第一激光器1、第一隔离器2、耦合器3、Sagnac环4、环形器5、第二隔离器6、第二激光器7、滤波器8和光电探测器9；
其中，耦合器3的分光比为50:50；Sagnac环4包括长度为第一预设长度（如5mm-10m）的空芯光子晶体光纤（HC-PCF），该段空芯光纤的一端与第一单模光纤的一端相熔接（该熔接面称为第一熔接面）；该段空芯光纤的另一端与第二单模光纤的一端相熔接（该熔接面称为第二熔接面）。在空芯光纤的侧面上距离第一熔接面第一距离（如2mm-3mm）处开有第一孔（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熔接面第二距离（如2mm-3mm）处开有第二孔（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。Sagnac环4内的空芯光纤包层内部分气孔充入酒精，纤芯内则充有被测气体。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。
Sagnac环4的制作流程如下：如图2所示的光纤微腔传感头，首先将普通单模光纤与空芯光纤熔接放电的强度与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），与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熔接面和第二熔接面就构成了Sagnac环；然后在距离两熔接面各2mm-3mm处的空芯光纤的侧面上各开一小孔（可通过飞秒激光打此孔），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。
第二激光器7为DFB激光器，其输出波长与被测气体的吸收谱峰重合，以使第二激光器输出的泵浦光能够尽量多地被气体吸收（即使得被测气体对泵浦光的吸收率最大化）。第二激光器7经隔离器2和环形器3后进入Sagnac环4内，并与空芯光纤芯内的被检测气体相互作用。被测气体吸收泵浦光后温度增加，从而导致Sagnac环的光程增大，进而改变双折射光纤的双折射系数。被测气体的浓度越高，Sagnac环4内的空芯光纤的双折射系数变化越大。
第一激光器1的输出波长与被测气体的吸收谱波谷重合（即使得被测气体对信号光的吸收率最小化），第一激光器1输出的窄带信号光经第一隔离器2和耦合器3后进入Sagnac环4内，再经环形器5，经过滤波器8滤掉残余泵浦光后，由光电探测器9接受。
信号光经Sagnac环4产生干涉，干涉后信号光的光强随Sagnac环4光程的变化而变化，空芯光纤内被测气体浓度决定Sagnac环4光程的变化，可通过测量信号光的光强变化，即电压变化量，最终获得被测气体浓度的变化。
此外，本发明还提供了一种用于检测气体浓度变化的方法，该方法利用上文所述的基于光热光技术和Sagnac干涉的气体传感器实现，基于光热光技术和Sagnac干涉的气体传感器包括第一激光器、第一隔离器、耦合器、Sagnac环、环形器、第二隔离器、第二激光器、滤波器和光电探测器；耦合器的分光比为50:50；Sagnac内含有一段空芯光子晶体光纤；第二激光器的输出波长与被检测气体的吸收谱峰重合，第二激光器输出的泵浦光经隔离器和环形器后进入Sagnac环，并与空芯光纤芯内的被检测气体相互作用改变了双折射光纤的双折射系，气体浓度不同双折射系数改变大小也不同；第一激光器的输出波长与被测气体的吸收谱波谷重合，第一激光器输出的窄带信号光经第一隔离器和耦合器后进入Sagnac环，由于空芯光纤双折射系数发生变化，所以两次信号光之间会产生相位的变化，出来后的信号光再经环形器，然后通过滤波器滤掉残余泵浦光后，根据相应关系转化为电压的变化，最后由光电探测器接收。用于检测气体浓度变化的方法包括：获得光电探测器所接收的电压变化量，可根据公式一计算空芯光纤内气体浓度的变化量：
其中，是电压的变化量，为泵浦光的功率，为空芯光纤的长度，为预设常数，可根据经验值来设定。
如上文所述，打开第一激光器1和第二激光器7，使得二者开始工作；第二激光器7的输出波长与被测气体的吸收谱峰重合，第二激光器7输出的泵浦光经隔离器2和环形器3后进入Sagnac环4，并与空芯光纤芯内的被检测气体相互作用，使得部分泵浦光被气体吸收。第一激光器1的输出波长与被测气体的吸收谱波谷重合，第一激光器1输出的信号光经第一隔离器2和耦合器3后进入Sagnac环4内，再经环形器5，经过滤波器8滤掉残余泵浦光后，由光电探测器9接受。
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 (4)
1.基于光热光谱技术和Sagnac干涉的气体传感器，其特征在于，所述气体传感器包括第一激光器（1）、第一隔离器（2）、耦合器（3）、Sagnac环（4）、环形器（5）、第二隔离器（6）、第二激光器（7）、滤波器（8）和光电探测器（9）；所述耦合器3的分光比为50:50；Sagnac环（4）内含有一段空芯光子晶体光纤，该空芯光纤包层内部分气孔充酒精，使其成为双折射光纤，纤芯内则充被测气体；
所述第二激光器（7）的输出波长与被测气体的吸收谱峰重合；所述第二激光器（7）输出的泵浦光经隔离器（2）和环形器（3）后进入Sagnac环（4），并与空芯光纤芯内的被检测气体相互作用，使得温度发生变化进而改变了空芯光纤的双折射系数；
所述第一激光器（1）的输出波长与被测气体的吸收谱波谷重合；所述第一激光器（1）输出的窄带信号光经第一隔离器（2）和耦合器（3）后进入Sagnac环（4）内，再经环形器（5），经过滤波器（8）滤掉残余泵浦光后，由光电探测器（9）接收。
2.根据权利要求1所述的基于光热光谱技术和Sagnac干涉的气体传感器，其特征在于，所述Sagnac环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，对应的熔接面称为第一熔接面；该段空芯光纤的另一端与第二单模光纤的一端相熔接，对应的熔接面称为第二熔接面；在所述空芯光纤的侧面上距离所述第一熔接面第一距离处开有第一孔，所述第一孔是的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熔接面第二距离处开有第二孔，所述第二孔是的空芯光纤内纤芯与外界连通。
3.根据权利要求1或2所述的基于光热光谱技术和Sagnac干涉的气体传感器，其特征在于，所述第一激光器（1）和所述第二激光器（7）均为DFB激光器，其线宽为0.01pm。
4.用于检测气体浓度变化的方法，其特征在于，该方法利用基于光热光谱技术和Sagnac干涉的气体传感器实现， 所述光热光谱技术和Sagnac干涉的气体传感器包括第一激光器（1）、第一隔离器（2）、耦合器（3）、Sagnac环（4）、环形器（5）、第二隔离器（6）、第二激光器（7）、滤波器（8）和光电探测器（9）；其中，所述耦合器（3）的分光比为50:50；Sagnac环（4）内的空芯光子晶体光纤（HC-PCF）纤芯内充有被测气体；其中，所述第二激光器（7）的输出波长与被测气体的吸收谱峰重合；所述第二激光器（7）输出的泵浦光经隔离器（2）和环形器（3）后进入Sagnac环（4），并与空芯光纤芯内的被检测气体相互作用，使得温度发生变化进而改变了空芯光纤的双折射系数；所述第一激光器（1）的输出波长与被测气体的吸收谱波谷重合；所述第一激光器（1）输出的窄带信号光经第一隔离器（2）和耦合器（3）后进入Sagnac环（4）内，再经环形器（5），经过滤波器（8）滤掉残余泵浦光后，由光电探测器（9）接收；
所述用于检测气体浓度变化的方法包括：获得光电探测器所接收的电压变化量，可根据下式计算空芯光纤内气体浓度的变化量：
公式一
其中，是电压的变化量，为泵浦光的功率，为空芯光纤的长度，为预设常数，可根据经验值来设定。
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