CN109946239A - 一种基于细芯光纤测量有机挥发气体的光纤传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于细芯光纤测量有机挥发气体的光纤传感器，其特征在于：由光源，偏振控制器，传输光纤，传感器，光谱仪，气室组成，光源发出的光通过偏振控制器调整偏振态，然后通过传输光纤与传感器的左端相连，传感器的右端与光谱仪相连，传感器置于气室中；所述的传感器由单模光纤SMF1、SMF2、SMF3和细芯光纤TCF1、TCF2组成；所述的传感器表面镀有PDMS薄膜，所述的细芯光纤纤芯的直径小于单模光纤的纤芯直径，发生Mach‑Zehnder干涉，形成干涉光谱，PDMS材料吸附有机挥发气体分子引起膨胀效应，使传感器受到轴向的拉力，使长度增加，因此光谱仪接收到的干涉光谱的干涉峰波长发生漂移，实现对有机挥发气体的浓度测量。
Description
技术领域
本发明属于光纤氢气传感技术领域，具体涉及一种基于细芯光纤测量有机挥发气体的光纤传感器。
背景技术
有机挥发气体(Volatile Organic Compounds，VOCs)，通常为沸点在50至260℃的有机化合物，在常温常压下易挥发，因此容易造成环境污染，而且会危害人体健康。目前，传统的检测有机挥发气体的方式有气相色谱法、质谱法等，传统的检测方式检测周期长，检测成本较高。
光纤传感器因为其传感灵敏度高、成本较低、抗电磁干扰等等优点，受到广泛关注，并且已经应用于折射率、温度、湿度等等领域。
聚二甲基硅氧烷(PDMS)，是一种高分子有机硅化合物，一般情况下为化学惰性无毒，被广泛应用于生物化学以及微机电领域的微流控制系统，具有良好的热稳定性、气体透过性、疏水性等等优点，并且PDMS材料的分子结构具有大量微孔结构，可以吸附气体分子。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于细芯光纤测量有机挥发气体的光纤传感器，PDMS材料中有大量的微孔结构，PDMS吸附有机挥发气体后体积膨胀，引起干涉波长漂移，通过对波长漂移的测量实现对有机挥发气体的检测。
本发明通过以下技术方案实现：一种基于细芯光纤测量有机挥发气体的光纤传感器，由光源(1)，偏振控制器(2)，传输光纤(3)，传感器(4)，光谱仪(5)，气室(6)组成，光源(1)发出的光通过偏振控制器(2)调整偏振态，然后通过传输光纤(3)与传感器(4)的左端相连，传感器(4)的右端与光谱仪(5)相连，传感器(4)置于气室(6)中。
所述的传感器(4)由单模光纤SMF1(401)、SMF2(403)、SMF3(405)和细芯光纤TCF1(402)、TCF2(404)组成，TCF1(402)的左右两端与SMF1(401)和SMF2(403)依次熔接，TCF2(404)的左右两端与SMF2(403)、SMF3(405)依次熔接。
所述的传感器(4)表面镀有PDMS薄膜(406)，PDMS薄膜(406)材料由聚合物前体Sylgard184-A和固化剂Sylgard184-B按5：1的比例混合，60℃加热5h，厚度为5mm。
所述的细芯光纤TCF1(402)和TCF2(404)的包层和纤芯直径分别为125μm和2.1μm，长度为2cm，所述的单模光纤SMF1(401)、SMF2(403)、SMF3(405)长度为6cm。
本发明的工作原理是：所述的细芯光纤纤芯的直径小于单模光纤的纤芯直径，当光源(1)发出的光经偏振控制器(2)调整偏振态后，传输到传感器(4)时，光经过单模光纤SMF1(401)后，由于细芯光纤TCF1(402)纤芯直径的不匹配，使得一部分的光进入包层中，另一部分光继续沿着纤芯传输，然后在SMF2(403)中发生Mach-Zehnder干涉，同理，光由SMF2(403)传输到TCF2(404)时会分成包层和纤芯两部分，然后进入到SMF3(405)后再次发生Mach-Zehnder干涉，形成干涉光谱，Φ是纤芯模和包层模的相位差，表达式为
干涉强度的表达式为
其中，是纤芯模和包层模的有效折射率之差，I1和I2是细芯光纤包层光和纤芯光的传播强度，l是细芯光纤的长度，λ是透射光的波长，当第m阶波长可以表示为
当包层折射率发生改变时，第m阶波长的波长漂移可以表示为
当气室(6)中有机挥发气体开始挥发时，PDMS材料吸附有机挥发气体分子引起膨胀效应，使传感器(4)受到轴向的拉力，使长度增加，因此光谱仪(5)接收到的干涉光谱的干涉峰波长发生漂移，实现对有机挥发气体的浓度测量。
本发明的有益效果是：提出一种基于细芯光纤测量有机挥发气体的光纤传感器，由于单模光纤和细芯光纤纤芯直径的不匹配，形成两个Mach-Zehnder干涉的级联；PDMS材料具有大量的微孔结构，可以吸附气体分子，尤其对有机挥发气体具有明显的吸附效应，吸附有机挥发气体分子后，PDMS体积膨胀，传感器结构受到轴向拉力，干涉峰的波长发生漂移，可以在0-6000ppm范围内的检测；该传感器采用单模光纤和细芯光纤结合，结构制作简单，测量量程大，灵敏度较高，成本较低，因此对有机挥发气体的检测方面具有一定的实用价值。
附图说明
图1是本发明的一种基于细芯光纤测量有机挥发气体的光纤传感器的装置示意图。
图2是本发明的传感器部分的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
参见附图1，一种基于细芯光纤测量有机挥发气体的光纤传感器装置，其特征在于：由光源(1)，偏振控制器(2)，传输光纤(3)，传感器(4)，光谱仪(5)，气室(6)组成，光源(1)发出的光通过偏振控制器(2)调整偏振态，然后通过传输光纤(3)与传感器(4)的左端相连，传感器(4)的右端与光谱仪(5)相连，传感器(4)置于气室(6)中；所述的传感器(4)由单模光纤SMF1(401)、SMF2(403)、SMF3(405)和细芯光纤TCF1(402)、TCF2(404)组成，TCF1(402)的左右两端与SMF1(401)和SMF2(403)依次熔接，TCF2(404)的左右两端与SMF2(403)、SMF3(405)依次熔接；所述的传感器(4)表面镀有PDMS薄膜(406)，PDMS薄膜(406)材料由聚合物前体Sylgard184-A和固化剂Sylgard184-B按5：1的比例混合，60℃加热5h，厚度为5mm；所述的细芯光纤TCF1(402)和TCF2(404)的包层和纤芯直径分别为125μm和2.1μm，长度为2cm，所述的单模光纤SMF1(401)、SMF2(403)、SMF3(405)长度为6cm；所述的细芯光纤纤芯的直径小于单模光纤的纤芯直径，当光源(1)发出的光经偏振控制器(2)调整偏振态后，传输到传感器(4)时，光经过单模光纤SMF1(401)后，由于细芯光纤TCF1(402)纤芯直径的不匹配，使得一部分的光进入包层中，另一部分光继续沿着纤芯传输，然后在SMF2(403)中发生Mach-Zehnder干涉，同理，光由SMF2(403)传输到TCF2(404)时会分成包层和纤芯两部分，然后进入到SMF3(405)后再次发生Mach-Zehnder干涉，形成干涉光谱，当气室(6)中有机挥发气体开始挥发时，PDMS材料吸附有机挥发气体分子引起膨胀效应，使传感器(4)受到轴向的拉力，使长度增加，因此光谱仪(5)接收到的干涉光谱的干涉峰波长发生漂移，实现对有机挥发气体的浓度测量。
本发明一种基于细芯光纤测量有机挥发气体的光纤传感器，由于单模光纤和细芯光纤纤芯直径的不匹配，形成两个Mach-Zehnder干涉的级联；PDMS材料具有大量的微孔结构，可以吸附气体分子，尤其对有机挥发气体具有明显的吸附效应，吸附有机挥发气体分子后，PDMS体积膨胀，传感器结构受到轴向拉力，干涉峰的波长发生漂移，可以在0-6000ppm范围内的检测；该传感器采用单模光纤和细芯光纤结合，结构制作简单，测量量程大，灵敏度较高，成本较低，因此对有机挥发气体的检测方面具有一定的实用价值。
Claims (1)
1.一种基于细芯光纤测量有机挥发气体的光纤传感器，其特征在于：由光源（1），偏振控制器（2），传输光纤（3），传感器（4），光谱仪（5），气室（6）组成，光源（1）发出的光通过偏振控制器（2）调整偏振态，然后通过传输光纤（3）与传感器（4）的左端相连，传感器（4）的右端与光谱仪（5）相连，传感器（4）置于气室（6）中；所述的传感器（4）由单模光纤SMF1（401）、SMF2（403）、SMF3（405）和细芯光纤TCF1（402）、TCF2（404）组成，TCF1（402）的左右两端与SMF1（401）和SMF2（403）依次熔接，TCF2（404）的左右两端与SMF2（403）、SMF3（405）依次熔接；所述的传感器（4）表面镀有PDMS薄膜（406），PDMS薄膜（406）材料由聚合物前体Sylgard184-A和固化剂Sylgard184-B按5：1的比例混合，60℃加热5h，厚度为5mm；所述的细芯光纤TCF1（402）和TCF2（404）的包层和纤芯直径分别为125μm和2.1μm，长度为2cm，所述的单模光纤SMF1（401）、SMF2（403）、SMF3（405）长度为6cm。
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