CN110095467A - 基于倏逝场的气体检测装置、基于倏逝场的气体检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于倏逝场的气体检测装置及基于倏逝场的气体检测方法,基于倏逝场的气体检测装置,包括激光器、气体传感单元、滤波放大器、锁相放大器,所述气体传感单元包括光波导、将所述光波导输出的光转换为电信号的光电探测器;所述光波导包括传感区、设于所述传感区的谐振腔,所述谐振腔的谐振波长与目标气体的吸收波长一致;满足谐振要求的光进入所述谐振腔内后,被局限于所述谐振腔内,经过多次循环反射,在光未被辐射出谐振腔前,由于谐振腔的谐振干涉作用能够增大在所述谐振腔内的光的强度以及吸收光程,提高目标气体浓度检测的精度和灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及光纤气体传感领域,尤其涉及一种能够提高目标气体浓度检测精度与灵敏度的基于倏逝场的气体检测装置、基于倏逝场的气体检测方法。
背景技术
光纤倏逝场传感器早在上世纪80年代就已经提出,发展到现在也早已应用于痕量气体探测上,而痕量气体探测在工业、农业以及环境监测方面都发挥着十分重要的作用。
光纤传感器由于其多方面的优点,例如结构比较紧凑、易于集成光纤网络、抗电磁干扰性能好、成本低等,日益受到关注。现有的基于光纤传感器的气体检测装置中,都不能通过有效的增加光纤对目标气体作用的光的强度和吸收光程等增加吸收效果以提高目标气体浓度检测精度。
有鉴于此,有必要提供一种改进的基于倏逝场的气体检测装置、基于倏逝场的气体检测方法以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够提高目标气体浓度检测精度与灵敏度的基于倏逝场的气体检测装置、基于倏逝场的气体检测方法。
为实现上述发明目的,本发明采用如下技术方案:一种基于倏逝场的气体检测装置,包括激光器、气体传感单元、滤波放大器、锁相放大器,所述气体传感单元包括光波导、将所述光波导输出的光转换为电信号的光电探测器;其特征在于:所述光波导包括传感区、设于所述传感区的谐振腔,所述谐振腔的谐振波长与目标气体的吸收波长一致。
作为本发明进一步改进的技术方案,所述光波导为光纤,所述传感区为设于所述光纤上的拉锥区。
作为本发明进一步改进的技术方案,所述谐振腔为由至少部分所述拉锥区形成的环形结。
作为本发明进一步改进的技术方案,所述拉锥区具有涂覆于光纤表面以将所述光纤内部的光转移至外部的吸收材料。
作为本发明进一步改进的技术方案,所述气体传感单元还包括光波导支架,所述光波导支架包括一对相对且间隔设置的半圆柱筒、连接一对所述半圆柱筒的连接板,所述连接板的宽度小于所述半圆柱筒的宽度;所述光波导呈螺旋状缠绕于一对所述半圆柱筒上。
作为本发明进一步改进的技术方案,所述光波导为光纤,所述传感区为设于所述光纤上的拉锥区;每一圈所述光纤上均设有所述拉锥区,且所述拉锥区与所述光波导支架之间具有间隙。
作为本发明进一步改进的技术方案,所述光波导为条形光波导,所述谐振腔由光刻或图案化形成。
作为本发明进一步改进的技术方案,所述激光器为调谐调制激光器。
作为本发明进一步改进的技术方案,所述基于倏逝场的气体检测装置还包括用以封装所述气体传感单元的封闭管。
作为本发明进一步改进的技术方案,所述基于倏逝场的气体检测装置还包括位于所述激光器与所述气体传感单元之间的增益光纤。
为进一步实现上述发明目的,本发明还提供一种基于倏逝场的气体检测方法,包括如下步骤:
激光器发射出波长范围覆盖目标气体的吸收波长的光,并将所述光输至气体传感单元中的传感区,产生倏逝场,所述传感区的谐振腔的谐振波长与目标气体的吸收波长一致;
目标气体与倏逝场相互作用,吸收光;
自所述气体传感单元输出的电信号输入至滤波放大器进行滤波处理;
滤波后的电信号输入至锁相放大器,解调得到二次谐波信号,利用气体吸收光谱原理,反演获得目标气体浓度。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:本发明中的基于倏逝场的气体检测装置通过在传感区上设置谐振波长与目标气体的吸收波长一致的谐振腔,满足谐振要求的光进入所述谐振腔内后,被局限于所述谐振腔内,经过多次循环反射,在光未被辐射出谐振腔前,由于谐振腔的谐振干涉作用能够增大在所述谐振腔内的光的强度以及吸收光程。
在光传输至传感区通过倏逝场与目标气体相互作用,同时谐振腔的谐振波长与目标气体的吸收波长一致时,能够有效增强与目标气体相互作用的光强以及吸收光程,提高目标气体浓度检测的精度和灵敏度。
附图说明
图1是本发明中的基于倏逝场的气体检测装置的结构示意图。
图2是本发明第一实施方式中的光波导支架的结构示意图。
图3是本发明第一实施方式中的光纤的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述,请参照图1至图3所示,为本发明的较佳实施方式。但应当说明的是,这些实施方式并非对本发明的限制,本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代,均属于本发明的保护范围之内。
请参图1所示,本发明提供一种基于倏逝场的气体检测装置100,包括激光器1、气体传感单元2、滤波放大器3、锁相放大器4,所述激光器1发出的光先经所述气体传感单元2,通过所述气体传感单元2与目标气体相互作用并将与目标气体相互作用后的光转换为电信号,然后电信号经所述滤波放大器3滤波放大后,再输入至所述锁相放大器4,解调得到二次谐波信号,由外部计算单元如计算机等利用气体吸收光谱原理,反演获得目标气体的浓度,即,外部计算单元利用获得的二次谐波信号的幅值与目标气体浓度的关系来反演获得目标气体的浓度。
具体地,所述激光器1通过单模光纤与气体传感单元2相连接,所述气体传感单元2通过BNC线与所述滤波放大器3相连接,所述滤波放大器3与所述锁相放大器4之间通过信号相连接,以使经所述滤波放大器3滤波放大后的电信号能够输入至所述锁相放大器4中。
于一具体实施方式中,所述激光器1为调谐调制激光器,从而经所述激光器1发出的光的波长调谐为与目标气体的吸收波长对应的波长,且对所述激光器1发出的光进行强度调制;当然,并不以此为限,于其他实施方式中,也可以另外设置与所述激光器1配合使用的调谐调制单元,以调谐所述激光器1发出的光的波长并调制所述激光器1发出的光的强度。
可以理解的是,上述的所述激光器1发出的光的波长调谐为与目标气体的吸收波长对应的波长具体是指,所述激光器1发出的光的波长范围覆盖于目标气体的吸收波长且位于目标气体的吸收波长附近较窄的范围内,以提高所述基于倏逝场的气体检测装置100对目标气体浓度的检测精度。
可以理解的是,本发明中可以通过改变激光器1发出的光的波长来达到检测不同种类的目标气体的目的。
进一步地,请参图2-图3所示,所述气体传感单元2包括供光传播的光波导21、将所述光波导21输出的光转换为电信号的光电探测器,所述光波导21包括与目标气体相互作用的传感区211、设于所述传感区211的谐振腔212,所述谐振腔212的谐振波长与目标气体的吸收波长一致。
所述光电探测器为本领域现有的,于此,不再赘述。
光传输至传感区211后,在所述传感区211与目标气体的分界处产生与目标气体相互作用的倏逝场。
满足谐振要求的光进入所述谐振腔212内后,被局限于所述谐振腔212内,经过多次循环反射,在光未被辐射出谐振腔212前,由于谐振腔212的谐振干涉作用能够增大在所述谐振腔内的光的强度以及吸收光程。在光传输至传感区211通过倏逝场与目标气体相互作用,同时谐振腔212的谐振波长与目标气体的吸收波长一致时,能够有效增强与目标气体相互作用的光强以及吸收光程,提高目标气体浓度检测的精度和灵敏度。
请参图2-图3所示,于本发明第一实施方式中,所述光波导21为光纤,所述传感区211为设于所述光纤上的拉锥区211。
具体地,所述光纤为单模光纤,所述拉锥区由所述单模光纤熔融拉锥形成。
进一步地,所述拉锥区211的长度为5-15cm,所述拉锥区211的直径为2-20um。
在所述光波导21为光纤的实施方式中,所述谐振腔212为由至少部分所述拉锥区211形成的环形结。
具体地,可以通过手动或者光纤探针缠绕以将部分所述拉锥区211打结形成所述环形结。
进一步地,所述谐振腔212的谐振方程为:2πRneff=mλ,其中,R为微环半径;neff为有效折射率;m为任意正整数;λ为谐振波长。因此,可以通过调节所述环形结的半径以调节所述谐振腔212的谐振波长,或者通过调节所述有效折射率neff来调节所述谐振腔212的谐振波长,具体地,可以通过调节所述拉锥区的长度改变所述拉锥区的直径来调节所述有效折射率neff。
可以理解的是,本发明中可以通过调节所述谐振腔212的谐振波长,能够实现对不同种类的目标气体浓度的测量。
具体地,在需要调节所述环形结的半径或者所述有效折射率neff以使谐振波长与目标气体的吸收波长一致时,可以通过光谱仪等来观察以辅助调整。
进一步地,所述拉锥区211具有涂覆于光纤表面以将所述光纤内部的光转移至外部的吸收材料,以进一步增强倏逝场,从而提高光强,提高目标气体浓度检测的精度和灵敏度。
于一具体实施方式中,所述吸收材料为金属薄膜,如银薄膜;当然,并不以此为限,所述吸收材料也可以呈液态,只要能够达到将所述光纤内部的光转移至外部增强倏逝场的作用即可。
进一步地,所述气体传感单元2还包括用以固定所述光纤的光波导支架23,所述光波导支架23包括一对相对且间隔设置的半圆柱筒231、连接一对所述半圆柱筒231的连接板232,所述连接板232的宽度小于所述半圆柱筒231的宽度,以在所述光纤呈螺旋状缠绕于一对所述半圆柱筒231上后,所述光纤与所述连接板232之间具有间隙,以防所述光波导支架23影响目标气体与倏逝场与之间的相互作用,影响所述基于倏逝场的气体检测装置100对目标气体浓度检测的精度和灵敏度。
进一步地,每一圈所述光纤上均设有所述拉锥区212,以增加对目标气体的吸收光程,提高所述基于倏逝场的气体检测装置100对目标气体浓度检测的精度和灵敏度。
同时,所述拉锥区212与所述光波导支架23之间具有间隙,即,所述拉锥区212位于所述光纤上与连接板232相对应的位置处,以防所述光波导支架23影响目标气体与倏逝场与之间的相互作用,影响所述基于倏逝场的气体检测装置100对目标气体浓度检测的精度和灵敏度。
进一步地,所述基于倏逝场的气体检测装置100还包括用以封装所述气体传感单元的封闭管(未图示),通过将目标气体通入所述封闭管内,与拉锥区的倏逝场相互作用,以提高所述基于倏逝场的气体检测装置100对目标气体浓度检测的精度。当然,并不以此为限,在不设置所述封闭管时,可以将所述气体传感单元直接暴露于目标气体中,以使目标气体与倏逝场相互作用,达到检测目标气体浓度的目的。
于本发明第二实施方式中,本发明第二实施方式与第一实施方式的区别在于:所述光波导为条形光波导,可以理解的是,因为所述条形光波导较薄,光经过所述条形光波导时,在所述条形光波导与目标气体的分界处形成与目标气体相互作用的倏逝场。
同时,在第二实施方式中,所述谐振腔可在所述条形光波导上通过光刻波导技术以图案化形成,此时,所述谐振腔可以呈双端输入的微环结构、或者U型微型环结构等,在所述条形光波导上通过光刻波导技术以图案化形成所述谐振腔为本领域现有的,于此,不再赘述。
所述第二实施方式与第一实施方式,除上述区别外,其他均相同,于此,不再赘述。
进一步地,所述基于倏逝场的气体检测装置100还包括位于所述激光器1与所述气体传感单元2之间的增益光纤5,所述激光器1输出的光经所述增益光纤5以增大所述光的功率。
具体地,所述增益光纤5与所述激光器1之间通过单模光纤连接,所述增益光纤5与所述气体传感单元2之间通过单模光纤连接。
进一步地,本发明还提供一种基于倏逝场的气体检测方法,该气体检测方法基于上述的基于倏逝场的气体检测装置100实现,所述气体检测方法包括如下步骤:
S1:激光器1发射出波长范围覆盖目标气体的吸收波长的光,并将所述光输至气体传感单元中的传感区,产生倏逝场,所述传感区的谐振腔的谐振波长与目标气体的吸收波长一致;
可以理解的是,对于本发明第一实施方式而言,上述的传感区,即指拉锥区212,即,经所述激光器1发射出的光传输至所述拉锥区212,形成倏逝场。
进一步地,所述拉锥区212具有涂覆于光纤表面以将所述光纤内部的光转移至外部的吸收材料,以进一步增强倏逝场,从而提高光强,提高目标气体浓度检测的精度和灵敏度。
进一步地,所述光纤上具有多个拉锥区212,以增加对目标气体的吸收光程,提高所述基于倏逝场的气体检测装置100对目标气体浓度检测的精度和灵敏度。
进一步地,步骤S1之后还包括如下步骤:
S2:目标气体与倏逝场相互作用,吸收光;
具体地,目标气体会吸收与其吸收波长相同的光,以使光强下降,从而,可以通过固定波长处光强的变化来检测出目标气体的浓度。因环形结状的谐振腔一般具有高品质因子,输出的光谱的微小变化能引起同一波长处输出的强度的明显变化,故,通过固定波长处光强的变化来检测出目标气体的浓度能够获得较高的灵敏度,且能够排除环境干扰,提高测量的精度。
进一步地,步骤S2之后还包括如下步骤:
S3:自所述气体传感单元2输出的电信号输入至滤波放大器3进行滤波处理;
S4:滤波后的电信号输入至锁相放大器,解调得到二次谐波信号,利用气体吸收光谱原理,反演获得目标气体浓度。
具体地,步骤S4中,利用气体吸收光谱原理,反演获得目标气体浓度的具体步骤以目标气体为氨气为例进行描述:
通过测量不同浓度的氨气(500ppm以下),得到氨气浓度与二次谐波信号的关系,从而,能够根据锁相放大器解调得到的二次谐波信号反演出氨气的浓度。
可以理解的是,本发明中可以通过改变激光器1发出的光的波长来达到检测不同种类的目标气体的目的。
与现有技术相比,本发明中的基于倏逝场的气体检测装置100通过在传感区211上设置谐振波长与目标气体的吸收波长一致的谐振腔212,满足谐振要求的光进入所述谐振腔212内后,被局限于所述谐振腔212内,经过多次循环反射,在光未被辐射出谐振腔212前,由于谐振腔212的谐振干涉作用能够增大在所述谐振腔内的光的强度以及吸收光程。
在光传输至传感区211通过倏逝场与目标气体相互作用,同时谐振腔212的谐振波长与目标气体的吸收波长一致时,能够有效增强与目标气体相互作用的光强以及吸收光程,提高目标气体浓度检测的精度和灵敏度。
应当理解,虽然本说明书按照实施方式加以描述,但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案,说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见,本领域技术人员应当将说明书作为一个整体,各实施方式中的技术方案也可以经适当组合,形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明,它们并非用以限制本发明的保护范围,凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种基于倏逝场的气体检测装置,包括激光器、气体传感单元、滤波放大器、锁相放大器,所述气体传感单元包括光波导、将所述光波导输出的光转换为电信号的光电探测器;其特征在于:所述光波导包括传感区、设于所述传感区的谐振腔,所述谐振腔的谐振波长与目标气体的吸收波长一致。
2.如权利要求1所述的基于倏逝场的气体检测装置,其特征在于:所述光波导为光纤,所述传感区为设于所述光纤上的拉锥区。
3.如权利要求2所述的基于倏逝场的气体检测装置,其特征在于:所述谐振腔为由至少部分所述拉锥区形成的环形结。
4.如权利要求2所述的基于倏逝场的气体检测装置,其特征在于:所述拉锥区具有涂覆于光纤表面以将所述光纤内部的光转移至外部的吸收材料。
5.如权利要求1所述的基于倏逝场的气体检测装置,其特征在于:所述气体传感单元还包括光波导支架,所述光波导支架包括一对相对且间隔设置的半圆柱筒、连接一对所述半圆柱筒的连接板,所述连接板的宽度小于所述半圆柱筒的宽度;所述光波导呈螺旋状缠绕于一对所述半圆柱筒上。
6.如权利要求5所述的基于倏逝场的气体检测装置,其特征在于:所述光波导为光纤,所述传感区为设于所述光纤上的拉锥区;每一圈所述光纤上均设有所述拉锥区,且所述拉锥区与所述光波导支架之间具有间隙。
7.如权利要求1所述的基于倏逝场的气体检测装置,其特征在于:所述光波导为条形光波导,所述谐振腔由光刻或图案化形成。
8.如权利要求1-7中任意一项所述的基于倏逝场的气体检测装置,其特征在于:所述激光器为调谐调制激光器。
9.如权利要求1-7中任意一项所述的基于倏逝场的气体检测装置,其特征在于:所述基于倏逝场的气体检测装置还包括用以封装所述气体传感单元的封闭管。
10.如权利要求1-7中任意一项所述的基于倏逝场的气体检测装置,其特征在于:所述基于倏逝场的气体检测装置还包括位于所述激光器与所述气体传感单元之间的增益光纤。
11.一种基于倏逝场的气体检测方法,其特征在于:所述气体检测方法包括如下步骤:
激光器发射出波长范围覆盖目标气体的吸收波长的光,并将所述光输至气体传感单元中的传感区,产生倏逝场,所述传感区的谐振腔的谐振波长与目标气体的吸收波长一致;
目标气体与倏逝场相互作用,吸收光;
自所述气体传感单元输出的电信号输入至滤波放大器进行滤波处理;
滤波后的电信号输入至锁相放大器,解调得到二次谐波信号,利用气体吸收光谱原理,反演获得目标气体浓度。
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