CN113324953A - 一种液体环境下的反射式光纤气体传感探头装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光学气体传感技术领域，公开了一种液体环境下的反射式光纤气体传感探头装置。装置包括反射式光纤气体传感探头、阻液透气单元和气路控制接口；反射式光纤气体传感探头的第一端部嵌套在阻液透气单元的内部；阻液透气单元的第一末端，阻液透气单元的第二末端与气路控制接口之间，反射式光纤气体传感探头与气路控制接口之间采用阻液材料进行密封；阻液透气单元允许气体进入阻液透气微气室的内部，并阻止液体进入阻液透气微气室的内部。本发明解决了光纤气体传感探头在液体环境中容易失效的问题，使其可在复杂液体环境下工作。

Description

一种液体环境下的反射式光纤气体传感探头装置
技术领域
本发明涉及光学气体传感技术领域，尤其涉及一种液体环境下的反射式光纤气体传感探头装置。
背景技术
现有对于气体进行传感探测的技术中，最主要的是基于半导体、电化学等依靠电源激励并通过气敏材料产生的电压变化而检测气体浓度的传感器技术。这类技术具有探头体积、灵敏度、气体串扰等方面的不足，以及抗电磁及环境干扰能力差，气体敏感材料容易中毒等缺点。光纤气体传感器在上述方面具有一定优势，能弥补现有常规传感器在特殊应用场景下的不足。
在液体环境下进行气体传感探测在海洋能源探测、燃料监测、绝缘液体状态监测等众多应用场景具有迫切需求。然而，这种场景下光纤气体传感器的应用存在液体渗透阻塞失效等问题。现有方式多基于液体采样后经由脱气装置进行气液分离后进行分析检测。但这种现有方式由于液体采样特性，除了存在操作复杂、周期长、实时性差等不足，待测气体更可能在脱气处理、样品转移过程产生进一步化学演化，影响原有环境的气体测量准确度。
发明内容
本发明通过提供一种液体环境下的反射式光纤气体传感探头装置，解决了现有技术中光纤气体传感探头在液体环境中容易失效的问题。
本发明提供一种液体环境下的反射式光纤气体传感探头装置，包括：反射式光纤气体传感探头、阻液透气单元和气路控制接口；
所述反射式光纤气体传感探头的第一端部嵌套在所述阻液透气单元的内部；所述阻液透气单元的第一末端采用阻液材料进行密封，所述阻液透气单元的第二末端嵌套在所述气路控制接口的第一末端内部并采用阻液材料进行密封，所述气路控制接口第二末端与反射式光纤气体传感探头之间采用阻液材料进行密封；
所述气路控制接口用于连接气体压力和温度控制设备；
所述反射式光纤气体传感探头包括气体传感光纤、传输光纤、气体扩散通道；所述气体传感光纤与所述传输光纤连接，所述气体扩散通道用于允许气体进入所述气体传感光纤的传感区域中；
所述阻液透气单元包括阻液透气微气室；所述阻液透气微气室用于允许气体进入所述阻液透气微气室的内部，并阻止液体进入所述阻液透气微气室的内部。
优选的，所述气体传感光纤为空芯光纤、微结构光纤、单模光纤及其二次加工品中的一种；所述气体扩散通道的类型为光纤内微结构通道、物理对接狭缝通道、激光加工微孔通道中的一种。
优选的，所述气体传感光纤与所述传输光纤的连接采用熔接型、物理对接型中的一种。
优选的，所述传输光纤与所述气体传感光纤连接构成光学反射结构。
优选的，所述阻液透气微气室由高分子聚合物材料制备而成，所述阻液透气微气室为膜状或管状结构。
优选的，所述阻液透气单元还包括：支撑机构；所述反射式光纤气体传感探头的第一端部、所述支撑机构、所述阻液透气微气室形成由内向外的嵌套式包覆结构；所述支撑机构用于为所述阻液透气微气室提供力学支撑。
优选的，所述支撑机构采用开孔石英管、开孔金属管、多孔泡沫金属、超高分子聚乙烯中的一种材料制备而成。
本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
在发明中，提供的液体环境下的反射式光纤气体传感探头装置包括反射式光纤气体传感探头、阻液透气单元和气路控制接口，反射式光纤气体传感探头的第一端部嵌套在阻液透气单元的内部；阻液透气单元的第一末端、阻液透气单元的第二末端与气路控制接口第一末端之间，以及气路控制接口第二末端与反射式光纤气体传感探头之间采用阻液材料进行密封；反射式光纤气体传感探头包括气体传感光纤、传输光纤、气体扩散通道；气体传感光纤与传输光纤连接，气体扩散通道用于允许气体进入气体传感光纤的传感区域中；阻液透气单元包括阻液透气微气室；阻液透气微气室用于允许气体进入阻液透气微气室的内部，并阻止液体进入阻液透气微气室的内部。即利用本发明提供的光纤气体传感探头装置，液体环境中的气体分子经过阻液透气单元后扩散至气体传感光纤的传感区域中。光纤气体传感方式具有绝缘、探头体积小且无需电源、探测灵敏度高的技术优势，阻液透气单元的应用使光纤气体传感方式具备在液体环境下探测气体的功能。此外，反射式光纤气体传感探头装置的设计可应用于多种光纤气体探测系统中，通过基于吸收光谱、拉曼光谱等方法对进入气体传感光纤的传感区域中的探测光进行调制，从而对液体环境中待测气体分子的种类和浓度进行测量，可实现在液体环境中进行高灵敏度与良好选择性的光学气体传感。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种液体环境下的反射式光纤气体传感探头装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种液体环境下的反射式光纤气体传感探头装置中阻液透气单元包覆反射式光纤气体传感探头的示意图一；
图3为本发明实施例提供的一种液体环境下的反射式光纤气体传感探头装置中阻液透气单元包覆反射式光纤气体传感探头的示意图二；
图4为本发明实施例提供的一种液体环境下的反射式光纤气体传感探头装置中阻液透气单元包覆反射式光纤气体传感探头示意图一的剖视图；
图5为本发明实施例提供的一种液体环境下的反射式光纤气体传感探头装置中阻液透气单元包覆反射式光纤气体传感探头示意图二的剖视图；
图6为本发明实施例提供的一种液体环境下的反射式光纤气体传感探头装置中阻液透气微气室的工作原理图；
图7为本发明实施例提供的一种液体环境下的反射式光纤气体传感探头装置中支撑机构的结构示意图。
其中，1—反射式光纤气体传感探头、2—阻液透气单元、3—气路控制接口、4—液体环境；
11—传输光纤、12—气体传感光纤、13—传输光纤与气体传感光纤连接构成的第一端面、14—传输光纤与气体传感光纤连接构成的第二端面、15—气体扩散通道；
21—阻液透气微气室、22—支撑机构、23—密封结构；
221—支撑材料、222—透气孔；
41—气体分子。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
实施例提供了一种液体环境下的反射式光纤气体传感探头装置，包括：反射式光纤气体传感探头、阻液透气单元和气路控制接口。所述反射式光纤气体传感探头的第一端部嵌套在所述阻液透气单元的内部；所述阻液透气单元的第一末端采用阻液材料进行密封，所述阻液透气单元的第二末端与所述气路控制接口的第一末端之间，以及所述反射式光纤气体传感探头与所述气路控制接口第二末端之间采用阻液材料进行密封。所述气路控制接口用于连接气体压力和温度控制设备。
所述反射式光纤气体传感探头包括气体传感光纤、传输光纤、气体扩散通道；所述气体传感光纤与所述传输光纤连接，所述气体扩散通道用于允许气体进入所述气体传感光纤的传感区域中。
所述阻液透气单元包括阻液透气微气室；所述阻液透气微气室用于允许气体进入所述阻液透气微气室的内部，并阻止液体进入所述阻液透气微气室的内部。即实现阻挡结构尺寸较大的液体分子，并透过结构尺寸较小的气体分子。
其中，所述气体传感光纤为单模光纤二次加工品(指代表面涂覆气敏材料)、空芯光纤、空芯光纤二次加工品、微结构光纤、微结构光纤二次加工品、单模光纤、单模光纤二次加工品中的一种；所述气体扩散通道的类型为光纤内微结构通道、物理对接狭缝进气、激光加工微孔进气中的一种。所述气体传感光纤与所述传输光纤的连接采用熔接型、物理对接型中的一种。
所述传输光纤与所述气体传感光纤连接构成光学反射结构。例如，所述传输光纤与所述气体传感光纤连接构成第一端面、第二端面，所述第一端面与所述第二端面构建出反射式干涉仪。
所述阻液透气微气室的壁面由于受到“微孔扩散”、“溶解—扩散”等气体透过模式的作用，具有透过气体分子阻挡液体分子的功能。所述阻液透气微气室可制备为膜状或管状等多种结构。此外，根据应用环境的液压、气压、结构特性还可选择是否使用支撑结构。
若根据应用需求使用支撑结构，即所述阻液透气单元还包括支撑机构；所述反射式光纤气体传感探头的第一端部、所述支撑机构、所述阻液透气微气室形成由内向外的嵌套式包覆结构；所述支撑机构的功能在于为所述阻液透气微气室提供力学支撑，防止外界液压或气压过大影响气体扩散与确保反射式光纤气体传感探头的安全。
实施例提供的液体环境下的反射式光纤气体传感探头装置为一种探头无源的、能够在液体环境下以较小体积实现高灵敏度与良好气体选择性的基于阻液透气结构包覆的光纤气体传感探头装置。能够在不同类型的液相环境中(腐蚀性液体、高或低温液体、固液混合体和狭小空间内实现气体探测。
下面对本发明做进一步的说明。
参见图1至图5，本发明提出了一种液体环境下的反射式光纤气体传感探头装置，包括：反射式光纤气体传感探头1、阻液透气单元2、气路控制接口3。所述反射式光纤气体传感探头1、所述阻液透气单元2、所述气路控制接口3位于液体环境4中。
所述反射式光纤气体传感探头1的一端经过所述气路控制接口3延伸进入所述阻液透气单元2，所述反射式光纤气体传感探头1的另一端连接气体探测光路后根据反射式光学探测原理进行气体传感。
参见图1至图3，所述反射式光纤气体传感探头1和所述阻液透气单元2构成组合体。传输光纤11经由所述气路控制接口3进入所述阻液透气单元2的内部；气体传感光纤12则被完全包覆在所述阻液透气单元2的内部。
参见图1至图5所示，所述反射式光纤气体传感探头1、支撑机构22和阻液透气微气室21形成由内向外的嵌套式包覆结构；为了防止液体侵入所述阻液透气单元2的内部空间，在所述传输光纤11与所述气路控制接口3第二末端的连接处，在所述气路控制接口3的第一末端与所述阻液透气单元2的连接处，以及所述阻液透气单元2的另一端通过密封结构23进行密封处理，例如密封可采用聚丙烯材料实现。
通过所述反射式光纤气体传感探头1与所述阻液透气单元2，以及所述气路控制接口3连接至外部气路控制单元，对进入所述阻液透气单元2内部的气体进行控制。控制方式包括：(1)对前一阶段的内部待测气体进行充/吸往复式吹扫，以便快速进行下一阶段待测气体的探测；(2)对所述阻液透气单元2的内部构建微负压状态，加速所述液体环境4中的气体分子41进入，从而提高探测速度与灵敏度。
参见图6和图7所示，所述阻液透气微气室21的管壁面存在微结构孔，其孔径为最小为数微米；由于气体分子与液体分子体积尺寸存在差距，且受到液体表面张力的作用，在这种微结构的作用下，所述气体分子41通过微结构孔进入所述阻液透气微气室21的管内部，而所述液体环境4中的液体分子被阻挡在管外部。所述液体环境4中的气体分子41进入所述阻液透气微气室21的管内部后，经由所述支撑机构22(如图7所示，所述支撑机构22包括支撑材料221和透气孔222)的透气孔222可进入所述支撑机构22的内部空间。
本发明构建反射式探头，可结合基于光谱学方法和气体光谱“指纹特性”(不同气体在不同波长激光作用下的光谱特性不同，即某一气体的吸收或拉曼等光谱特征具有唯一性)的光学气体探测系统进行光学气体传感。
综上，本发明通过体积微小的反射式光纤气体传感探头，并结合阻液透气材料制备微型的阻液透气单元，构成一种无源、体积细小的气体探头，可在严苛的液体环境中进行气体检测。结合外部气体探测系统、气路控制系统可构建在液体环境中进行高选择性和灵敏度的痕量气体探测的方案。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种液体环境下的反射式光纤气体传感探头装置，其特征在于，包括：反射式光纤气体传感探头、阻液透气单元和气路控制接口；
所述反射式光纤气体传感探头的第一端部嵌套在所述阻液透气单元的内部；所述阻液透气单元的第一末端采用阻液材料进行密封，所述阻液透气单元的第二末端嵌套在所述气路控制接口的第一末端内部并采用阻液材料进行密封，所述气路控制接口第二末端与反射式光纤气体传感探头之间采用阻液材料进行密封；
所述气路控制接口用于连接气体压力和温度控制设备；
所述反射式光纤气体传感探头包括气体传感光纤、传输光纤、气体扩散通道；所述气体传感光纤与所述传输光纤连接，所述气体扩散通道用于允许气体进入所述气体传感光纤的传感区域中；
所述阻液透气单元包括阻液透气微气室；所述阻液透气微气室用于允许气体进入所述阻液透气微气室的内部，并阻止液体进入所述阻液透气微气室的内部。
2.根据权利要求1所述的液体环境下的反射式光纤气体传感探头装置，其特征在于，所述气体传感光纤为空芯光纤、微结构光纤、单模光纤及其二次加工品中的一种；所述气体扩散通道的类型为光纤内微结构通道、物理对接狭缝通道、激光加工微孔通道中的一种。
3.根据权利要求1所述的液体环境下的反射式光纤气体传感探头装置，其特征在于，所述气体传感光纤与所述传输光纤的连接采用熔接型、物理对接型中的一种。
4.根据权利要求1所述的液体环境下的反射式光纤气体传感探头装置，其特征在于，所述传输光纤与所述气体传感光纤连接构成光学反射结构。
5.根据权利要求1所述的液体环境下的反射式光纤气体传感探头装置，其特征在于，所述阻液透气微气室由高分子聚合物材料制备而成，所述阻液透气微气室制备为膜状或管状结构。
6.根据权利要求1所述的液体环境下的反射式光纤气体传感探头装置，其特征在于，所述阻液透气单元还包括：支撑机构；所述反射式光纤气体传感探头的第一端部、所述支撑机构、所述阻液透气微气室形成由内向外的嵌套式包覆结构；所述支撑机构用于为所述阻液透气微气室提供力学支撑。
7.根据权利要求6所述的液体环境下的反射式光纤气体传感探头装置，其特征在于，所述支撑机构采用开孔石英管、开孔金属管、多孔泡沫金属、超高分子聚乙烯中的一种材料制备而成。
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