CN114486731B - 基于法珀腔的光纤气体传感器 - Google Patents

基于法珀腔的光纤气体传感器 Download PDF

Info

Publication number
CN114486731B
CN114486731B CN202111610225.5A CN202111610225A CN114486731B CN 114486731 B CN114486731 B CN 114486731B CN 202111610225 A CN202111610225 A CN 202111610225A CN 114486731 B CN114486731 B CN 114486731B
Authority
CN
China
Prior art keywords
fabry
optical fiber
perot cavity
cavity
gas
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
Application number
CN202111610225.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114486731A (zh
Inventor
张嘉伟
刘朝辉
王力
李程
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian University of Technology
Original Assignee
Xian University of Technology
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian University of Technology filed Critical Xian University of Technology
Priority to CN202111610225.5A priority Critical patent/CN114486731B/zh
Publication of CN114486731A publication Critical patent/CN114486731A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114486731B publication Critical patent/CN114486731B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

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
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • 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
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G01N21/412—Index profiling of optical fibres
    • 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
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G01N21/4133—Refractometers, e.g. differential

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

本发明公开了一种基于法珀腔的光纤气体传感器，包括中空圆柱状的法珀腔腔体，法珀腔腔体的上端设有光纤陶瓷插针插孔，光纤陶瓷插针插孔的上方同轴设有中空圆筒状的顶部固定件，顶部固定件的内壁设有卡口，光纤陶瓷插针插入光纤陶瓷插针插孔中，法珀腔腔体的底部设有圆形敏感端反射面，靠近法珀腔腔体底部的侧边位置设计有至少一组栅孔A和栅孔B，每组栅孔A和一组栅孔B一一对称设置。本发明通过改变法珀腔腔体中的气体成分以实现对待测气体定性的检测。

Description

基于法珀腔的光纤气体传感器
技术领域
本发明属于光纤气体传感技术领域，涉及一种基于法珀腔的光纤气体传感器。
背景技术
随着我国对环境问题的越来越重视，对气体种类和浓度的检测在工业生产、生活以及科研方面有着重要的应用，如汽车尾气、工业废气、环境有害气体等领域都需要大量的气体传感器。基于光纤技术的气体传感器是80年代后期出现的一种新型传感器，基于光纤技术的传感器具有抗干扰能力强、精度高、响应速度快以及无源等优良的特性。特别是在一些恶劣环境下，光纤气体传感器表现出与其它传感器无法比拟的优点。随着光纤气体传感器趋向成熟发展，传统的电化学、催化燃烧等传感器将逐渐的被替代。
但是现有的光纤气体传感器仍然存在着很多缺陷。现有的光纤气体传感器主要是利用光纤传输光信号，在检测气体时需在专门的待测气室两端分别设计输入与输出透镜。从光纤出来的入射光要经过输入透镜转变光的角度再通过气室，之后再经输出透镜耦合到光纤。由于光信号在透镜中往返反射时很难保证其水平，这将导致一部分信号的损失。最终将导致测量的精度不高。且普通的光纤传感器需要双通道来检测气体的成分，一通道设置气体池，另一通道作为比对信号。通过两个通道的对比计算出待测气体的成分。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于法珀腔(法布里-珀罗腔)的光纤气体传感器，该传感器通过改变法珀腔腔体中的气体成分以实现对待测气体定性的检测。
本发明所采用的技术方案是，基于法珀腔的光纤气体传感器，包括中空圆柱状的法珀腔腔体，法珀腔腔体的上端设有光纤陶瓷插针插孔，光纤陶瓷插针插孔的上方同轴设有中空圆筒状的顶部固定件，顶部固定件的内壁设有卡口，光纤陶瓷插针插入光纤陶瓷插针插孔中，法珀腔腔体的底部设有圆形敏感端反射面，靠近法珀腔腔体底部的侧边位置设计有至少一组栅孔A和栅孔B，每组栅孔A和一组栅孔B一一对称设置。
本发明的特点还在于：
法珀腔腔体底部端面设有圆形卡槽，敏感端反射面恰好嵌装在卡槽中。
栅孔A和栅孔B形状相同，均为四分之一圆弧状结构。
卡口为环形阶梯状卡槽结构。
当法珀腔腔体从栅孔A和栅孔B的中流进待测气体时，由于法珀腔腔体内气体成分发生了变化，即光的折射率发生了变化，光纤传感器反射回来的光强度则发生变化，由法珀腔腔体内气体成分变化引起的光强度变化IR表示为：
本发明的有益效果是：本发明提供的基于法珀腔的光纤气体传感器，包括于法珀腔的光纤气体传感器、光纤传感器解调仪，光纤线。其中，基于法珀腔的光纤气体传感器的输出端与光纤传感器解调仪通过光纤线进行信号连接，光纤气体传感器腔体底部位置设计的圆环形栅孔用以用过不同的待测气体。本发明专利充分利用了光纤信号的抗干扰能力强，不受强电场、磁场、电磁波的干扰，测量精度高等特点。且通过改变法珀腔腔体中的气体成分以实现对待测气体定性的检测。
附图说明
图1为本发明基于法珀腔的光纤气体传感器的示意图；
图2为本发明基于法珀腔的光纤气体传感器中腔体顶部卡口结构图；
图3为本发明基于法珀腔的光纤气体传感器中腔体底部台阶式卡槽结构图；
图4为本发明用到的光纤陶瓷插针结构图；
图5为本发明基于法珀腔的光纤气体传感器的应用系统结构示意图；
图6为本发明基于法珀腔的光纤气体传感器的测试曲线图。
图中，1.法珀腔腔体，2.光纤陶瓷插针，3.栅孔A，4.栅孔B，5.卡槽，6.敏感端反射面，7.顶部固定件，8.卡口，9.光纤陶瓷插针插孔，10.光纤陶瓷插针信号发射端，11.光纤陶瓷插针尾部，12.光纤线，13.光纤气体传感器，14.光纤传感器解调仪，15.电脑单元。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明基于法珀腔的光纤气体传感器，如图1～3所示，包括法珀腔腔体1、光纤陶瓷插针2、顶部固定件7以及敏感端反射面6，光纤陶瓷插针2插入到法珀腔腔体1之上设计的圆柱形光纤陶瓷插针插孔9中，法珀腔腔体1的顶部位置设计有卡口8，如图4所示，卡口8用来固定光纤陶瓷插针尾部11。
法珀腔腔体1的靠近底部侧边位置设计有3组四分之一圆环形栅孔A3和四分之一圆环形栅孔B4，且每组圆环形栅孔对位设计。3组四分之一圆环形栅孔A3和3组四分之一圆环形栅孔B4一一对称设置。
法珀腔腔体1底部位置设计有卡槽5，敏感端反射面6放置于设计的卡槽5中。
法珀腔腔体1最底部的四分之一圆环形栅孔A3距离法珀腔腔体1底面为0.5mm，且每个栅孔的高度均为0.5mm以及相邻两个个栅孔之间的间隔同样为0.5mm，栅孔的水平长度为4mm。四分之一圆环形栅孔A3和四分之一圆环形栅孔B4的结构完全相同。
本发明基于法珀腔的光纤气体传感器。光源信号采用的是40nm波长的宽带激光光源。光信号由陶瓷插针发射到敏感端反射面，到达敏感端反射面时光信号将会发生折射，由于光信号在不同气体中的折射率n都不同，由公式(1)表示可得出光的强度将发生变化。法珀腔腔体1内最初通入的是空气，空气的折射率n为1。通过改变法珀腔腔体1内的气体成分，光信号的折射率n将会随不同的气体成分发生改变，此时入射光强度随之改变，将该光信号通入光纤耦合器，再经过光纤传感器解调仪对光信号进行解调计算。
本发明基于法珀腔的光纤气体传感器的制作方法以及步骤如下：
步骤1，设计光纤法珀腔气体传感器腔体。整体结构为圆柱形，圆柱形的顶部设计光纤陶瓷插针尾部对应的卡口固定件，用以将光纤陶瓷插针稳定且水平的插入腔体之中。将圆柱形腔体整体高度分为两部分，上半部分设计为中间开直径为2.6mm的圆柱形直通孔，用以插入光纤陶瓷插针；下半部分中部开的圆柱形孔稍大，用以充进待测气体，且下半部分靠近底部位置设计1/4圆环形栅孔，用以将待测的气体通进法珀腔腔体内部。圆柱形腔体的最底部设计为台阶式，用以将敏感端反射面放入其中。
步骤2，将光纤陶瓷插针2插入设计好的法珀腔腔体1中，法珀腔腔体1的顶部设有顶部固定件7，顶部固定件7的设计使得光纤陶瓷插针2的尾部可以很稳固的插入法珀腔腔体1之内。
步骤3，将敏感端反射面6水平的放置于圆柱形法珀腔腔体1底部设计的台阶式卡口8中，后用胶水在敏感端反射面6与周围的珀腔腔体1之间进行粘接。
通过上述三个步骤，即完成了光纤气体传感器的制作。
上述步骤2与步骤3中法珀腔腔体1的顶部固定件7的设计与底部台阶式卡口8设计的有益效果如下：
顶部固定件7设计的有益效果为：可以使得光纤陶瓷插针2发射光信号的水平端面与圆柱形法珀腔腔体1的端面保持水平。
台阶式卡口8设计的有益效果为：可以很好的将敏感端反射面与圆柱形腔体端面保持水平。
上述两个有益效果可以使光纤陶瓷插针2发射光信号的端面与敏感端反射面6保持在不同但平行的水平面上，使得光的往返反射更加水平，减少了光信号的损失，提高了传感器的灵敏度。使其测量的结果更加精准。
图1所示的圆片形敏感端反射面6仅画了一半示意，是为了便于看到气体传感器内部的结构。实际的敏感端反射面6为整圆。
如图5所示，本发明基于法珀腔的光纤气体传感器的应用系统，包括基于法珀腔的光纤气体传感器13、光纤传感器解调仪14以及电脑单元15。将基于法珀腔的气体传感器13与光纤传感器解调仪14进行信号连接，即可完成待测气体的量。
如图1所示，当光纤气体传感器13底部的四分之一圆环形栅孔A3和四分之一圆环形栅孔B4的中流进待测气体时，由于法珀腔腔体1内气体成分发生了变化，即光的折射率发生了变化，光纤传感器反射回来的光强度将会发生变化，由法珀腔内气体成分变化引起的光强度变化IR可表示为：
其中，R表示光信号的反射率，I0表示光信号的入射光强度，λ表示光信号的波长，L表示法珀腔腔体的腔长，n表示为F-P腔的折射率，一般为空气，n＝1。通入不同浓度的气体便可改变光信号的强度。通过光纤传感器解调仪即可计算出该变化的光信号强度对应的待测气体成分。
如图6所示为本发明基于法珀腔的光纤气体传感器的测试曲线图。此时法布里-珀罗腔内部通入的是CO2气体。传感器输出值即为法珀腔的长度L。
由测试曲线前半段可以得到法珀腔腔体内部通入气体后，由于光信号折射率的变化，传感器的输出值也发生了变化；由测试曲线的后半段可以得到，当我们将法珀腔内部的CO2气体排出后，传感器的输出值又会返回到原始值。响应度与灵敏度都有很好的呈现。

Claims (1)

1.基于法珀腔的光纤气体传感器，其特征在于：包括中空圆柱状的法珀腔腔体，法珀腔腔体的上端设有光纤陶瓷插针插孔，光纤陶瓷插针插孔的上方同轴设有中空圆筒状的顶部固定件，顶部固定件的内壁设有卡口，光纤陶瓷插针插入光纤陶瓷插针插孔中，法珀腔腔体的底部设有圆形敏感端反射面，靠近法珀腔腔体底部的侧边位置设计有至少一组栅孔A和栅孔B，每组栅孔A和一组栅孔B一一对称设置；
所述法珀腔腔体底部端面设有圆形卡槽，所述敏感端反射面恰好嵌装在卡槽中；
所述栅孔A和栅孔B形状相同，均为四分之一圆弧状结构；
所述卡口为环形阶梯状卡槽结构；
当所述法珀腔腔体从栅孔A和栅孔B的中流进待测气体时，由于法珀腔腔体内气体成分发生了变化，即光的折射率发生了变化，光纤传感器反射回来的光强度则发生变化，由法珀腔腔体内气体成分变化引起的光强度变化IR表示为：
上述公式(1)中，R表示光信号的反射率，I0表示光信号的入射光强度，λ表示光信号的波长，L表示法珀腔腔体的腔长，n表示为F-P腔的折射率。
CN202111610225.5A 2021-12-27 2021-12-27 基于法珀腔的光纤气体传感器 Active CN114486731B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111610225.5A CN114486731B (zh) 2021-12-27 2021-12-27 基于法珀腔的光纤气体传感器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111610225.5A CN114486731B (zh) 2021-12-27 2021-12-27 基于法珀腔的光纤气体传感器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114486731A CN114486731A (zh) 2022-05-13
CN114486731B true CN114486731B (zh) 2024-05-03

Family

ID=81495709

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111610225.5A Active CN114486731B (zh) 2021-12-27 2021-12-27 基于法珀腔的光纤气体传感器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114486731B (zh)

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101762318A (zh) * 2010-01-21 2010-06-30 上海大学 光纤非本征法布里-珀罗干涉超声传感检测装置
US9995628B1 (en) * 2015-05-14 2018-06-12 Nutech Ventures Fiber-optic temperature and flow sensor system and methods
CN108801946A (zh) * 2017-04-27 2018-11-13 香港理工大学深圳研究院 法布里-珀罗谐振腔光纤传感器及其制造和气体检测方法
CN109580546A (zh) * 2018-12-19 2019-04-05 天津大学 一种光纤法珀气体折射率和温度传感器及系统、测量方法
WO2020143091A1 (zh) * 2019-01-07 2020-07-16 大连理工大学 一种多腔叠加式非共振光声池及气体检测系统
CN112595945A (zh) * 2021-01-05 2021-04-02 西安理工大学 一种fbg温度补偿的光纤局部放电检测装置及方法
WO2021152345A1 (en) * 2020-01-28 2021-08-05 Latvijas Universitātes Cietvielu Fizikas Institūts An optical waveguide gas sensor
CN113476020A (zh) * 2021-07-12 2021-10-08 西安理工大学 一种基于f-p的无源脉搏测量装置
CN113804986A (zh) * 2021-08-03 2021-12-17 西安理工大学 一种基于窄带光源的高分辨率电场检测探头及检测方法
CN113805014A (zh) * 2021-08-03 2021-12-17 西安理工大学 一种基于电容式的光纤局部放电检测装置及检测方法
CN113804281A (zh) * 2021-08-03 2021-12-17 西安理工大学 一种基于f-p光纤法珀传感原理的声波振动测量装置

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101762318A (zh) * 2010-01-21 2010-06-30 上海大学 光纤非本征法布里-珀罗干涉超声传感检测装置
US9995628B1 (en) * 2015-05-14 2018-06-12 Nutech Ventures Fiber-optic temperature and flow sensor system and methods
CN108801946A (zh) * 2017-04-27 2018-11-13 香港理工大学深圳研究院 法布里-珀罗谐振腔光纤传感器及其制造和气体检测方法
CN109580546A (zh) * 2018-12-19 2019-04-05 天津大学 一种光纤法珀气体折射率和温度传感器及系统、测量方法
WO2020143091A1 (zh) * 2019-01-07 2020-07-16 大连理工大学 一种多腔叠加式非共振光声池及气体检测系统
WO2021152345A1 (en) * 2020-01-28 2021-08-05 Latvijas Universitātes Cietvielu Fizikas Institūts An optical waveguide gas sensor
CN112595945A (zh) * 2021-01-05 2021-04-02 西安理工大学 一种fbg温度补偿的光纤局部放电检测装置及方法
CN113476020A (zh) * 2021-07-12 2021-10-08 西安理工大学 一种基于f-p的无源脉搏测量装置
CN113804986A (zh) * 2021-08-03 2021-12-17 西安理工大学 一种基于窄带光源的高分辨率电场检测探头及检测方法
CN113805014A (zh) * 2021-08-03 2021-12-17 西安理工大学 一种基于电容式的光纤局部放电检测装置及检测方法
CN113804281A (zh) * 2021-08-03 2021-12-17 西安理工大学 一种基于f-p光纤法珀传感原理的声波振动测量装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN114486731A (zh) 2022-05-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102508337B (zh) 基于光纤熔锥的本征型法布里-珀罗器件及其制造方法
CN101718571B (zh) 一种倾斜光纤光栅液位变化测量仪
CN100401041C (zh) 光波导吸收式气体传感器及测量系统
CN101303300A (zh) 微型光纤f-p传感器及制作方法、基于传感器的液体测试仪
CN102494874B (zh) 一种可调激光型光纤光栅波长解调装置
CN109580035B (zh) 高条纹可见度的蓝宝石光纤高温传感器及其温度测量方法
CN112629743A (zh) 一种基于光纤双腔游标效应增敏的气压传感器
CN102183490A (zh) 光纤全息干涉测量装置
CN110726689B (zh) 一种微小型光谱吸收式光波导型中红外气体传感器及其应用
CN114486731B (zh) 基于法珀腔的光纤气体传感器
CN212134870U (zh) 一种局部放电检测用光纤双法珀腔超声波传感器
CN114111857A (zh) 一种基于游标效应的光纤fpi级联mi传感装置
CN110530466B (zh) 基于双无芯光纤级联的强度调制型液位传感检测方法
CN112179537A (zh) 一种基于光纤表面波导的法布里-珀罗干涉仪光纤传感器
CN210427778U (zh) 一种双芯光纤磁场传感探头
CN108020170A (zh) 一种反射式强度调制型光纤传感器不等间距错位式补偿结构
CN110763305B (zh) 一种光电式液位测量方法
CN110617901A (zh) 一种具有倾角反射面的蓝宝石光纤f-p高温传感器及制备方法和温度传感系统
CN217877738U (zh) 基于光纤耦合诱导透明的传感结构和传感装置
CN102128810B (zh) 棱镜模型多次折射的海水盐度检测装置
CN112683847A (zh) 基于错位熔接级联双腔的液体折射率传感器及传感方法
CN103557986B (zh) 一种差压传感器强度补偿方法及装置
CN110687076A (zh) 一种基于聚合物光纤模式干涉仪的湿度传感器
CN115575353B (zh) 一种基于回音壁模式的光纤折射率传感器及测量方法
CN214584839U (zh) 一种基于微纳光纤布拉格光栅的pH值测量系统

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