CN117074366B - 基于微纳光纤的气体传感装置及浓度检测方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种基于微纳光纤的气体传感装置及浓度检测方法，包括：第一激光驱动器、第二激光驱动器、微纳光纤、气室、光栅、探测模块和处理器；微纳光纤放置并密封于气室中，气室内填充有待测气体；微纳光纤的两端分别熔接一个光栅；第一激光驱动器和第二激光驱动器分别与微纳光纤连接；探测模块与处理器和远离第一激光驱动器和第二激光驱动器一端的光栅连接。通过本申请实施例提供的一种基于微纳光纤的气体传感装置及浓度检测方法，通过在基于微纳光纤的气体传感装置中设置微纳光纤，使得折射率发生了微小的变化，探测光在F‑P腔中的光强度也能有较大的强度变化，因此有较高的灵敏度。
Description
技术领域
本申请涉及气体探测技术领域，具体而言，涉及一种基于微纳光纤的气体传感装置及浓度检测方法。
背景技术
气体传感指的是将气体的成份、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等利用的信息，目前，气体传感广泛应用于环境监测，医疗呼气诊断以及工业过程。吸收光谱法是一种常用气体传感方法，每一种气体对于不同波长的光有着不同的吸收强度，由此形成了每种气体独一无二的吸收频谱。吸收光谱法把特定波长的入射光通过待测气体时，光能量的一部分被待测气体吸收，被吸收的这一部分光能量与待测气体的浓度是正相关，因此通过检测被吸收的这一部分光能量可以得到气体的浓度等信息。
但基于吸收光谱法研制的气体传感器的检测精度较低。
发明内容
为解决上述问题，本申请实施例的目的在于提供一种基于微纳光纤的气体传感装置。
第一方面，本申请实施例提供了一种基于微纳光纤的气体传感装置，包括：第一激光驱动器、第二激光驱动器、微纳光纤、气室、光栅、探测模块和处理器；
所述微纳光纤放置并密封于所述气室中，所述气室内填充有待测气体；
所述微纳光纤的两端分别熔接一个所述光栅，其中，所述光栅对于所述泵浦光的透过率大于对所述探测光的透过率，所述光栅对于所述探测光的反射率大于对所述泵浦光的反射率；
所述第一激光驱动器和所述第二激光驱动器分别与所述微纳光纤连接；所述探测模块与所述处理器和远离所述第一激光驱动器和所述第二激光驱动器一端的光栅连接；
在进行待测气体的浓度检测时，利用所述第一激光驱动器向所述微纳光纤输入泵浦光，并利用所述第二激光驱动器向所述微纳光纤输入所述探测光，进入到所述微纳光纤的所述泵浦光在所述微纳光纤的两端的所述光栅之间直接通过，进入到所述微纳光纤的所述所述探测光在所述微纳光纤的两端的所述光栅之间反射，从而利用所述微纳光纤形成F-P腔；在泵浦光在F-P腔的两端的光栅之间通过的过程中，部分泵浦光会进入到气室内，进入所述气室的所述泵浦光的能量被所述待测气体所吸收，吸收了所述泵浦光的能量的待测气体的温度升高，温度升高的待测气体对所述F-P腔加热，从而改变所述F-P腔对所述探测光的折射率；在所述探测光在折射率改变的所述F-P腔两端的所述光栅之间进行反射的过程中，通过所述探测模块对穿过微纳光纤的探测光的光强度进行检测，并将检测到的所述探测光的光强度发送到所述处理器；
所述处理器，用于根据接收到的所述探测光的光强度对所述待测气体的浓度进行检测。
第二方面，本申请实施例提供了一种气体浓度的检测方法，用于执行上述第一方面的基于微纳光纤的气体传感装置中的处理器的功能，所述方法，包括：
根据接收到的所述探测光的光强度，形成所述探测光的光强度在所述预设波段内的曲线，并从所述探测光的光强度在所述预设波段内的曲线中得到所述探测光的基准波长对应的光强度；
获取所述泵浦光的波长，并利用所述泵浦光的波长以及从所述曲线中得到的所述探测光的基准波长的光强度，对所述待测气体的浓度进行检测。
本申请实施例上述第一方面提供的方案中，包括：第一激光驱动器、第二激光驱动器、微纳光纤、气室、光栅、探测模块和处理器；所述微纳光纤放置并密封于所述气室中，所述气室内填充有待测气体；所述微纳光纤的两端分别熔接一个所述光栅，其中，所述光栅对于所述泵浦光的透过率大于对所述探测光的透过率，所述光栅对于所述探测光的反射率大于对所述泵浦光的反射率；所述第一激光驱动器和所述第二激光驱动器分别与所述微纳光纤连接；所述探测模块与所述处理器和远离所述第一激光驱动器和所述第二激光驱动器一端的光栅连接；与相关技术中气体传感器的检测精度受限于有限的吸收光程，检测精度较低相比，本申请通过在基于微纳光纤的气体传感装置中设置微纳光纤，使得待测气体对F-P腔加热从而改变F-P腔对探测光的折射率，即使待测气体吸收泵浦光仅产生了微小的热量变化，也就是说折射率发生了微小的变化，探测光在F-P腔中的光强度也能有较大的强度变化，因此通过探测光的光强度对待测气体的浓度进行检测，可以有较高的灵敏度。
为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本申请实施例1所提供的一种基于微纳光纤的气体传感装置的结构框图；
图2示出了本申请实施例1所提供的一种微纳光纤的结构示意图；
图3示出了本申请实施例1所提供的一种F-P 腔中一个模式的示意图；
图4示出了本申请实施例1所提供的一种光热信号图；
图5示出了本申请实施例2所提供的一种气体浓度的检测方法的流程图。
具体实施方式
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
实施例1
在介绍一种基于微纳光纤的气体传感装置的结构之前，为了便于理解，先对待测气体的浓度检测的流程进行简单地说明：
在对待测气体的浓度检测的过程中，会多次调整泵浦光的波长，每一次调整泵浦光的波长，会通过探测模块对穿过微纳光纤的探测光的光强度进行检测，因此会得到泵浦光的波长和微纳探测光的光强度之间的光热信号图。为了方便描述，将这里的每一次调整泵浦光后的检测过程称为一次探测光强度检测过程。
可选地，在进行待测气体的浓度检测之前，利用第二激光驱动器向微纳光纤输入预设波段内的探测光，使得探测光在微纳光纤的两端的光栅之间反射，从而利用微纳光纤形成F-P腔；并通过探测模块对穿过微纳光纤的探测光的强度进行检测，并将检测到的探测光的强度发送到处理器。
处理器，用于根据接收到的探测光的强度，形成探测光的强度在预设波段内的变化曲线，并从变化曲线中选择强度变化率最大的波长为探测光在预设波段内的基准波长，并将探测光的基准波长在变化曲线中对应的探测光的强度确定为探测光的基准强度。
需要说明的是，这里的预设波段指的是吸收波段以外的波长范围中任意选择的一部分。
这里的强度变化率最大的波长的确定方法可以是，对探测光的光强度进行求导，导数的最大值对应的位置即强度变化率最大的位置，该位置的波长即强度变化率最大的波长，也就是基准波长。
图1示出了一种基于微纳光纤的气体传感装置的结构框图。如图1所示，气体传感装置包括：第一激光驱动器100、第二激光驱动器102、微纳光纤103、气室104、光栅105、光栅106、探测模块和处理器。
具体地，探测模块可以根据实际需要包括以下器件：波分复用器107、探测器108、PID控制器109、锁相放大器110以及采集卡111。
波分复用器107分别与远离第一激光驱动器100和第二激光驱动器102一端的光栅106连接，波分复用器107用于接收穿过微纳光纤103的探测光和泵浦光，并对泵浦光进行过滤，保留探测光，并将探测光输入给探测器108。
探测器108的一端与波分复用器107相连接，用于接收探测光。
探测器108的另一端分别与PID控制器109的一端和锁相放大器110的一端相连接，PID控制器用于在每一次探测光强度检测过程中将接收到的探测光的波长固定在基准波长上，从而获取探测光在基准波长上对应的光强度。
采集卡111的一端与锁相放大器110的另一端相连接，用于采集数据，数据包括探测光的强度、泵浦光的波长。
处理器与采集卡111的另一端想连接。
PID控制器109的另一端与第二激光驱动器102相连接，锁相放大器的另一端与采集卡111相连接，锁相放大器110用于对探测光进行调制解调。
微纳光纤103放置并密封于气室104中，气室104内填充有待测气体；微纳光纤103的两端分别熔接一个光栅106，其中，光栅106对于泵浦光的透过率大于对探测光的透过率，光栅106对于探测光的反射率大于对泵浦光的反射率；第一激光驱动器100驱动发射的探测光和第二激光驱动器102驱动发射的泵浦光分别与微纳光纤103连接；探测模块与处理器和远离第一激光驱动器100和第二激光驱动器102一端的光栅106连接。
需要说明的是，参见图2所示的微纳光纤103的结构示意图，本申请实施例中的微纳光纤103是实心的，微纳光纤103可以通过火焰刷法对标准的单模光纤拉锥制成。因此，由于拉锥的处理，微纳光纤103中必然包括过渡区和锥区，锥区直径可根据实际需求控制在几百纳米到几微米之间，具体地，锥区直径可以根据泵浦光的波长、以及泵浦光、探测光在微纳光纤103中的传输损耗进行综合考虑。锥区长度可以控制在几个厘米，这样可以使得在微纳光纤103中传播的泵浦光具有可观的倏逝场能量用于气体吸收，同时也使得微纳光纤103传输损耗在合理的范围。
关于倏逝场能量，光在微纳光纤103中传播时，大部分能量被限制在微纳光纤103中，但有一部分能量是泄露在微纳光纤103外的，倏逝场能量指的是泄露在空气中的那部分能量。
光栅106可以直接通过激光直写或者采用光纤光栅106直接熔接到微纳光纤103的两端。光栅106需要对泵浦光具有高透过率而对探测光具有高反射率。
为了使得进入到微纳光纤103的泵浦光在微纳光纤103的两端的光栅106之间直接通过，进入到微纳光纤103的探测光在微纳光纤103的两端的光栅106之间反射，光栅106需要对于泵浦光有较高的透过率，对于探测光有较高的反射率。
其中，光栅106对于泵浦光有较高的透过率，可以使泵浦光的大部分光强度，也可以说是泵浦光的大部分能量用于气体吸收，而吸收产生的热使得待测气体的温度发生变化，导致待测气体的折射率发生变化，吸收产生的另一部分热传导给微纳光纤103，也使得微纳光纤103的温度发生变化，从而使得微纳光纤103对光的折射率发生变化。需要说明的是，若泵浦光的光强度是稳定的，待测气体吸收泵浦光产生的热，也就是光热信号也是稳定的。为了保证检测结果的稳定性，在每一次探测光强度检测过程中泵浦光的光强度是不变的，也就是说，在每一次检测过程中泵浦光的波长是不变的。
参见图3所示的F-P 腔中一个模式的示意图，光栅106对于探测光有较高的反射率，使得探测光在光栅106之间来回反射，可以形成F-P 腔。
在进行待测气体的浓度检测时，利用第一激光驱动器100向微纳光纤103输入泵浦光，并利用第二激光驱动器102向微纳光纤103输入探测光，进入到微纳光纤103的泵浦光在微纳光纤103的两端的光栅106之间直接通过，进入到微纳光纤103的探测光在微纳光纤103的两端的光栅106之间反射，从而利用微纳光纤103形成F-P腔；在泵浦光在F-P腔的两端的光栅106之间通过的过程中，部分泵浦光会进入到气室104内，进入气室104的泵浦光的能量被待测气体所吸收，吸收了泵浦光的能量的待测气体的温度升高，温度升高的待测气体对F-P腔加热，从而改变F-P腔对探测光的折射率；在探测光在折射率改变的F-P腔两端的光栅106之间进行反射的过程中，通过探测模块对穿过微纳光纤103的探测光的光强度进行检测，并将检测到的探测光的光强度发送到处理器。
处理器，用于根据接收到的探测光的光强度对待测气体的浓度进行检测。
需要说明的是，待测气体对一部分波长的光线可以吸收，对另一部分波长的光线不能吸收。将光线中可以被待测气体吸收的波长范围称为待测气体的吸收波段。
在选择泵浦光和探测光时，主要考虑因素是波长，泵浦光的波长在待测气体的吸收波段内；预设波段内的探测光的波长不在待测气体的吸收波段内。
待测气体的浓度与光热信号正相关，而光热信号是通过探测光在F-P腔上的强度变化来表示，也就是说待测气体的浓度与探测光的光强度正相关。因此，在确定探测光的光强度后，可以通过标定来确定待测气体的浓度。
可选地，处理器执行根据接收到的探测光的光强度对待测气体的浓度进行检测的过程，包括步骤（1）至步骤（2）：
步骤（1）：根据接收到的探测光的光强度，形成探测光的光强度在预设波段内的曲线，并从探测光的光强度在预设波段内的曲线中得到探测光的基准波长对应的光强度；
步骤（2）：获取泵浦光的波长，并利用泵浦光的波长以及从曲线中得到的探测光的基准波长的光强度，对待测气体的浓度进行检测。
如图3所示，探测光的光强度在预设波段内的曲线指的是，根据探测光在预设波段内的波长和光强度的相关关系绘制的曲线图。图中的探测光工作点指的是基准波长，强度指的是探测光的光强度。
可选地，上述步骤（2）包括步骤（21）至步骤（22）：
步骤（21）：根据多组泵浦光的波长以及从曲线中得到的探测光的基准波长的光强度，得到探测光的基准波长的光强度随着泵浦光的波长的变化而发生改变的待测气体的光热信号图；
步骤（22）：获取预设浓度的待测气体的光热信号图，将待测气体的光热信号图与预设浓度的待测气体的光热信号图进行比对，得到待测气体的浓度。
在上述步骤（21）中，参见图4所示出的一种光热信号图。如图4所示，光热信号图的横坐标是泵浦光的波长，纵坐标是探测光的基准波长的光强度，也可以说是探测光的基准波长的光热。
可选地，F-P腔和光栅106之间满足如下的关系式：其中，/>表示F-P腔的品质因素，/>是F-P腔内损耗，R 是光栅106的反射率，L 是F-P腔的长度，、R以及L可以通过现有的方法直接测量，在此不做赘述。
可选地，接收到的探测光的光强度与微纳光纤103、泵浦光的功率之间的关系采用以下公式表示，该公式表明接收到的探测光的光强度与这三者之间的乘积正相关：/>其中，H表示接收到的探测光的光强度，/>表示正比于，/>表示泄露在微纳光纤103外侧的泵浦光与输入到微纳光纤103中的泵浦光的能量比，/>是待测气体吸收系数，/> 是泵浦光的功率，A是微纳光纤103的等效截面积。
在上述步骤（22）中，将待测气体的光热信号图与预设浓度的待测气体的光热信号图进行比对，指的是找到待测气体的光热信号图与预设浓度的待测气体的光热信号图之间的相关关系，例如在光热信号图中选择一个泵浦光的选定波长，选定波长在待测气体的光热信号图中的光强度与选定波长在预设浓度的待测气体的光热信号图中的光强度之间的比值。根据相关关系可以反推出预设浓度与待测气体的未知浓度之间的相关关系，从而得到待测气体的浓度。
示例地，假设待测气体是二氧化碳（CO2），预设浓度是1%，通过本申请提供的气体传感装置对预设浓度的CO2进行检测，得到的光热信号图中，当泵浦光的波长是a时，光强度是10；通过本申请提供的气体传感装置对未知浓度的CO2进行检测得到的光热信号图中，当泵浦光的波长是a时，光强度是20；此时，可以认为CO2的浓度是2%。
综上，本发明实施例所提供的一种基于微纳光纤103的气体传感装置，包括：第一激光驱动器100、第二激光驱动器102、微纳光纤103、气室104、光栅106、探测模块和处理器；微纳光纤103放置并密封于气室104中，气室104内填充有待测气体；微纳光纤103的两端分别熔接一个光栅106，其中，光栅106对于泵浦光的透过率大于对探测光的透过率，光栅106对于探测光的反射率大于对泵浦光的反射率；第一激光驱动器100和第二激光驱动器102分别与微纳光纤103连接；探测模块与处理器和远离第一激光驱动器100和第二激光驱动器102一端的光栅106连接。与相关技术中气体传感器的检测精度受限于有限的吸收光程，检测精度较低相比，本申请通过在基于微纳光纤103的气体传感装置中设置微纳光纤103，使得待测气体对F-P腔加热从而改变F-P腔对探测光的折射率，即使待测气体吸收泵浦光仅产生了微小的热量变化，也就是说折射率发生了微小的变化，探测光在F-P腔中的光强度也能有较大的强度变化，因此通过探测光的光强度对待测气体的浓度进行检测，可以有较高的灵敏度。
可以理解，图1所示的结构仅为示意，气体传感装置还可包括比图1中所示更多或者更少的组件，或者具有与图1所示不同的配置。图1中所示的各组件可以采用硬件、软件或其组合实现。
实施例2
图5示出了一种气体浓度的检测方法的流程图。如图5所示，一种气体浓度的检测方法，用于执行实施例1的基于微纳光纤的气体传感装置中的处理器的功能，包括：
步骤500：根据接收到的探测光的光强度，形成探测光的光强度在预设波段内的曲线，并从探测光的光强度在预设波段内的曲线中得到探测光的基准波长对应的光强度；
步骤502：获取泵浦光的波长，并利用泵浦光的波长以及从曲线中得到的探测光的基准波长的光强度，对待测气体的浓度进行检测。
可选地，上述步骤502中的利用泵浦光的波长以及从曲线中得到的探测光的基准波长的光强度，对待测气体的浓度进行检测，包括步骤（1）至步骤（2）：
步骤（1）：根据多组泵浦光的波长以及从曲线中得到的探测光的基准波长的光强度，得到探测光的基准波长的光强度随着泵浦光的波长的变化而发生改变的待测气体的光热信号图；
步骤（2）：获取预设浓度的待测气体的光热信号图，将待测气体的光热信号图与预设浓度的待测气体的光热信号图进行比对，得到待测气体的浓度。
可选地，在进行待测气体的浓度检测之前，还包括：
根据接收到的探测光的强度，形成探测光的强度在预设波段内的变化曲线，并从变化曲线中选择强度变化率最大的波长为探测光在预设波段内的基准波长，并将探测光的基准波长在变化曲线中对应的探测光的强度确定为探测光的基准强度。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (2)
1.一种基于微纳光纤的气体传感装置，其特征在于，包括：第一激光驱动器、第二激光驱动器、微纳光纤、气室、光栅、探测模块和处理器；
所述微纳光纤放置并密封于所述气室中，所述气室内填充有待测气体；
所述微纳光纤的两端分别熔接一个所述光栅，其中，所述光栅对于泵浦光的透过率大于对探测光的透过率，所述光栅对于所述探测光的反射率大于对所述泵浦光的反射率；
所述第一激光驱动器和所述第二激光驱动器分别与所述微纳光纤连接；所述探测模块与所述处理器和远离所述第一激光驱动器和所述第二激光驱动器一端的光栅连接；
在进行待测气体的浓度检测时，利用所述第一激光驱动器向所述微纳光纤输入泵浦光，并利用所述第二激光驱动器向所述微纳光纤输入所述探测光，进入到所述微纳光纤的所述泵浦光在所述微纳光纤的两端的所述光栅之间直接通过，进入到所述微纳光纤的所述探测光在所述微纳光纤的两端的所述光栅之间反射，从而利用所述微纳光纤形成F-P腔；在所述泵浦光在所述F-P腔的两端的所述光栅之间通过的过程中，部分泵浦光会进入到所述气室内，进入所述气室的所述泵浦光的能量被所述待测气体所吸收，吸收了所述泵浦光的能量的待测气体的温度升高，温度升高的待测气体对所述F-P腔加热，从而改变所述F-P腔对所述探测光的折射率；在所述探测光在折射率改变的所述F-P腔两端的所述光栅之间进行反射的过程中，通过所述探测模块对穿过微纳光纤的探测光的光强度进行检测，并将检测到的所述探测光的光强度发送到所述处理器；
所述处理器，用于根据接收到的所述探测光的光强度对所述待测气体的浓度进行检测；
其中，所述处理器，用于根据接收到的所述探测光的光强度对所述待测气体的浓度进行检测，包括：
根据接收到的所述探测光的光强度，形成所述探测光的光强度在预设波段内的曲线，并从所述探测光的光强度在所述预设波段内的曲线中得到所述探测光的基准波长对应的光强度；
获取所述泵浦光的波长，并利用所述泵浦光的波长以及从所述曲线中得到的所述探测光的基准波长的光强度，对所述待测气体的浓度进行检测；
其中，所述处理器，用于利用所述泵浦光的波长以及从所述曲线中得到的所述探测光的基准波长的光强度，对所述待测气体的浓度进行检测，包括：
根据多组所述泵浦光的波长以及从所述曲线中得到的所述探测光的基准波长的光强度，得到所述探测光的基准波长的光强度随着所述泵浦光的波长的变化而发生改变的待测气体的光热信号图；
获取预设浓度的待测气体的光热信号图，将所述待测气体的光热信号图与预设浓度的待测气体的光热信号图进行比对，得到所述待测气体的浓度；
其中，所述F-P腔和所述光栅之间满足如下的关系式：
其中， 表示所述F-P腔的品质因素，/>是F-P腔内损耗，R 是光栅的反射率，L是F-P腔的长度；
其中，接收到的所述探测光的光强度与所述微纳光纤、所述泵浦光的功率之间的关系采用以下公式表示：其中，H表示接收到的所述探测光的光强度，/>表示泄露在微纳光纤外侧的泵浦光与输入到微纳光纤中的泵浦光的能量比，/>是所述待测气体的吸收系数，/> 是所述泵浦光的功率，A是所述微纳光纤的等效截面积；其中，所述泵浦光的波长在所述待测气体的吸收波段内；
预设波段内的所述探测光的波长不在所述待测气体的吸收波段内。
2.根据权利要求1所述的气体传感装置，其特征在于，在进行待测气体的浓度检测之前，利用第二激光驱动器向所述微纳光纤输入预设波段内的探测光，使得所述探测光在所述微纳光纤的两端的所述光栅之间反射，从而利用所述微纳光纤形成F-P腔；并通过所述探测模块对穿过微纳光纤的探测光的光强度进行检测，并将检测到的所述探测光的光强度发送到所述处理器；
所述处理器，用于根据接收到的所述探测光的光强度，形成所述探测光的光强度在预设波段内的变化曲线，并从所述变化曲线中选择光强度变化率最大的波长为所述探测光在预设波段内的基准波长，并将所述探测光的基准波长在所述变化曲线中对应的探测光的光强度确定为所述探测光的基准强度。
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