CN202275049U - 一种用于气体或液体浓度检测的光子晶体光纤传感探头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于气体或液体浓度检测的光子晶体光纤传感探头，包括一根实芯光子晶体光纤，在所述光纤中包含有纤芯，纤芯外周包覆有包层，包层外侧为涂覆层，在所述包层中设置有若干个空气孔；在所述光纤上沿纤芯所在轴线的两侧各开设有一个缺口，两个缺口分开间隔设置，且缺口的开设深度为到达接近纤芯外表面的位置处。本实用新型的光子晶体光纤传感探头可以对气体或者液体的浓度进行高精度检测，测试灵敏度高，并且实施起来比较简单可靠，不需要添加试剂，不会产生二次污染，响应速度快，并能在恶劣的海洋环境下长期可靠工作，设计体积小，应用环境灵活，适应性非常强。

Description

一种用于气体或液体浓度检测的光子晶体光纤传感探头

技术领域

本实用新型属于气体或者液体浓度检测设备技术领域，具体地说，是涉及一种用于检测气体或者液体浓度的光子晶体光纤传感探头。

背景技术

随着工业化发展的不断加快，大量的有害气体和液体不断产生，如果任其随意排放，将会对我们赖以生存的环境造成极大的破坏，进而严重危害人们的身体健康。因此，对于工厂产生的气体和液体是否有害，是否适合向外界排放，就需要一种有效的测试设备能够及时地对这些有害物质进行检测，以防止危害的发生。

光纤传感器由于有着传统传感器无法比拟的优势，一直以来在气体和液体的检测过程中扮演着非常重要的角色。而光子晶体光纤的出现则为弱吸收气体和液体高灵敏度检测提供了新的契机。

光纤传感器是一种光谱吸收型传感器，主要是利用待检测物质的特征吸收光谱，根据比尔-朗伯（Beer-Lambert）定律来计算待检测气体或者液体的浓度。众所周知，当光通过待检测物质时会发生衰减，假设I₀为没有通过待检测物质时的输出光强，以下称为入射光强；I为通过待检测物质后的输出光强，以下称为出射光强；则待检测气体或者液体的浓度C满足比尔-朗伯定律：

                      （1）。

其中，α为一定波长下待检测物质单位浓度和单位长度的吸收系数，当确定了待检测气体或者液体的种类以及相应的特征吸收波长时，该参数即为已知量；L为吸收光程长度，即光与待检测物质相互作用的长度，也就是光纤传感探头的光纤长度；将公式（1）变换可得：

                          （2）。

由上述可知，在α已知的情况下，待检测气体或者液体的浓度C可由入射和出射光强的变化量求得，这就是吸收型光纤传感器的基本工作原理。

现有的光纤传感器由于入射光强I₀和出射光强I的变化量较小，因此检测的灵敏度不高，精度较差，且存在光纤传感器系统装置复杂、吸收光程不易控制等问题。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种全新的基于光子晶体光纤的传感探头，利用实芯光子晶体光纤的多孔特性，通过在光纤包层上开设缺口，增强倏逝场与待检测物质的相互作用，从而提高了待测气体或者液体的浓度检测精度。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案予以实现：

一种用于气体或液体浓度检测的光子晶体光纤传感探头，包括一根实芯光子晶体光纤，在所述光纤中包含有纤芯，纤芯外周包覆有包层，包层外侧为涂覆层，在所述包层中设置有若干个空气孔；在所述光纤上沿纤芯所在轴线的两侧各开设有一个缺口，两个缺口分开间隔设置，且缺口的开设深度为到达接近纤芯外表面的位置处。

其中，在所述包层中还包含有固体介质，由所述固体介质和空气孔组成的包层的有效折射率比所述纤芯的有效折射率低。

进一步的，所述的两个缺口分设在光纤上沿纤芯所在轴线的相对两侧。

为了使倏逝场与待检测物质的相互作用增强，所述缺口优选通过对光纤沿缺口深度方向进行完全切割形成。即在开设所述缺口时，优选沿缺口深度方向对光纤进行完全切割，形成全缺口，使渗入到空气孔中的待检测物质增多，增大倏逝场能量。

进一步的，所述光纤的长度大于等于缺口长度的50倍。

优选的，所述光纤的长度在50cm至1m之间，所述缺口长度为1cm。

又进一步的，所述两个缺口之间的间隔距离优选为光纤长度的1/3至1/2。

为了使通过纤芯传输的光能够更多地透射到空气孔中，所述空气孔的横截面积最好大于纤芯的横截面积。

再进一步的，所述光纤的一端连接光源，另一端连接光电探测器或者光谱仪。

更进一步的，所述光源的类型应根据待测气体或者液体的特征吸收光谱确定，即使得待测气体或者液体在该光源所对应的波长附近能够具有较强的特征吸收光谱。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是：本实用新型的光子晶体光纤传感探头可以对气体或者液体的浓度进行高精度检测，测试灵敏度高，并且实施起来比较简单可靠，不需要添加试剂，不会产生二次污染，响应速度快，并能在恶劣的海洋环境下长期可靠工作，设计体积小，应用环境灵活，适应性非常强。

结合附图阅读本实用新型实施方式的详细描述后，本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本实用新型所提出的光子晶体光纤传感探头的光纤部分的结构示意图；

图2是图1的立体结构示意图；

图3是图1中形成第一缺口的光纤切割面的一种实施例的切面示意图；

图4是图1中形成第二缺口的光纤切割面的一种实施例的切面示意图；

图5是形成半缺口的一种实施例的切面示意图；

图6是图1中A-A向剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细地说明。

对于光子晶体光纤传感器来说，当光源发出的光沿着光纤中的纤芯传输时，会有部分光场透射到纤芯外部的包层中，由于在包层内的空气孔中渗透有气体或者液体，因此会对透射出来的光线进行部分吸收，产生能量损失，进而造成入射光强和出射光强产生偏差。利用入射光强和出射光强产生的偏差，并结合比尔-朗伯定律即可间接地获知所述气体或者液体的浓度，这就是用于检测气体或者液体浓度的光纤传感器的基本工作原理。

对于传统的光子晶体光纤传感器来说，由于通过光纤端部渗透到包层空气孔中的待测气体或者液体非常有限，因此，光纤包层所形成的倏逝场与待检测物质的相互作用比较弱，光场的能量损失非常小，反映到入射光强和出射光强来说，变化量比较小，因此检测精度不高，灵敏度差。

本实用新型为了提高光子晶体光纤传感器的检测精度和灵敏度，通过在光纤上制作缺口，人为地增强光纤包层倏逝场与待检测物质的相互作用长度（即增加了待测物质的吸收光程），使光能量的损失适当加大，由此来达到对待测气体或者液体高灵敏度检测的设计目的。

下面通过一个具体的实施例来详细阐述本实用新型所提出的光子晶体光纤传感探头的具体结构设计及其工作原理。

实施例一，参见图1所示，本实施例的光子晶体光纤传感探头是基于实芯光子晶体光纤设计的，所述光纤主要由三部分组成：涂覆层1、包层2和纤芯3。其中，纤芯3基本上位于光纤的中心位置，其外围包覆所述的包层2，包层2的外侧涂覆所述的涂覆层1。所述包层2由固体介质7和若干个空气孔5组成，其横截面结构可参见图6所示，所述包层2的有效折射率应低于所述纤芯3的有效折射率。

在利用所述光子晶体光纤传感探头对待测物质进行检测时，待测气体或者液体通过包层2中的空气孔5渗透到光纤中，以吸收透射到倏逝场的光强。为了使待测气体或者液体能够渗透到整个光纤包层的空气孔中，以增强倏逝场与待测物质的相互作用，本实施例在所述光纤上位于纤芯3所在轴线的两侧各开设一个缺口，如图1中的第一缺口4-1和第二缺口4-2。两个缺口4-1、4-2应分开间隔一段距离S设置，即如图1所示在纵向方向上无重叠部分，且缺口4-1、4-2的开设深度H为到达接近纤芯3外表面的位置处为宜，即缺口4-1、4-2开设的深度H应以尽量靠近纤芯3，但不损坏纤芯3为原则。由此通过在光纤上制作两个缺口4-1、4-2，可以使被检测的气体或者液体通过两个缺口渗透到光子晶体光纤的整个包层内，不仅吸收光程增加，而且相互作用面积增大，对光信号的吸收更强，检测信号的变化更大，从而大大提高了浓度检测的灵敏度。

作为一种优选设计方案，本实施例优选将两个缺口4-1、4-2开设在光纤上沿纤芯3所在轴线的相对两侧，即在光纤的一侧开设好第一缺口4-1后，将光纤以纤芯3为轴线旋转180度后，再在光纤的该侧开设第二缺口4-2，如图1所示的开设位置。两个缺口4-1、4-2之间的间隔距离S优选为整个光纤长度的1/3到1/2之间；缺口4-1、4-2的长度L1（定义缺口沿光纤长度方向为缺口长度方向）最好小于光纤长度的1/50，即光纤长度应大于等于缺口长度L1的50倍，以避免产生过多的能量损失，影响检测精度。

从光子晶体光纤传感探头的成本、方便应用性以及检测精度等方面进行综合考虑，所述光纤的长度最好大于50cm，以50cm至1m为宜；缺口4-1、4-2的长度L1大约1cm。当然，本实施例并不仅限于以上举例。

所述的缺口4-1、4-2可以开设成全缺口或者半缺口两种形式，结合图3-图5所示。即在开设所述缺口4-1、4-2时，可以沿缺口深度方向对光纤进行完全切割，形成全缺口，如图3、图4所示。其中，图3为第一缺口4-1的切割面示意图，即将纤芯3上方的包层2和涂覆层1全部剥除，形成一个长度为L1的全缺口，使纤芯3上方的空气孔6全部裸露；图3中标号5所对应的区域代表光纤未剖开的区域。图4为第二缺口4-2的切割面示意图，即将纤芯3下方的包层2和涂覆层1全部剥除，形成一个长度为L1的全缺口，使纤芯3下方的空气孔6全部裸露；图4中标号5所对应的区域代表光纤未剖开的区域。在光纤的相对两侧开设全缺口的光纤结构可以参见如图2所示的立体结构示意图。

当然，在开设所述缺口4-1、4-2时也可以仅对光纤进行部分切割，即仅剥除纤芯3上方或者下方的部分包层2和涂覆层1，以形成半缺口，如图5所示，使纤芯3上方或者下方的部分空气孔6裸露，同样可以达到增大包层倏逝场与待测物质相互作用长度，增强光信号吸收的设计目的。

相比全缺口和半缺口，本实施例优选采用在光纤的相对两侧各开设一个全缺口的设计方式，由此可以使得渗透到光子晶体光纤中的被测物质能够充满整个包层内的空气孔，不仅吸收光程增加，而且相互作用的面积也增大，使得检测信号的变化更加明显，检测的精度和灵敏度更高。

对于包层2中设置的空气孔6可以设计成任何形状和尺寸，比如圆柱形、方形或者六棱柱形等多种几何形状。作为本实施例的一种优选设计方案，所述空气孔6的横截面积最好大于纤芯3的横截面积，例如：当纤芯3的直径为1mm时，空气孔6可以设计成直径为4mm的圆柱形，以增大待测气体或者液体对入射光强的吸收量。

在采用本实施例的光子晶体光纤传感探头对待测气体或者液体进行检测时，还需配合使用光源和光电探测器或者光谱仪。将所述光纤的一端连接光源，另一端连接光电探测器或者光谱仪，所选择光源的类型应根据待测气体或者液体的特征吸收光谱确定，即使得待测气体或者液体在该光源所对应的波长附近能够具有较强的特征吸收光谱。若光纤的另一端连接光电探测器，通过光电探测器采集出射光线，并转换成电信号，输出至后级处理设备以计算生成待测气体或者液体的浓度。若光纤的另一端连接光谱仪，则可以通过光谱仪接收出射光线，并生成光谱图。利用光谱图获得吸收前后的光强值，即入射光强I₀和出射光强I，进而根据比尔-朗伯定律即可获得待测气体或者液体的浓度。

本实施例以对甲烷气体进行浓度检测为例进行举例说明：由于甲烷气体在近红外1660nm附近有很强的特征吸收光谱，因此可以采用碳化硅红外光源，连接到光子晶体光纤传感探头上。未通甲烷气体之前，光线通过传感探头后利用光谱仪测量透射光谱；通甲烷气体后利用光谱仪再测量透射光谱，对比前后光谱图，在1660nm附近会有很强的吸收峰，由此可以得到吸收前后的光强值，即公式（1）中的入射光强I₀和出射光强I，利用公式（2）即可计算得到甲烷气体的浓度。

本实施例借助光子晶体光纤研制传感探头，与传统的光纤传感器相比，极大增加了待测物质的吸收光程，并且结构简单、容易控制，避免了原有光纤传感器系统装置复杂、吸收光程不容易控制等问题。

当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于气体或液体浓度检测的光子晶体光纤传感探头，包括一根实芯光子晶体光纤，在所述光纤中包含有纤芯，纤芯外周包覆有包层，包层外侧为涂覆层，在所述包层中设置有若干个空气孔；其特征在于：在所述光纤上沿纤芯所在轴线的两侧各开设有一个缺口，两个缺口分开间隔设置，且缺口的开设深度为到达接近纤芯外表面的位置处。

2.根据权利要求1所述的光子晶体光纤传感探头，其特征在于：所述的两个缺口分设在光纤上沿纤芯所在轴线的相对两侧。

3.根据权利要求1所述的光子晶体光纤传感探头，其特征在于：所述缺口通过对光纤沿缺口深度方向进行完全切割形成。

4.根据权利要求1所述的光子晶体光纤传感探头，其特征在于：所述光纤的长度大于等于缺口长度的50倍。

5.根据权利要求4所述的光子晶体光纤传感探头，其特征在于：所述光纤的长度在50cm至1m之间，所述缺口长度为1cm。

6.根据权利要求1所述的光子晶体光纤传感探头，其特征在于：所述两个缺口之间的间隔距离为光纤长度的1/3至1/2。

7.根据权利要求1所述的光子晶体光纤传感探头，其特征在于：所述空气孔的横截面积大于纤芯的横截面积。

8.根据权利要求1所述的光子晶体光纤传感探头，其特征在于：在所述包层中还包含有固体介质，由所述固体介质和空气孔组成的包层的有效折射率比所述纤芯的有效折射率低。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的光子晶体光纤传感探头，其特征在于：所述光纤的一端连接光源，另一端连接光电探测器或者光谱仪。

10.根据权利要求9所述的光子晶体光纤传感探头，其特征在于：所述光源的类型根据待测气体或者液体的特征吸收光谱确定，使待测气体或者液体在该光源所对应的波长附近具有强的特征吸收光谱。

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