CN203479694U - 一种快速响应的光纤气体传感探头 - Google Patents

Abstract

一种快速响应的光纤气体传感探头，包括多芯光缆、传感探头外壳、光纤准直器、金属套管、气室、金属网和单模光纤；所述的金属套管套在光纤准直器外边锡焊连接；两个金属套管部分地插入到气室的两端孔中，金属套管和气室的一端激光焊接；传感探头外壳上有安装孔，气室通过螺钉和螺母固连于传感探头外壳内表面；所述的金属网夹在气室进气口和传感探头外壳内壁之间，传感探头外壳的左侧面开有安装光缆接头的安装孔，将多芯光缆引入探头，单模光纤从气室两端接入多芯光缆。本光纤气体传感探头的光耦合效率80%以上，气室浅而窄，可靠性和稳定性高。该探头缩短了环境气体与气室内成分置换的时间，提高了响应速度，满足实时在线监测需要，结构简单。

Description

一种快速响应的光纤气体传感探头

技术领域

   本实用新型涉及光纤传感器及其检测技术，尤其涉及光谱吸收法测量气体浓度的传感器探头技术。 

背景技术

   在煤矿安全事故中，瓦斯爆炸造成的伤亡约占所有重大事故伤亡人数的50%以上，我国煤矿发生的重大事故相对较多，给国民经济和人身安全造成了巨大损失。瓦斯爆炸成为安全生产的最大障碍和困扰煤矿安全生产的重大难题。 

  瓦斯气体在开采过程中缓慢的释放出来与空气中的氧气混合，一旦遇到明火就会发生猛烈的爆炸或者燃烧。及时检测瓦斯气体的产生源、泄露源及浓度，对煤矿安全运行，人身安全及环境保护有着十分重要的作用。 

  我国人口众多，每年需要从国外进口大量原油，原油到岸后都会储备到国家油库。油库里一旦由于瓦斯浓度超标发生险情，如果处理不及时，后果不堪设想。因此，有必要对石化行业环境中瓦斯气体浓度进行及时准确的在线监测。 

随着光纤传感技术的发展，光纤传感技术越来越多的用于气体浓度的监测。在光纤气体传感系统中，气体探头直接决定着光纤气体传感系统的稳定性和响应速度。目前，气体探头里面的气室多成管状，这种气室容积大，环境气体扩散进气室的路程长，使得气体更新缓慢，导致系统响应速度慢，实时性差。 

现阶段虽然国内外都有大量的研究机构和公司在开展光纤瓦斯气体传感器的开发，但是它们很少对探头部分作深入的研究，导致在工程应用中出现气体传感系统不稳定、易失效、响应速度慢、调校频繁的问题，或者探头结构复杂，不适合工程应用。 

实用新型内容

本实用新型目的鉴于上述现有工程化过程中出现的问题，提供一种结构简单、快速响应的光纤气体传感探头。 

本实用新型采用以下技术方案来实现： 

   一种光纤气体传感探头，它包括多芯光缆、传感探头外壳、光纤准直器、金属套管、气室、金属网和单模光纤；所述的金属套管套在光纤准直器外边通过锡焊连接；两个金属套管部分地插入到气室的两端孔中，所述的金属套管和气室的一端沿着金属套管激光焊接连接；传感探头外壳上有安装孔，气室通过螺钉和螺母固连于传感探头外壳内表面；金属网夹在气室进气口和传感探头外壳内壁之间，传感探头外壳的左侧面开有安装光缆接头的安装孔，将多芯光缆引入探头，单模光纤从气室两端接入多芯光缆。

其中，所述的气室为透射型气室，选用不锈钢材料加工而成。这种气室是由它所应用的场合决定的；而且可以提高金属套管和气室的焊接性能。 

所述的光纤准直器前端有自聚焦透镜，透镜上镀有增透膜。 

所述的金属套管为圆筒薄壁型，在一端每相隔90°开有定位小孔，方便锡焊定位。 

所述的金属网为不锈钢材料，金属网的目数可以更换。金属网为不锈钢材料，作用是隔离粉尘和大的液滴，保护光纤准直器。根据粉尘的大小和液滴的尺寸选用相应目数的金属网，提高过滤效果。金属网可以更换，且易于更换。 

本实用新型中，气室通过螺钉固连于传感探头外壳上，为了避免安装气室和由于环境温度变化时的应力集中对光路准直度的影响在螺钉连接耳朵处都设计有圆角。 

气体传感系统的响应时间是指环境中的气体扩散进气室，并均匀分布所需时间。当所测气体确定时，气体扩散系数也随之确定。此时可通过缩短环境中瓦斯气体扩散的路程和减小气室的容积来缩短瓦斯传感系统的响应时间，以此有效提高瓦斯传感系统的响应速度。 

本实用新型优点： 

1、探头中的气室属于透射型气室，不仅结构简单，成本低廉，并且稳定可靠，探头易于现场安装；更重要的是这种光纤气体传感探头能极大提高光纤瓦斯传感系统的响应速度。

   2、本实用新型采用激光焊接和锡焊结合，并利用金属套管对光纤准直器进行固定，实现一对光纤准直器的高效对接耦合。该固定方式使得气室可以做得浅而窄，而且可靠性、稳定性高。这样缩短了环境气体与气室内成分置换的时间，提高了系统的响应速度，满足了系统实时在线监测的需要。 

   3、由于气室与传感探头外壳连接固定耳朵处设计成圆角，可以避免安装气室和由于环境温度变化时的应力集中对光路准直度的影响。 

附图说明

图1为本光纤气体传感探头的三维立体图； 

图2为本光纤气体传感探头气室结构示意图；

图3为图2气室在A处局部放大图；

图中：1-多芯光缆、2-传感探头外壳、3-光纤准直器、4-金属套管、5-气室、6-螺钉、7-螺母、8-金属网、9-单模光纤、10-气室与金属套管间的激光焊，11-金属套管与光纤准直器间的锡焊、12-金属套管定位孔与光纤准直器之间的锡焊。

具体实施方式

   下面结合附图对本实用新型实施方式做进一步详细说明。 

图1所示光纤气体传感探头包括一种光纤气体传感探头，其特征在于，该探头包括多芯光缆1、传感探头外壳2、光纤准直器3、金属套管4、气室5、金属网8和单模光纤9；所述的金属套管套在光纤准直器外边通过锡焊连接；两个金属套管4部分地插入到气室5的两端孔中，所述的金属套管和气室的一端沿着金属套管激光焊接连接；传感探头外壳2上有安装孔，气室(5)通过螺钉6和螺母7固连于传感探头外壳2内表面；金属网8夹在气室进气口和传感探头外壳2内壁之间，传感探头外壳2的左侧面开有安装光缆接头的安装孔，将多芯光缆1引入探头，单模光纤9从气室5两端接入多芯光缆1。 

所述的气室为透射型气室，选用不锈钢材料加工而成。所述光纤准直器3前端有自聚焦透镜，透镜上镀有增透膜。所述金属套管4为圆筒薄壁型，在一端每相隔90°开有小孔，方便锡焊定位。金属网8为不锈钢材料，作用是隔离粉尘和大的液滴，保护光纤准直器。根据粉尘的大小和液滴的尺寸选用相应目数的金属网，提高过滤效果。金属网8可以更换，且易于更换。传感探头外壳2的左侧面开有安装光缆接头的安装孔，用于将多芯光缆1引入探头。 

当环境中的气体扩散进气室5时，由于不同气体对特征光谱的吸收作用，导致光强的衰减，并且光强的衰减程度与气体的浓度成正比。气室5通过一对光纤准直器3实现光在气室中的传播，光纤准直器3是探头的核心部件，其固定方式直接决定了光纤准直器的耦合效率，具体实现方法如图2所示。金属套管4的外径设计为比气室5两端的孔径略小。把两个金属套管部分地插入到气室5的两端孔中，在10处沿着金属套管进行激光焊接，将金属套管4和气室5可靠的固定在一起。将两个光纤准直器分别插入金属套管中，对准光路并在光纤准直器与金属套管之间（11及定位孔12处）加涂焊锡，使得光纤准直器3和金属套管4可靠连接。要求传感探头的光耦合效率达到80%以上。 

为了延长光纤气体传感系统的免调校周期，最有效的方法是保护光纤准直器不被外界环境污染，本实用新型的方法是用不锈钢金属网8，把光纤准直器3与粉尘、大的液滴隔离开。根据瓦斯探头工程应用场合的不同，金属网8的目数可以做调整，在煤矿这样恶劣的环境下，在保证环境中的气体能顺畅扩散进去的同时，尽可能选择多目数的金属网8；而在石化行业，由于环境并不像煤矿那么恶劣，可以选择少目数的金属网8。根据使用需要，也可以叠放多层金属网8。 

为了避免环境中的气体进入气室5后扩散到传感探头外壳2中，造成瓦斯气体残留，使光纤气体（瓦斯）传感系统对环境中瓦斯气体反应的迟滞，本实用新型在气室四周涂胶或者使用O型橡胶垫圈，有效密封。 

Claims (6)

1.一种光纤气体传感探头，其特征在于，该探头包括多芯光缆（1）、传感探头外壳（2）、光纤准直器（3）、金属套管（4）、气室（5）、金属网（8）和单模光纤（9）；所述的金属套管套在光纤准直器外边通过锡焊连接；两个金属套管（4）部分地插入到气室（5）的两端孔中，所述的金属套管和气室的一端沿着金属套管激光焊接连接；传感探头外壳（2）上有安装孔，气室(5)通过螺钉（6）和螺母(7)固连于传感探头外壳(2)内表面；金属网（8）夹在气室进气口和传感探头外壳（2）内壁之间，传感探头外壳（2）的左侧面开有安装光缆接头的安装孔，将多芯光缆（1）引入探头，单模光纤（9）从气室（5）两端接入多芯光缆（1）。

2.根据权利要求1所述的一种光纤气体传感探头，其特征在于，所述的气室为透射型气室，选用不锈钢材料加工而成。

3.根据权利要求1所述的一种光纤气体传感探头，其特征在于，所述的光纤准直器前端有自聚焦透镜，透镜上镀有增透膜。

4.根据权利要求1所述的一种光纤气体传感探头，其特征在于，所述的金属套管为圆筒薄壁型，在一端每相隔90°开有锡焊定位小孔。

5.根据权利要求1所述的一种光纤气体传感探头，其特征在于，所述的金属网（8）为不锈钢材料，金属网的目数可以更换。

6.根据权利要求1所述的一种光纤气体传感探头，其特征在于，气室与传感探头外壳连接耳朵处都设计有圆角。

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