CN204389394U

CN204389394U - 温度自补偿长周期光纤光栅挥发性有机物检测仪

Info

Publication number: CN204389394U
Application number: CN201420843993.4U
Authority: CN
Inventors: 王小明; 宁向平; 梁子馨; 李玥; 许多; 严正; 赵春柳
Original assignee: China Jiliang University
Current assignee: China Jiliang University
Priority date: 2014-12-26
Filing date: 2014-12-26
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2024-12-26

Abstract

温度自补偿长周期光纤光栅挥发性有机物检测仪，包括宽带光源，2×1耦合器，挥发性有机物气体，气室，一根FBG，一根长周期光纤光栅，沸石膜，光电探测器，数据采集卡，PC机以及挥发性有机物发生装置；所述挥发性有机物传感头由长周期光纤光栅和沸石膜组成；沸石膜吸附挥发性有机物气体，使得长周期光纤光栅耦合模式发生变化，引起谐振波长强度变化，通过监测长周期光纤光栅谐振波长的强度变化量，实现挥发性有机物强度解调；监测FBG谐振波长的漂移量，推得环境温度的变化量，从而得到长周期光纤光栅随温度的变化量，实现温度的自补偿。本实用新型提出一种结构简单、可在线检测、低成本、实用性强的温度自补偿长周期光纤光栅挥发性有机物检测仪。

Description

温度自补偿长周期光纤光栅挥发性有机物检测仪

技术领域

本实用新型属于光纤传感技术领域，特别涉及温度自补偿长周期光纤光栅挥发性有机物检测仪。

背景技术

光纤光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是一种无源滤波器件。在纤芯传输的光在每个光栅面处发生散射，满足布喇格条件的光将被反射，不满足布喇格条件的光将继续传输。FBG在传感领域中具有十分广泛的应用，用于一些重要物理参数(如应变、温度、压力、超声波等)的测量，其中，光纤光栅对折射率的变化不敏感；

长周期光纤光栅(Long period fiber grating，LPFG)是在光纤光栅的基础上发展起来的，长周期光纤光栅的模式耦合属于同向传输的纤芯基模和包层模之间的耦合，是一种光纤无源器件。长周期光纤光栅的谐振波长和损耗峰值对外界环境的变化非常敏感，具有比光纤布喇格光栅更高的温度、弯曲、扭曲、横向负载灵敏度等优点，其中温度是最重要的影响因素。

沸石是一种具有规则孔道结构的晶体，耐高温、抗化学和生物腐蚀、机械强度高，将沸石制备成厚度为微米级的薄膜可以实现分子的分离，即根据分子大小的不同实现分离。挥发性有机物(volatile organic compounds，VOCs)按照世界卫生组织的定义沸点在50℃-250℃的化合物，在常温下以蒸汽形式存在于空气中的一类有机物。为实现对挥发性有机物的传感，我们采用了沸石材料作为分子筛。

目前对于VOCs的定量分析常采用气相色谱法(GC)和气相质谱联用(GC-MS)方法、电化学探测法和红外吸收光谱法；对于室内甲醛的检测方法有：酚试剂比色法、定电位电解法以及气体检测管法。酚试剂比色法是利用甲醛与酚试剂反应生成埃，在该铁离子存在下嗪和酚试剂生成蓝绿色化合物，根据颜色深浅测定，该方法需要气体采样，不适合现场检测，且操作复杂；定电位电解法是含甲醛的空气扩散流经传感器，进入电解槽，发生氧化反应，该方法灵敏度低，易受外界电磁干扰；气体检测管法基本与酚试剂比色法类似。其中电化学方法需要对待测气体进行采样，不适用于现场检测；气相色谱和气相-质谱联用法和红外吸收光谱法需要专门的进样装置，其过程复杂、时间较长、无法满足实时自动化连续监测。光纤传感器是利用光在光纤中传播，光波的特征参量(相位、波长、频率、偏振态等)会受到外界因素的影响，只要检测出这些变化就可以直接或者间接的得出外界因素的参数。光纤传感器以其测量精度高、传感范围大和抗干扰能力强等优点，被广泛应用于传感领域。

针对上述挥发性有机物检测结构复杂、易受电磁干扰、不能实时在线检测等问题，本实用新型提出一种温度自补偿长周期光纤光栅挥发性有机物检测仪。本实用新型以镀沸石膜的长周期光纤光栅作为传感头，以光纤光栅作为温度补偿器件，实现对挥发性有机物的检测。因此，本实用新型提出的温度自补偿长周期光纤光栅挥发性有机物检测仪能够实现挥发性有机物的高灵敏度传感，结构简单，成本低，具有很强的实用价值。

实用新型内容

为了克服挥发性有机物检测结构复杂、易受电磁干扰、不能实时在线检测等问题，本实用新型提出了一种结构简单、可在线检测、低成本、实用性强的温度自补偿长周期光纤光栅挥发性有机物检测仪。

本实用新型为解决技术问题所采取的技术方案：

温度自补偿长周期光纤光栅挥发性有机物检测仪，包括：宽带光源、一个2×1耦合器、一根FBG、一根长周期光纤光栅、沸石膜、挥发性有机物发生装置、一个气室、光电探测器、数据采集卡以及PC机。

宽带光源的输出端与2×1耦合器两端口的一端相连，2×1耦合器一端口的一端与FBG的一端相连，FBG的另一端与长周期光纤光栅的一端相连，长周期光纤光栅的栅格处镀沸石膜，FBG和长周期光纤光栅置于气室中，长周期光纤光栅另一端与光电探测器的输入端相连，数据采集卡分别与光电探测器的输出端、2×1耦合器两端口的另一端和PC机相连，其中光电探测器具有时间响应特性，挥发性有机物发生装置与气室的挥发性有机物气体输入口相连。FBG对谐振波长反射率大于等于90％，长周期光纤光栅对谐振波长的透射率大于等于90％，FBG的谐振波长与长周期光纤光栅的谐振波长之间的波长差在10～20nm之间；镀在长周期光纤光栅上的沸石膜的厚度在2～10μm之间，单一挥发性有机物浓度的测量区间在350～5250ppm之间；温度自补偿挥发性有机物传感头由FBG、长周期光纤光栅和沸石膜组成。光电探测器、数据采集卡和PC机作为挥发性有机物信号解调系统。挥发性有机物发生装置产生不同浓度的挥发性有机物气体。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型利用镀有沸石膜的长周期光纤光栅作为挥发性有机物的传感头，结合长周期光纤光栅的高灵敏特性和沸石膜挥发性有机物分子筛特性，实现挥发性有机物的高灵敏度检测。

本实用新型利用FBG的对折射率不敏感和温度特性，通过测试FBG和长周期光纤光栅的温度特性，拟合FBG和长周期光纤光栅谐振波长随温度变化的关系式，通过监测FBG谐振波长的漂移量，确定环境的温度变化量，从而确定长周期光纤光栅随温度的变化量。

本实用新型中解调系统使用光电探测器，实现光强度的检测，避免了昂贵的光谱解调仪等波长检测设备的使用，降低了成本。

附图说明

图1为温度自补偿长周期光纤光栅挥发性有机物检测仪结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对实用新型进一步描述。

如图1所示，温度自补偿长周期光纤光栅挥发性有机物检测仪，包括宽带光源1，2×1耦合器2，挥发性有机物气体3，气室4，一根FBG 5，一根长周期光纤光栅6，沸石膜7，光电探测器8，数据采集卡9，PC机10以及挥发性有机物发生装置11。宽带光源1的输出端与2×1耦合器2两端口的一端相连，2×1耦合器2一端口的一端与FBG 5的一端相连，FBG5的另一端与长周期光纤光栅6的一端相连，长周期光纤光栅6的栅格处镀有沸石膜7，FBG5和镀有沸石膜7的长周期光纤光栅6置于气室7中，长周期光纤光栅6另一端与光电探测器8的输入端相连，数据采集卡9分别与光电探测器8的输出端、2×1耦合器2两端口的另一端和PC10机相连，其中光电探测器8具有时间响应特性，挥发性有机物发生装置11与气室4的挥发性有机物气体输入口相连，挥发性有机物气体3在气室4中自由扩散。FBG 5对谐振波长反射率大于等于90％，长周期光纤光栅6对谐振波长的透射率大于等于90％，FBG 5的谐振波长与长周期光纤光栅6的谐振波长之间的波长差在10～20nm之间；镀在长周期光纤光栅6栅格处的沸石膜7的厚度在2～10μm之间，单一挥发性有机物浓度的测量区间在350～5250ppm之间；温度自补偿挥发性有机物传感头由FBG 5、长周期光纤光栅6和沸石膜7组成；光电探测器8、数据采集卡9和PC10机作为挥发性有机物信号解调系统。挥发性有机物发生装置11产生不同浓度的挥发性有机物气体3。

本实用新型的工作方式为：宽带光源1产生信号光输入2×1耦合器2的两端口的一端，由2×1耦合器2的一端口的一端耦合到FBG 5中，不满足布喇格条件的波长的光透过FBG 5耦合到长周期光纤光栅6中，耦合到长周期光纤光栅6的光被沸石膜7吸附的挥发性有机物气体3吸收和散射，使得光的强度发生变化，被光电探测器8接收的光信号转变为电信号输出，光电探测器8输出的电信号经过整形、滤波、放大被数据采集卡9采集，由数据采集卡9采集的信号输入到PC机10经行数据显示和分析；耦合到FBG 5中满足布喇格条件波长的光经FBG 5反射由2×1耦合器2两端口的另一端输出，输出的信号被数据采集卡9采集输入到PC机10经行数据显示和分析；挥发性有机物发生装置11产生不同浓度的挥发性有机物气体3，挥发性有机物气体3在气室4中自由扩散。长周期光纤光栅6和沸石膜7作为挥发性有机物传感头，沸石膜7吸附挥发性有机物气体3，使得长周期光纤光栅耦合模式的有效折射率发生变化，从而使得耦合到长周期光纤光栅6的光强发生变化，变化的光强由光电探测器8转换为电信号，产生的电信号经过整形、滤波、放大输入到数据采集卡9，数据采集卡6采集的数据传输到PC机10分析和显示；当环境温度发生变化时，FBG 5和长周期光纤光栅6的谐振波长都会产生漂移，先通过实验采集大量数据分别得到FBG 5和长周期光纤光栅6的谐振波长随温度变化的线性关系，通过监测FBG 5谐振波长的漂移量，推算出温度的变化量，进而利用算法处理推出长周期光纤光栅6的谐振波长的漂移量，实现温度的自补偿。

该装置能够实现温度自补偿长周期光纤光栅挥发性有机物检测仪的关键技术有：

1、长周期光纤光栅上沸石膜的制作。利用高分水热反应釜制作沸石膜作为挥发性有机物的分子筛，在长周期光纤光栅处沸石膜的厚度应控制在2～10μm之间。

2、FBG和长周期光纤光栅的制作。利用氩离子激光器刻写FBG，且FBG对谐振波长的反射率大于等于90％；利用高频CO₂激光器制作长周期光纤光栅，且长周期光纤光栅对谐振波长的透射率大于等于90％；FBG谐振波长和长周期光纤光栅谐振波长之间波长差在10～20nm之间。

3、FBG和长周期光纤光栅温度特性。将FBG和长周期光纤光栅置于相同的环境中，通过改变环境温度的变化，采集FBG和长周期光纤光栅随温度的变化的数据，需要多次大量采集数据，拟合FBG和长周期光纤光栅随温度的变化关系式，利用算法实现长周期光纤光栅随温度测量的自补偿。

本实用新型的一个具体实施例中，Thorlabs的宽带光源，型号S5FC1550P-A2，输出波长1550nm，90nm带宽；FBG的谐振波长为1530nm，0.17nm带宽，10dB的反射率；长周期光纤光栅谐振波长为1543nm，光栅周期为590μm；沸石膜的厚度为8μm；光纤选用G.652单模光纤；带尾纤的光电探测器FDSP660，单模光纤，工作波长为610-770nm；同步数据采集卡KPCI-1818，8通道并行采集通道，采样频率为500KS/s，采样分辨率为12位。

以上所述及图中所示的仅是本实用新型的优选实施方式。本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理的前提下，还可以作出若干变型和改进，这些也应视为属于本实用新型的保护范围。

Claims

1.温度自补偿长周期光纤光栅挥发性有机物检测仪，包括：宽带光源，一个2×1耦合器，一根FBG，一根长周期光纤光栅，沸石膜，挥发性有机物发生装置，一个气室，光电探测器，数据采集卡以及PC机；

宽带光源的输出端与2×1耦合器两端口的一端相连，2×1耦合器一端口的一端与FBG的一端相连，FBG的另一端与长周期光纤光栅的一端相连，长周期光纤光栅的栅格处镀沸石膜，FBG和长周期光纤光栅置于气室中，长周期光纤光栅另一端与光电探测器的输入端相连，数据采集卡分别与光电探测器的输出端、2×1耦合器两端口的另一端和PC机相连，其中光电探测器具有时间响应特性，挥发性有机物发生装置与气室的挥发性有机物气体输入口相连；

FBG对谐振波长反射率大于等于90％，长周期光纤光栅对谐振波长的透射率大于等于90％，FBG的谐振波长与长周期光纤光栅的谐振波长之间的波长差在10～20nm之间；镀在长周期光纤光栅上的沸石膜的厚度在2～10μm之间，单一挥发性有机物浓度的测量区间在350～5250ppm之间；温度自补偿挥发性有机物传感头由FBG、长周期光纤光栅和沸石膜组成；光电探测器、数据采集卡和PC机作为挥发性有机物信号解调系统；挥发性有机物发生装置产生不同浓度的挥发性有机物气体。