CN208350127U - 一种多参量测量的中红外光纤传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种多参量测量的中红外光纤传感器，属于光纤传感技术领域，由宽带光源、光纤耦合器、样品室、反射光检测装置、透射光检测装置和中红外光纤传感头组成。通过检测从中红外光纤传感头中光栅反射的光波长来获得温度；气体进入两个平行的高掺锗光纤间的间隙，通过测量间隙的变化得到气体压力；通过分析透射光的吸收谱及强度情况就可以得到气体成分及浓度情况，实现了对气体成分、浓度、温度、压力的测量，从而实现传感器的多参量测量功能。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种光纤传感器，尤其涉及一种多参量测量的中红外光纤传感器，属于光纤传感技术领域。
背景技术
光纤传感器由于其独特的电绝缘性能好，抗电磁干扰能力强，非侵入性，高灵敏度等优点，得到了快速的发展。目前大部分的光纤传感器工作波长都是在2μm以内，而绝大多数气体在2～14μm的波长范围内都有其特有的红外吸收谱线，其特征吸收波长是红外活性物质本身固有的一种属性，不会因为物质的环境、温度等条件的变化而变化。而且气体对红外线的选择性吸收遵循朗伯-比尔定律，吸收量与气体浓度、光路长度有关，可以通过分析红外光透过气体后的光谱变化，检测出气体成分，并且可以从光的强度的变化得到对应的气体浓度。目前红外光纤传感器的研究大部分都只是停留在气体浓度等单因数的检测，应用范围相对较单一，利用率不高。目前尚未报道可以同时测量气体种类、气体浓度、温度、压力的多参量测量的中红外光纤传感器。
发明内容
为了解决上述问题，本实用新型提供一种多参量测量的中红外光纤传感器，该传感器具有结构简单、多参量测量、耐高温、高灵敏度等特点。
本实用新型为解决技术问题所采取的技术方案为：
一种多参量测量的中红外光纤传感器，包括宽带光源(1)、光纤耦合器(3)、中红外光纤传感头(4)、样品室(5)、反射光检测装置(2)和透射光检测装置(6)；其特征在于：所述的中红外光纤传感头(4)由第一段中红外特种光纤(43)、第二段中红外特种光纤(47)、第一空芯高掺锗光纤(45)、第二空芯高掺锗光纤(46)、第一热敏套管(41)、第二热敏套管 (42)组成，在第一段中红外特种光纤(43)上刻有光纤布拉格光栅(44)，第一段中红外特种光纤(43)熔接第一空芯高掺锗光纤(45)，第二段中红外特种光纤(47)熔接第二空芯高掺锗光纤(46)，第一空芯高掺锗光纤(45)和第二空芯高掺锗光纤(46)端面互相平行，并且在第一空芯高掺锗光纤(45)和第二空芯高掺锗光纤(46)端面间留有0.2毫米空隙，第一热敏套管(41)和第二热敏套管(42)分别由第一固定装置(48)和第二固定装置(49) 固定从而保持结构稳定；所述的宽带光源(1)与光纤耦合器(3)一端(31)相连，光纤耦合器(3)二端(33)与中红外光纤传感头(4)一端(410)相连，光纤耦合器(3)的三端 (32)与反射光检测装置(2)相连，中红外光纤传感头(4)另一端(411)与透射光检测装置(6)相连，中红外光纤传感头(4)放置于样品室(5)中。
本实用新型的有益效果：
通过检测从中红外光纤传感头中光栅反射的光波长来获得温度；气体进入两个平行的高掺锗光纤间的间隙，通过测量间隙的变化得到气体压力；通过分析透射光的吸收谱及强度情况就可以得到气体成分及浓度情况，实现了对气体成分、浓度、温度、压力的测量，从而实现传感器的多参量测量功能。
附图说明
图1是本实用新型一种多参量测量的中红外光纤传感器的结构示意图。
图2是中红外光纤传感头结构示意图。
图3是空芯高掺锗光纤结构示意图。
1为宽带光源；2为反射光检测装置；3为光纤耦合器；4为中红外光纤传感头；5为样品室；6为透射光检测装置。31为光纤耦合器一端口；32为光纤耦合器二端口；33为光纤耦合器三端口；41为第一热敏套管；42为第二热敏套管；43为第一段中红外特种光纤；44为光纤布拉格光栅；45为第一空芯高掺锗光纤；46为第二空芯高掺锗光纤；47为第二段中红外特种光纤；48为第一固定装置；49为第二固定装置；410为中红外光纤传感头一端；411 为中红外光纤传感头另一端。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的实施方式与工作原理进行说明。
实施方式：
如图1所示，一种多参量测量的中红外光纤传感器的结构示意图，包括宽带光源(1)、光纤耦合器(3)、中红外光纤传感头(4)、样品室(5)、反射光检测装置(2)和透射光检测装置(6)；其特征在于：所述的中红外光纤传感头(4)由第一段中红外特种光纤(43)、第二段中红外特种光纤(47)、第一空芯高掺锗光纤(45)、第二空芯高掺锗光纤(46)、第一热敏套管(41)、第二热敏套管(42)组成，在第一段中红外特种光纤(43)上刻有光纤布拉格光栅(44)，第一段中红外特种光纤(43)熔接第一空芯高掺锗光纤(45)，第二段中红外特种光纤(47)熔接第二空芯高掺锗光纤(46)，第一空芯高掺锗光纤(45)和第二空芯高掺锗光纤(46)端面互相平行，并且在第一空芯高掺锗光纤(45)和第二空芯高掺锗光纤(46) 端面间留有0.2毫米空隙，第一热敏套管(41)和第二热敏套管(42)分别由第一固定装置 (48)和第二固定装置(49)固定从而保持结构稳定；所述的宽带光源(1)与光纤耦合器(3) 一端(31)相连，光纤耦合器(3)二端(33)与中红外光纤传感头(4)一端(410)相连，光纤耦合器(3)的三端(32)与反射光检测装置(2)相连，中红外光纤传感头(4)另一端 (411)与透射光检测装置(6)相连，中红外光纤传感头(4)放置于样品室(5)中。
实施例及工作原理
图1是本实用新型一种多参量测量的中红外光纤传感器的结构示意图。其中宽带光源(1) 选择波长在1850～2500nm可调的中红外光源，光纤耦合器(3)为氟化物光纤耦合器，宽带光源(1)与氟化物光纤耦合器(3)的一端(31)连接，氟化物光纤耦合器(3)的二端(32) 与第一光谱分析仪(2)连接，氟化物光纤耦合器(3)的三端(33)与氟化物光纤传感头(4) 一端(410)相连，氟化物光纤传感头(4)采用两段长2m，纤芯直径5μm，包层直径125μm的氟化物光纤，第一段氟化物光纤(49)通过飞秒激光技术制备光纤布拉格光栅(44)，光纤布拉格光栅(44)反射率为70％，长度为1cm，中心波长为2100nm。与传统制备的光栅相比，飞秒激光制备的光栅，耐高温，大大解决了光纤光栅在多种环境中的应用问题。第二段氟化物光纤(411)的端面保持与第一段氟化物光纤(49)平行，并在第一段氟化物光纤(49)和第二段氟化物光纤(411)断面处分别熔接两个互相平行的第一空芯高掺锗光纤(45)和第二空芯高掺锗光纤(46)，图3是空芯高掺锗光纤结构示意图，采用空芯结构设计有利于尽量多的气体参与检测，从而提高测量精度；第一空芯高掺锗光纤(45)和第二空芯高掺锗光纤(46) 长都为2mm，内部空心直径都为93μm，外形尺寸与第一段氟化物光纤(43)和第二段氟化物光纤(47)尺寸一致都为125μm，第一空芯高掺锗光纤(45)和第二空芯高掺锗光纤(46) 端面间保持一定间隙构成非本征型法布里珀罗传感器(EFPI)；第一段氟化物光纤(49)与第一空芯高掺锗光纤(45)熔接好后密封在温度敏感的第一柔性石英毛细管(41)中，第一柔性石英毛细管(41)外面通过铝管(48)固定；第二段氟化物光纤(411)与第二空芯高掺锗光纤(46)熔接好后密封在温度敏感的第二柔性石英毛细管(42)中，第二柔性石英毛细管 (42)外面通过铝管(49)固定，保证了氟化物光纤传感头的稳定性；氟化物光纤传感头(4) 的另一端(411)与第二光谱分析仪(6)连接；氟化物光纤传感头(4)放置在样品室(5) 中进行检测。当宽带光源(1)的光进入氟化物光纤传感头(4)后会发生反射，反射光包括 EFPI和光纤光栅的光，通过分析光谱可以分别求出光纤光栅的波长和间隙长度，可以通过测试波长获得温度，间隙长度由光谱中相邻两个最大强度波长计算，假设λ1和λ2是光谱上最大强度的两个相邻波长，则间隙长度用d表示为d＝λ1λ2/2(λ2-λ1)。虽然温度变化也会导致间隙长度变化，但是计算压力时，温度引起的间隙长度的变化可以被计算和减去，从而解决交叉敏感问题；宽带光源(1)发出的光通过样品室(5)被选择性吸收，吸收后的光通过氟化物光纤的另一端(411)进入第二光谱分析仪(6)，通过对透射光的强度及光谱情况的分析就可以得到气体成分、浓度等信息，从而实现传感器的多参量测量功能。
以上实施例只是本实用新型所有方案中优选方案之一，其它对一种多参量测量的中红外光纤传感器结构的简单改变都属于本实用新型所保护的范围。
Claims (1)
1.一种多参量测量的中红外光纤传感器，包括宽带光源(1)、光纤耦合器(3)、中红外光纤传感头(4)、样品室(5)、反射光检测装置(2)和透射光检测装置(6)；其特征在于：所述的中红外光纤传感头(4)由第一段中红外特种光纤(43)、第二段中红外特种光纤(47)、第一空芯高掺锗光纤(45)、第二空芯高掺锗光纤(46)、第一热敏套管(41)、第二热敏套管(42)组成，在第一段中红外特种光纤(43)上刻有光纤布拉格光栅(44)，第一段中红外特种光纤(43)熔接第一空芯高掺锗光纤(45)，第二段中红外特种光纤(47)熔接第二空芯高掺锗光纤(46)，第一空芯高掺锗光纤(45)和第二空芯高掺锗光纤(46)端面互相平行，并且在第一空芯高掺锗光纤(45)和第二空芯高掺锗光纤(46)端面间留有0.2毫米空隙，第一热敏套管(41)和第二热敏套管(42)分别由第一固定装置(48)和第二固定装置(49)固定从而保持结构稳定；所述的宽带光源(1)与光纤耦合器(3)一端(31)相连，光纤耦合器(3)二端(33)与中红外光纤传感头(4)一端(410)相连，光纤耦合器(3)的三端(32)与反射光检测装置(2)相连，中红外光纤传感头(4)另一端(411)与透射光检测装置(6)相连，中红外光纤传感头(4)放置于样品室(5)中。
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