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一種光纖氣體傳感器的制作方法

文檔序號(hào):6139211閱讀:308來源:國知局
專利名稱:一種光纖氣體傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及利用光學(xué)手段檢測氣體的領(lǐng)域,具體屬于一種能夠測量氣體種類和濃度的微結(jié)構(gòu)光纖氣體傳感器。
背景技術(shù)
對(duì)氣體種類和濃度的檢測在生產(chǎn)、生活及科研方面有著重要的應(yīng)用,如煤礦防爆用的甲烷氣體的檢測,汽車尾氣污染的檢測,室內(nèi)裝璜有害氣體的檢測,實(shí)驗(yàn)室科研中氣體的種類和濃度的檢測等。因此開發(fā)一種靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、使用安全方便的光纖氣體傳感器具有實(shí)用意義。
氣體種類和濃度的檢測,按檢測原理可分為光學(xué)式,半導(dǎo)體式,固體電解質(zhì)式,接觸燃燒式,電化學(xué)式等。其中光學(xué)式氣體傳感器具有許多其他傳感器無法比擬的優(yōu)點(diǎn),如靈敏度高、響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)范圍大、防電磁干擾、防燃防爆、不易中毒等。光學(xué)式氣體傳感器根據(jù)檢測原理還可分為吸收光譜型,熒光型,光纖化學(xué)材料型等。其中吸收光譜型傳感器具有靈敏度高、使用簡便、可靠性高和壽命長等優(yōu)勢,因而受到廣泛關(guān)注。它是利用不同氣體的吸收光波長不同,采用不同波長的單色光入射,可以測定不同氣體,該波長的光與氣體相互作用后,光強(qiáng)將會(huì)減弱,通過測定光功率的衰減,可以確定該氣體的濃度。在吸收光譜型氣體傳感器中,光纖型氣體傳感器又有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)1.光纖中光與氣體作用距離長,探測靈敏度高;2.光纖傳輸損耗小,可長距離傳輸,適合于遠(yuǎn)距離測量與控制;3.光纖體積小,重量輕,可彎曲,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,且有很好的電絕緣性,可在惡劣或危險(xiǎn)的特殊環(huán)境下及生物醫(yī)學(xué)方面可靠工作;4.光纖傳感器易于組成光纖傳感網(wǎng)絡(luò),可實(shí)現(xiàn)多功能、智能化的要求,采用多路復(fù)用技術(shù),可降低系統(tǒng)成本。
現(xiàn)有技術(shù)如,“Design and modeling of a photonic crystal fiber gas sensor”(Yeuk L.Hoo,Wei Jin,Chunzheng Shi,Hoi L.Ho,Dong N.Wang,and Shuang C.Ruan,Appl.Opt.,2003,Vol.42,No.18,p3509-3515)是采用實(shí)芯光子晶體光纖制成的全光纖型氣體傳感器,其纖芯是直徑為1.7μm的硅材料,外圍是多個(gè)直徑為1.55μm的氣孔。它具備吸收光譜型光纖氣體傳感器的優(yōu)點(diǎn),但這種結(jié)構(gòu)對(duì)損耗測量有衰減作用,而且包層中氣孔太小,氣體擴(kuò)散進(jìn)入氣孔需要一段時(shí)間,因此響應(yīng)時(shí)間較長。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種靈敏度較高,響應(yīng)時(shí)間短、使用方便安全、結(jié)構(gòu)簡單的能夠同時(shí)測量多種氣體種類和濃度的微結(jié)構(gòu)光纖氣體傳感器。
本發(fā)明的原理是利用微結(jié)構(gòu)空芯光纖的芯區(qū)及包層的微孔作為氣體吸收池來實(shí)現(xiàn)氣體檢測的。
微結(jié)構(gòu)空芯光纖的芯區(qū)是空氣或真空,外圍是由微小結(jié)構(gòu)組成的對(duì)橫向光束有反射功能的包層。例如包層是含圓形空氣微孔的平移周期性結(jié)構(gòu),形成帶隙反射的光子晶體空芯光纖,如圖1所示。又如包層是高低折射率相間的多層圓柱膜結(jié)構(gòu),形成干涉反射的布拉格空芯光纖,如圖2所示。又如包層是含非圓形空氣微孔的非周期性結(jié)構(gòu)的其他微結(jié)構(gòu)空芯光纖。
利用空芯光纖可以測不同氣體的濃度,因此采用這種技術(shù)可以制造實(shí)驗(yàn)室用的或工業(yè)用的廣譜靈敏分析儀器。若光源采用多波長光源,可同時(shí)探測多種氣體的濃度。
光在單模光纖中傳輸時(shí),光強(qiáng)滿足公式I(λ)=I0(λ)exp[-(α0+rαm)lC],(1)其中I0(λ)是波長為λ的入射光強(qiáng),I(λ)是經(jīng)過l長光纖后的光強(qiáng),C是被測氣體的濃度,α0是芯區(qū)中無被測氣體時(shí)光纖等損耗引起的吸收系數(shù),αm是被測氣體的吸收系數(shù),r是相對(duì)靈敏系數(shù)r=(nr/ne)f (2)其中nr是被測氣體的折射率,一般nr≈1。ne是有被測氣體時(shí)光纖的有效折射率,f是充入被測氣體部分的光強(qiáng)與整個(gè)區(qū)域光強(qiáng)之比。對(duì)于布拉格光纖,由于光主要集中在芯區(qū),因此f約為0.9,而有效折射率ne卻小于1,當(dāng)光波長在1.4μm~1.6μm光譜范圍時(shí),ne小于0.55。由(2)式計(jì)算可得,相對(duì)靈敏系數(shù)r大于164%。當(dāng)光波長為1.53μm時(shí),相對(duì)靈敏系數(shù)r為247%,而現(xiàn)有技術(shù)實(shí)芯光纖中相對(duì)靈敏系數(shù)r為12.6%,可見本發(fā)明中相對(duì)靈敏系數(shù)是現(xiàn)有技術(shù)的20倍左右。因此利用空芯光纖作吸收池對(duì)吸收系數(shù)的測量有放大作用。對(duì)于多模光纖,其中傳輸?shù)墓庵饕腔?,還有高階模。雖然f值比單模光纖小,但高階模的有效折射率比基模的有效折射率小,因此也有放大作用。
在實(shí)施過程中,光源發(fā)出的光經(jīng)過耦合器或分光器分為兩路,其中一路光進(jìn)入對(duì)比光纖,這里采用結(jié)構(gòu)和參數(shù)都與氣體吸收池相同的空芯光纖,不同之處在于對(duì)比光纖的芯區(qū)中密封的是普通的空氣或真空,目的是測量沒有充入被測氣體時(shí)光通過空芯光纖后的光強(qiáng),結(jié)果為αcI0exp(-α0Cl),這里αc是耦合器或分光器的分光比。另一路光進(jìn)入氣體吸收池,即含被測氣體的空芯光纖,測出的光強(qiáng)是(1-αc)I0exp(-α0Cl)exp(-rαmCl),由此可以計(jì)算出被測氣體的濃度。
依據(jù)上述原理,本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種光纖氣體傳感器,包括光源、耦合器、氣體吸收池、對(duì)比光纖、光電探測器、信號(hào)采集處理系統(tǒng),所述的氣體吸收池中的光纖和對(duì)比光纖是微結(jié)構(gòu)空芯光纖,其連接關(guān)系如下光源接耦合器的輸入,耦合器的一路輸出接氣體吸收池,氣體吸收池再接光電探測器,耦合器的另一路輸出接對(duì)比光纖,對(duì)比光纖再接另一個(gè)光電探測器,兩個(gè)光電探測器的輸出接信號(hào)采集處理系統(tǒng)。當(dāng)光源采用一定波長的單色光入射時(shí),可以測定在此波長處有吸收峰的氣體,比較兩個(gè)光電探測器的輸出信號(hào)來測定光功率的衰減,從而可以確定該氣體的濃度。
所述的耦合器可用分光器代替,光通過氣體吸收池后進(jìn)入普通實(shí)芯光纖,再經(jīng)實(shí)芯光纖另一端的全反膜反射后,返回空芯光纖氣體吸收池,再經(jīng)分光器進(jìn)入光電探測器。
所述的微結(jié)構(gòu)空芯光纖可以是光子晶體空芯光纖、布拉格空芯光纖或其他形式的空芯光纖。所述光纖可采用多模光纖,也可采用單模光纖。
本發(fā)明的氣體傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)1.采用空芯光纖對(duì)損耗測量具有放大作用,可以更靈敏的探測氣體的濃度;2.由于空芯光纖芯區(qū)的氣孔比現(xiàn)有技術(shù)實(shí)芯光纖中包層的氣孔大得多,可縮短氣體擴(kuò)散時(shí)間及響應(yīng)時(shí)間;3.若光源采用多波長光源,可同時(shí)探測多種氣體的濃度。


圖1光子晶體空芯光纖結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2布拉格空芯光纖結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3本發(fā)明光纖氣體傳感器一種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4圖3中的氣體吸收池的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5本發(fā)明光纖氣體傳感器另一種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6圖5中的氣體吸收池的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的一種實(shí)施方式如圖3所示的一種光纖氣體傳感器,包括由普通實(shí)芯光纖連接的光源1,耦合器2,氣體吸收池3,對(duì)比光纖4和光電探測器5、6,還包括信號(hào)采集處理系統(tǒng)7。所述的氣體吸收池3中的光纖8和對(duì)比光纖4是布拉格空芯光纖,當(dāng)然也可以采用光子晶體空芯光纖。其連接關(guān)系如下光源1接耦合器2的輸入,耦合器2的一路輸出接氣體吸收池3,氣體吸收池3再接光電探測器5,耦合器2的另一路輸出接對(duì)比光纖4,對(duì)比光纖4再接光電探測器6,光電探測器5、6的輸出接信號(hào)采集處理系統(tǒng)7。
其中氣體吸收池3的結(jié)構(gòu)如圖4所示,空芯光纖8的兩端有兩個(gè)開口,一端開口接有氣室9、過濾器10和氣體抽氣泵11,另一端開口接氣室12和過濾器13。
本發(fā)明的另一種實(shí)施方式如圖5所示的一種光纖氣體傳感器,包括由普通實(shí)芯光纖連接的光源1,光隔離器14,分光器2,氣體吸收池3,實(shí)芯光纖全反膜15,對(duì)比光纖4和光電探測器5、6,還包括信號(hào)采集處理系統(tǒng)7。所述的氣體吸收池3中的光纖8和對(duì)比光纖4是光子晶體空芯光纖或布拉格空芯光纖。其連接關(guān)系如下光源1發(fā)出的光經(jīng)光隔離器14后,進(jìn)入分光器2,分光器2按反射和透射比為1∶1的比例將入射光分為兩路,其中一路光進(jìn)入氣體吸收池3后,再進(jìn)入普通實(shí)芯光纖,經(jīng)實(shí)芯光纖另一端的全反膜15反射后,返回空芯光纖氣體吸收池3,再經(jīng)分光器2進(jìn)入光電探測器5,分光器2的另一路輸出光經(jīng)對(duì)比光纖4,進(jìn)入光電探測器6,光電探測器5、6的輸出接信號(hào)采集處理系統(tǒng)7。
其中氣體吸收池3的結(jié)構(gòu)如圖6所示,空芯光纖8的兩端有兩個(gè)開口,一端開口接有氣室9、過濾器10和氣體抽氣泵11,另一端開口接過濾膜16,氣體由此進(jìn)入空芯光纖。在該實(shí)施例中,所有光纖都用多模光纖。
本發(fā)明微結(jié)構(gòu)光纖氣體傳感器的兩種實(shí)施方式,可根據(jù)各自不同的特點(diǎn)適用于不同的要求。前者比后者成本更低,而后者更適合用于危險(xiǎn)惡劣的環(huán)境和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1.一種光纖氣體傳感器,包括由普通實(shí)芯光纖連接的光源、耦合器、氣體吸收池、對(duì)比光纖和光電探測器,還包括信號(hào)采集處理系統(tǒng),其特征在于所述的氣體吸收池(3)中的光纖(8)和對(duì)比光纖(4)是微結(jié)構(gòu)空芯光纖,其連接關(guān)系如下光源(1)接耦合器(2)的輸入,耦合器(2)的一路輸出接氣體吸收池(3),氣體吸收池(3)再接光電探測器(5),耦合器(2)的另一路輸出接對(duì)比光纖(4),對(duì)比光纖(4)再接光電探測器(6),光電探測器(5、6)的輸出接信號(hào)采集處理系統(tǒng)(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖氣體傳感器,其特征在于所述的耦合器(2)用分光器代替,光進(jìn)入氣體吸收池(3)后,再進(jìn)入普通實(shí)芯光纖,經(jīng)實(shí)芯光纖另一端的全反膜(15)反射后,返回氣體吸收池(3),再經(jīng)分光器(2)進(jìn)入光電探測器(5)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光纖氣體傳感器,其特征在于所述的微結(jié)構(gòu)空芯光纖可以是光子晶體空芯光纖、布拉格空芯光纖或其他形式的空芯光纖。
全文摘要
一種光纖氣體傳感器,包括由普通實(shí)芯光纖連接的光源(1)、耦合器(2)、氣體吸收池(3)、對(duì)比光纖(4)和光電探測器(5、6),還包括信號(hào)采集處理系統(tǒng)(7),所述的氣體吸收池中的光纖和對(duì)比光纖是微結(jié)構(gòu)空芯光纖,其連接關(guān)系如下光源(1)接耦合器(2)的輸入,耦合器(2)的一路輸出接氣體吸收池(3),氣體吸收池(3)再接光電探測器(5),耦合器(2)的另一路輸出接對(duì)比光纖(4),對(duì)比光纖(4)再接光電探測器(6),光電探測器(5、6)的輸出接信號(hào)采集處理系統(tǒng)(7)。本發(fā)明對(duì)損耗測量有放大作用,具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)時(shí)間短、使用方便安全及可同時(shí)測量多種氣體的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N21/31GK1648637SQ20051001234
公開日2005年8月3日 申請(qǐng)日期2005年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月29日
發(fā)明者周國生, 賈清, 薛文瑞, 賈鎖堂, 尹王寶, 馬維光 申請(qǐng)人:山西大學(xué)
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