專利名稱：一種光纖氣體傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種光纖氣體傳感器，光纖氣體傳感器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光纖氣體傳感技術(shù)是一種新型的氣體檢測技術(shù)。光纖具有獨特的導(dǎo)光特點，因而
利用光纖制作的傳感器具有一系列傳統(tǒng)傳感器所不能比擬的優(yōu)點。光纖具有傳輸損耗低、 直徑小、重量輕、可彎曲、耐腐蝕、及抗電磁干擾等優(yōu)點，因而可以將光纖傳感器放置在高
溫、潮濕、強(qiáng)噪聲、易燃、易爆、有毒等惡劣或危險的環(huán)境中，用光纖將感知信號引出，在安全 地帶進(jìn)行遠(yuǎn)距離在線遙控測量。此外，光纖傳感器還具有穩(wěn)定性高、測量靈敏度高、響應(yīng)速 度快、易于組成網(wǎng)絡(luò)等特點。 光纖氣體傳感器的理論基礎(chǔ)是氣體光譜理論和比爾_蘭伯定律。由于氣體分子具 有不同的能級，所以氣體分子只能吸收能量等于其能級差的光子。不同分子結(jié)構(gòu)的氣體只 能吸收滿足其結(jié)構(gòu)特性的特定頻率的光子，即分子選擇吸收特定波長的光子。分子吸收能 量后，躍遷到激發(fā)態(tài)。由于激發(fā)態(tài)的不穩(wěn)定性，在激發(fā)態(tài)停留很短的時間后，分子躍遷到穩(wěn) 定狀態(tài)，并伴隨著能量的輻射。由于輻射具有方向任意性，沿特定方向的這個吸收波長的能 量將減小，即分子吸收特定波長的光波。由于不同氣體分子具有不同的分子結(jié)構(gòu)，其吸收譜 線也有差異性，因此可以通過檢測分子的吸收譜線來確定氣體分子。 光在吸收介質(zhì)中傳播時，其能量沿傳播路徑不斷地衰減。比爾-蘭伯定律指出，光 沿其傳播路徑損耗的能量(即介質(zhì)吸收的能量)與光通過的路徑長度成正比。若取初始光 強(qiáng)為1。，則輸出光強(qiáng)I滿足以下關(guān)系 I = Ine—aLC
C:丄In
、/乂 其中，a為摩爾氣體分子吸收系數(shù)，L為氣體分子作用長度(傳輸距離)，C為待 測氣體的濃度。當(dāng)作用長度L固定時，輸出光強(qiáng)隨著氣體濃度的增大呈指數(shù)形式衰減。因 此，通過測量輸出光強(qiáng)就能檢測出氣體濃度。 由于氣體的吸收光譜具有多個吸收峰，為了提高傳感的靈敏度，傳統(tǒng)的光纖氣體 傳感器一般采用單譜線吸收方法，這就要求所采用的光源必須是窄帶光源，而且需要已知 被測氣體，以及被測氣體的吸收頻譜范圍。為了獲得最大吸收，還需要將光源的中心波長鎖 定在被測氣體的吸收峰上。因此，光源波長的穩(wěn)定性對于測量性能有重要的影響，且不具有 通用性。在實際的情況中，由于受到環(huán)境影響，光源的波長會發(fā)生漂移，從而偏離吸收峰的 位置，使測量精度降低。

發(fā)明內(nèi)容要解決的技術(shù)問題 為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本實用新型提出一種光纖氣體傳感器，可以利用
3寬帶光源，而且無需知道待測氣體的具體成分和吸收峰位置，使得這種光纖氣體傳感器具
有更高的通用性。 技術(shù)方案 —種光纖氣體傳感器，其特征在于包括光源1 ，光纖分束器2， 2個光纖環(huán)形器3，傳 感頭5，光電探測器9 ;光源1通過單模光纖與光纖分束器2連接，從光纖分束器2中引出的 單模光纖分別與兩個相同的光纖環(huán)行器3的第一個端口連接；兩個光纖環(huán)行器3的第二個 端口通過單模光纖連接傳感頭5的兩個輸入端；兩個光纖環(huán)行器3的第三個端口與兩根等 長度的單模光纖連接，且兩根單模光纖的輸出端Sl、 S2平行固定，光電探測器9的接收面平 行于兩個輸出端S^S2形成的平面；光電探測器9的輸出端聯(lián)接信號處理系統(tǒng)10 ;所述的傳 感頭5包括兩個平行的結(jié)構(gòu)相同的氣室6，其中一個為開放氣室，另一個為密閉的、內(nèi)部為 標(biāo)準(zhǔn)氣壓的空氣氣室；所述的氣室6的一端固定自聚焦透鏡11，自聚焦透鏡11的外端連接 來自于光纖環(huán)行器3的單模光纖；氣室6的另一端為平行于自聚焦透鏡11端面放置的全反 射棱鏡12。 所述的氣室6的另一端的全反射棱鏡12采用高反射率的平面鏡13取代。 全反射棱鏡12或高反射率的平面鏡13后設(shè)有調(diào)節(jié)旋鈕14。 所述的光電探測器9在光源為0.4 1. liim波長時，選用高分辨率線陣CCD探測器。 所述的光電探測器9在光源為1. 0 2. 5iim波長時，選用InGaAs線性成像探測 器。 所述的光電探測器9在光源為3. 0 5. 0 y m波長時，選用GaAs中紅外量子阱探 領(lǐng)lj器。 有益效果 本實用新型的光纖氣體傳感器，采用寬帶光源，其光譜寬度能夠覆蓋待測氣體的 特征吸收光譜，因而不需要光源光譜與氣體吸收譜線嚴(yán)格對應(yīng)，穩(wěn)定性更強(qiáng)。而且，由于采 用寬帶光源，可以獲得更大的輻射通量，能夠同時記錄全部的光譜成分，光能輸出更大，故 具有更高的靈敏度和信噪比。此外，采用寬帶光源，降低了對光源的要求，而且無需知道待 測氣體的具體成分和吸收峰位置，使得這種光纖氣體傳感器具有更高的通用性。

圖1是本發(fā)明中基于傅里葉變換光譜術(shù)的光纖氣體傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是圖1中的采用全反射棱鏡的傳感頭結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3是圖1中的采用高反射率的平面鏡的傳感頭結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4是圖1中的光纖探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。 圖中，光源1，光纖分束器2，光纖環(huán)行器3、4，傳感頭5，氣室6，標(biāo)準(zhǔn)單模光纖7，光 電探測系統(tǒng)8，空間高分辨率的陣列光電探測器9，信號處理系統(tǒng)10，自聚焦透鏡ll，全反射 棱鏡12，高反射率的平面鏡13，調(diào)節(jié)旋鈕14，出射光纖15。
具體實施方式現(xiàn)結(jié)合實施例、附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述
4[0026] 本實用新型設(shè)計的基于傅里葉變換光譜術(shù)的光纖氣體傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，包括寬帶光源1，光纖分束器2，光纖環(huán)形器3、4，傳感頭5，標(biāo)準(zhǔn)單模光纖7，空間高 分辨率的陣列光電探測器9，信號處理系統(tǒng)10。 其中寬帶光源1的波長為0. 4 1. 1 ii m，光電探測器9選擇高分辨率線陣CCD探 測器，所有連接的光纖為單模光纖。 傳感頭5包括兩個平行的氣室6，氣室6的長度為30cm。所述的氣室6的一端固 定自聚焦透鏡11，氣室6的另一端為平行于自聚焦透鏡11端面放置的全反射棱鏡12。 光源1通過單模光纖與光纖分束器2連接，從光纖分束器2中引出的單模光纖分 別與兩個相同的光纖環(huán)行器3的第一個端口連接；兩個光纖環(huán)行器3的第二個端口通過單 模光纖連接傳感頭5的兩個輸入端；兩個光纖環(huán)行器3的第三個端口與兩根等長度的單模 光纖連接，且兩根單模光纖的輸出端Sp S2平行固定，光電探測器9的接收面平行于兩個輸 出端Sp S2形成的平面；光電探測器9的輸出端聯(lián)接信號處理系統(tǒng)10 ;所述的兩個輸出端 Si、S2的間距為6cm。 光源發(fā)出的光經(jīng)光纖分束器2分為等強(qiáng)度的兩束光。 一束光經(jīng)過光纖環(huán)形器和標(biāo) 準(zhǔn)單模光纖傳輸后，進(jìn)入傳感頭其中的一個開放氣室。光在氣室中傳播L距離后，被全反射 棱鏡或高反射率的平面鏡反射，再傳播L距離后，通過自聚焦透鏡耦合回到光纖中，從傳感 頭中導(dǎo)出，完成氣體對光譜的選擇吸收，即完成氣體傳感。另一束光經(jīng)過相同的光纖環(huán)形器 和等長度的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖傳輸后，進(jìn)入傳感頭由自聚焦透鏡耦合到另一個密閉的、內(nèi)部為 標(biāo)準(zhǔn)氣壓的空氣的氣室中。開放氣室中為待測濃度為C的氣體，光在氣室中傳播的實際距 離為2L，由于氣體對光譜的選擇吸收，從開放氣室中導(dǎo)出的光強(qiáng)滿足條件 I = I0e—a2LC I。為導(dǎo)入到氣室中的初始光強(qiáng)。由于氣體對光譜的選擇吸收，從開放氣室導(dǎo)出的 光的光譜將發(fā)生變化。密閉氣室導(dǎo)出的光的光譜沒有變化。 如圖4所示，從傳感頭的氣室中導(dǎo)出的兩束光分別經(jīng)過等長度的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖傳
輸后，進(jìn)入光纖環(huán)形器，并由與光纖環(huán)行器輸出端口 c相連的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖導(dǎo)入光電探測
系統(tǒng)中，光纖的輸出端平行固定在光電檢測系統(tǒng)中，間距為6cm。在相距出射端為s的距離
上放置的高分辨率線陣CCD探測器，接收出射光的疊加光場，得到干涉光強(qiáng)分布。 S工和S2分別為兩光纖出射端面，兩束出射光分別經(jīng)過路徑L和12后到達(dá)P點并
產(chǎn)生干涉，P點為光電探測器上的一點，則S工和S2的光振動分別為
五io =4o exp[-i(紐-^)] ￡20 =4。 exp[-i(W —化)] S工和S2點的振動傳播到P點后，分別形成新的光振動
{五ip =exp[- i(W — ^ — )] 1~ = exP[-《W12 - W2)] 它們在P點的合振動為Ep = Elp+E2p， P點的干涉光強(qiáng)度為[0040]
=《+ 4P + 24/^2p c。s[MA - 0 + (A —化)] 待測氣體的濃度引起的折射率變化一般都很小，為10—6量級，因而可以認(rèn)為經(jīng)過 相同長度的充滿空氣和待測氣體的氣室后，在S工和S2端的光振動初始相位差為零。 Z = 4 +《+ 24 A cos(2兀w/) 式中，1 = lrl2為兩束光的光程差(假定氣體折射率為1) ， k = 27 Ji u為空間圓 頻率。干涉光的強(qiáng)度隨光程差的變化而變化，即干涉強(qiáng)度是關(guān)于光程差的余弦函數(shù)。因此， 在光程差為1的P點，寬帶光形成的干涉光場等于各個波長成分的疊加。通過對波長(頻 率)的疊加，可以得到P點的強(qiáng)度分布為 /(/) = Jd/(/，") = J"[《+ 4 + 24 cos(2兀w/)]dw 上式包含兩部分第一部分與光程差1無關(guān)，代表干涉信號的直流成分；第二部分 與光程差1有關(guān)，代表干涉信號的交流成分。投射在空間高分辨率的陣列光電探測器光敏 面上的，將是一組由不同波長成分的雙光束干涉形成的且按光程差大小排列的等間距余弦 平方型干涉條紋圖樣的疊加，因而空間高分辨率的陣列光電探測器探測到的干涉條紋強(qiáng)度 分布就是I (1)。 光電探測器件接收到干涉光強(qiáng)分布后，將其光信號轉(zhuǎn)化成電信號，傳輸?shù)叫盘柼?理系統(tǒng)。 信號處理系統(tǒng)對電信號進(jìn)行處理，濾掉直流部分，提取交流部分進(jìn)行分析。設(shè)干涉 的寬帶光譜強(qiáng)度分布為i(u)，根據(jù)傅里葉余弦變換算法，可以由空間光強(qiáng)分布反演得到光 譜強(qiáng)度分布 f2/(/)cos(2;ro/)d/ 通過信號處理系統(tǒng)對干涉圖的強(qiáng)度分布進(jìn)行一維傅里葉余弦變換，得到輸出光的 光譜強(qiáng)度分布。得到輸出光的光譜強(qiáng)度分布后，利用光譜吸收函數(shù)及其推導(dǎo)公式，在已知氣 室長度L的情況下，得到被測氣體的濃度C，分析輸出光的光譜吸收峰位置，得到氣體成分。 當(dāng)開放氣室的氣體濃度隨環(huán)境變化時，由于光纖傳感器和空間高分辨率陣列光電 探測器的響應(yīng)速度很快，可以通過設(shè)定采樣間隔時間，利用計算機(jī)進(jìn)行實時自動監(jiān)測氣體 濃度和氣體成分變化。當(dāng)監(jiān)測的氣體為易燃，易爆的氣體時，還可以通過分析判斷氣體濃度 和成分變化，給出預(yù)警信號。
權(quán)利要求一種光纖氣體傳感器，其特征在于包括光源(1)，光纖分束器(2)，2個光纖環(huán)形器(3)，傳感頭(5)，光電探測器(9)；光源(1)通過單模光纖與光纖分束器(2)連接，從光纖分束器(2)中引出的單模光纖分別與兩個相同的光纖環(huán)行器(3)的第一個端口連接；兩個光纖環(huán)行器(3)的第二個端口通過單模光纖連接傳感頭(5)的兩個輸入端；兩個光纖環(huán)行器(3)的第三個端口與兩根等長度的單模光纖連接，且兩根單模光纖的輸出端S1、S2平行固定，光電探測器(9)的接收面平行于兩個輸出端S1、S2形成的平面；光電探測器(9)的輸出端聯(lián)接信號處理系統(tǒng)(10)；所述的傳感頭(5)包括兩個平行的結(jié)構(gòu)相同的氣室(6)，其中一個為開放氣室，另一個為密閉的、內(nèi)部為標(biāo)準(zhǔn)氣壓的空氣氣室；所述的氣室(6)的一端固定自聚焦透鏡(11)，自聚焦透鏡(11)的外端連接來自于光纖環(huán)行器(3)的單模光纖；氣室(6)的另一端為平行于自聚焦透鏡(11)端面放置的全反射棱鏡(12)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于傅里葉變換光譜術(shù)的光纖氣體傳感器，其特征在于所 述的氣室(6)的另一端的全反射棱鏡(12)采用高反射率的平面鏡(13)取代。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于傅里葉變換光譜術(shù)的光纖氣體傳感器，其特征在于 全反射棱鏡(12)或高反射率的平面鏡(13)后設(shè)有調(diào)節(jié)旋鈕(14)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于傅里葉變換光譜術(shù)的光纖氣體傳感器，其特征在于所 述的光電探測器(9)在光源為0. 4 1. 1 P m波長時，選用高分辨率線陣CCD探測器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于傅里葉變換光譜術(shù)的光纖氣體傳感器，其特征在于所 述的光電探測器(9)在光源為1. 0 2. 5 ii m波長時，選用InGaAs線性成像探測器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于傅里葉變換光譜術(shù)的光纖氣體傳感器，其特征在于所 述的光電探測器(9)在光源為3. 0 5. Oiim波長時，選用GaAs中紅外量子阱探測器。
專利摘要本實用新型涉及一種基于傅里葉變換光譜術(shù)的光纖氣體傳感器，其特征在于光源通過單模光纖與光纖分束器連接，從光纖分束器中引出的單模光纖分別與兩個相同的光纖環(huán)行器的第一個端口連接；兩個光纖環(huán)行器的第二個端口通過單模光纖連接傳感頭的兩個輸入端；兩個光纖環(huán)行器的第三個端口與兩根等長度的單模光纖連接，光電探測器的接收面平行于兩個輸出端形成的平面；光電探測器的輸出端聯(lián)接信號處理系統(tǒng)。本實用新型采用寬帶光源，可以獲得更大的輻射通量，同時記錄全部的光譜成分，光能輸出更大，具有更高的靈敏度和信噪比，降低了對光源的要求，而且無需知道待測氣體的具體成分和吸收峰位置，使得這種光纖氣體傳感器具有更高的通用性。
文檔編號G01N21/31GK201532360SQ200920034520
公開日2010年7月21日 申請日期2009年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月14日
發(fā)明者李鵬, 趙建林 申請人:西北工業(yè)大學(xué)