專利名稱：波紋管型光纖氣體感測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及到光聲光譜氣體傳感的方法和裝置，更確切地說，涉及一種利用 光纖彎曲損耗變化檢測光聲信號(hào)的波紋管型的裝置。本實(shí)用新型屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域， 主要用于氣態(tài)物質(zhì)的濃度傳感檢測。
背景技術(shù)：
氣體的探測，尤其是可燃、易爆、有毒有害氣體的探測，對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民生活、 科學(xué)研究和國家安全至關(guān)重要。在氣體傳感器中，利用光聲光譜特性檢測氣態(tài)分析物濃度的檢測方法已經(jīng)為公眾 所周知，如先技術(shù)美國專利No. 4740086描述了在光激發(fā)氣態(tài)分析物時(shí)用光聲氣體傳感器 把調(diào)幅光源的光能轉(zhuǎn)換成聲能的情況。當(dāng)入射到氣室的光能被待測氣體吸收后，就生成強(qiáng) 度對(duì)應(yīng)于氣室內(nèi)待測氣體濃度的聲壓力波，該聲壓力波被電容微音器檢測。光聲氣體傳感 技術(shù)具有靈敏度高、氣室所需體積小等一系列優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛研究和應(yīng)用。光纖傳感器由于具有抗電磁干擾、靈敏度高、電絕緣性好、安全可靠、耐腐蝕、便于 復(fù)用組網(wǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)療、國防等各領(lǐng)域均有廣闊應(yīng)用前景。為了 將光聲氣體傳感原理和光纖傳感技術(shù)相結(jié)合，集成兩者的優(yōu)點(diǎn)，形成新型光纖光聲氣體傳 感技術(shù)，人們已經(jīng)提出了若干技術(shù)方案。在先技術(shù)之二 《基于光聲光譜法的光纖氣體傳感 器研究》，中國激光，第31卷，第8期，2004年中，提出了一種采用光纖馬赫曾德干涉相位傳 感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的微音器的方案，將光纖馬赫曾德干涉儀的一臂纏繞在光聲氣腔的外壁，當(dāng) 氣體吸收光能產(chǎn)生聲壓力波，聲壓力波將使得光聲氣腔的直徑變化，使纏繞在其上的光纖 產(chǎn)生徑向應(yīng)變，引起光波的相位變化，通過測量相位變化來感知聲壓力波變化，進(jìn)而得到氣 體濃度信息。但是，由于熱脹冷縮，環(huán)境溫度變化也會(huì)引起光聲氣腔直徑變化，同時(shí)參考臂 光纖會(huì)受到光聲氣腔外氣流和溫度的影響，而且光纖的纏繞會(huì)產(chǎn)生雙折射，從而產(chǎn)生較大 的與氣體吸收無關(guān)的相位噪聲，造成測量靈敏度低和測量穩(wěn)定性差。另外，其激勵(lì)光源采用 染料激光器，體積大；光強(qiáng)調(diào)制采用機(jī)械斬波器，頻率低。使得光纖傳感技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)沒有得 到充分發(fā)揮。中國專利授權(quán)公告號(hào)CN 201034929Y提出了一種在光聲氣室一端口放置感應(yīng)聲 壓力波的振動(dòng)膜片，并通過振動(dòng)膜片與光纖端面構(gòu)成的法布里-珀羅干涉儀來檢測聲壓力 波信號(hào)，由于振動(dòng)膜片反射信號(hào)的微弱使該裝置不易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的監(jiān)測，另外干涉信號(hào)的 解調(diào)裝置比較復(fù)雜，也需要較高的成本才能完成，從而限制了該類傳感器的使用范圍。
發(fā)明內(nèi)容為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型提供一種基于光纖彎曲損耗的氣體傳 感裝置，其結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)合理、加工制作方便且使用方式靈活、靈敏度高、使用效果好，并 且生產(chǎn)、使用、維護(hù)成本低。為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是一種波紋管型光纖氣體感
3測裝置，包括激光源25和用于接收要檢測氣體的氣室10，其特征在于氣室10是波紋管 型的結(jié)構(gòu)，在波紋管型氣室10的管壁的下凹處的相對(duì)兩個(gè)面上分別布設(shè)有A側(cè)變形齒3和 B側(cè)變形齒4，A側(cè)變形齒3和B側(cè)變形齒4相互交錯(cuò)對(duì)應(yīng)，A側(cè)變形齒3和B側(cè)變形齒4對(duì) 應(yīng)布設(shè)在信號(hào)光纖6的兩側(cè)，信號(hào)光纖6通過延長光纖1接測試單元5。待測氣體如甲烷進(jìn)入氣室10內(nèi)后，包含有待測氣體吸收特征波長的激光源25的 激光也注入到氣室10內(nèi)，甲烷的特征吸收波長可選用1331nm或1651nm，在氣室10內(nèi)，待測 氣體會(huì)吸收激光源25注入的光束能量，待測氣體的溫度會(huì)升高從而使氣室10內(nèi)部的壓力 增大，使波紋管型氣室10管壁的下凹處的相對(duì)兩個(gè)面之間的距離增大，從而使分別在所述 相對(duì)兩個(gè)面布設(shè)的A側(cè)變形齒3和B側(cè)變形齒4之間的距離改變，導(dǎo)致夾持在A側(cè)變形齒3 和B側(cè)變形齒4之間的信號(hào)光纖6的彎曲曲率變化，測試單元5通過檢測信號(hào)光纖6內(nèi)部 傳輸光信號(hào)功率的變化獲取所述氣室10內(nèi)部壓力的變化，此處是用分別布設(shè)在波紋管型 氣室10的管壁的下凹處的相對(duì)兩個(gè)面上的A側(cè)變形齒3和B側(cè)變形齒4，以及夾持在兩者 變形齒間的信號(hào)光纖6為主構(gòu)成的聲波檢測元件代替了公眾熟知的微音器元件，然后通過 公眾所熟知的其余檢測流程獲取待測氣體的濃度。所述的變形齒分布于波紋管型氣室10的內(nèi)壁上。所述的變形齒分布于波紋管型氣室10的外壁上。所述的氣室10是螺旋形結(jié)構(gòu)的波紋管結(jié)構(gòu)。在所述的信號(hào)光纖6的一端安置有光反射裝置，如光反射鏡、光纖光柵、或在信號(hào) 光纖的端面鍍反射膜，或僅僅是將信號(hào)光纖的端面處理為鏡面。所述的信號(hào)光纖6的另一端通過延長光纖與1X2光分路器的1 口連接，1X2光分路 器的2 口分別接構(gòu)成測試單元的穩(wěn)定光源和光功率計(jì)。二個(gè)或二個(gè)以上不同的氣室10上的信號(hào)光纖6串聯(lián)在一根光纖。所述的任意二個(gè)氣室10的共振頻率均不相同。在連接激光源25和氣室10之間的傳輸光纖上安置有IXN光分路器，IXN光分路器 N 口的一端分別通過傳輸光纖連接有多個(gè)氣室10。在連接激光源25和氣室10之間的傳輸光纖上安置有IXN光開關(guān)，IXN光開關(guān)N 口 的一端分別通過傳輸光纖連接有多個(gè)氣室10。所述信號(hào)光纖6為外部包有多層光纖保護(hù)層的光纖，如緊套光纖、碳涂覆光纖、聚 酰亞胺涂覆光纖等；所述信號(hào)光纖也可以是塑料光纖、多芯光纖、細(xì)徑光纖或光子晶體光 纖。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本實(shí)用新型的新型光纖氣體感測裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)合理、操作方法方便 且使用方式靈活、靈敏度高；2、本實(shí)用新型的波紋管型光纖氣體感測裝置，因使用波紋管型的氣室10并集成 了光纖型微音器替代了傳統(tǒng)的氣室加微音器，使本裝置具有抗電磁干擾、靈敏度高、電絕緣 性好、安全可靠、耐腐蝕、便于復(fù)用組網(wǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)；3、本實(shí)用新型的波紋管型光纖氣體感測裝置，由于可以采用的光源-光功率法測 試采集音頻信號(hào)，從而可以大幅度降低測試單元5的成本，從而使本裝置的整體成本大幅 度降低，使本裝置具有廣闊的使用范圍。[0023]4、本實(shí)用新型的波紋管型光纖氣體感測裝置，由于采用了波紋管型氣室10，使該 氣室10的光聲共振頻率大幅度降低，增加了測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和靈敏性。綜上所述，本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)合理、加工制作方便且使用方式靈活、靈敏 度高、使用效果好，并具有成本低、易組網(wǎng)復(fù)用等優(yōu)點(diǎn)，使本實(shí)用新型的裝置具有良好的使 用前景。下面通過附圖和實(shí)施例，對(duì)實(shí)用新型的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
圖1為本實(shí)用新型第一具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實(shí)用新型第一具體實(shí)施方式
中氣室10局部放大結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本實(shí)用新型第二具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為圖3中氣室10局部放大結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本實(shí)用新型第三具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖標(biāo)記說明
權(quán)利要求1.波紋管型光纖氣體感測裝置，包括激光源0 和用于接收要檢測氣體的氣室(10)， 其特征在于氣室(10)是波紋管型的結(jié)構(gòu)，在波紋管型氣室(10)的管壁的下凹處的相對(duì)兩 個(gè)面上分別布設(shè)有A側(cè)變形齒C3)和B側(cè)變形齒G)，A側(cè)變形齒C3)和B側(cè)變形齒(4)相 互交錯(cuò)對(duì)應(yīng)，A側(cè)變形齒(3)和B側(cè)變形齒(4)對(duì)應(yīng)布設(shè)在信號(hào)光纖(6)的兩側(cè)，信號(hào)光纖 (6)通過延長光纖(1)接測試單元(5)。
2.按照權(quán)利要求1所述的波紋管型光纖氣體感測裝置，其特征在于所述的變形齒分 布于波紋管型氣室(10)的內(nèi)壁上。
3.按照權(quán)利要求1所述的波紋管型光纖氣體感測裝置，其特征在于所述的變形齒分 布于波紋管型氣室(10)的外壁上。
4.按照權(quán)利要求1所述的波紋管型光纖氣體感測裝置，其特征在于所述的氣室(10) 是螺旋形結(jié)構(gòu)的波紋管結(jié)構(gòu)。
5.按照權(quán)利要求1所述的波紋管型光纖氣體感測裝置，其特征在于在所述的信號(hào)光 纖(6)的一端安置有光反射裝置G6)。
6.按照權(quán)利要求5所述的波紋管型光纖氣體感測裝置，其特征在于所述的信號(hào)光纖 (6)的另一端通過延長光纖(1)與1X2光分路器05)的1 口連接，1X2光分路器05)的2 口分別接構(gòu)成測試單元(5)的穩(wěn)定光源和光功率計(jì)。
7.按照權(quán)利要求1所述的波紋管型光纖氣體感測裝置，其特征在于二個(gè)或二個(gè)以上 不同的氣室(10)上的信號(hào)光纖(6)串聯(lián)在一根光纖。
8.按照權(quán)利要求7所述的波紋管型光纖氣體感測裝置，其特征在于所述的任意二個(gè) 氣室(10)的共振頻率均不相同。
9.按照權(quán)利要求7或8所述的波紋管型光纖氣體感測裝置，其特征在于在連接激光 源05)和氣室(10)之間的傳輸光纖上安置有IXN光分路器，IXN光分路器N 口的一端分別 通過傳輸光纖連接有多個(gè)氣室(10)。
10.按照權(quán)利要求7或8所述的波紋管型光纖氣體感測裝置，其特征在于在連接激光 源05)和氣室(10)之間的傳輸光纖上安置有IXN光開關(guān)，IXN光開關(guān)N 口的一端分別通過 傳輸光纖連接有多個(gè)氣室(10)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于光聲光譜技術(shù)的波紋管型光纖氣體感測裝置，包括激光源(25)、控制激光源(25)發(fā)光頻率的頻率發(fā)生器(40)、鎖定放大器(7)和計(jì)算氣體濃度的處理單元(50)，其特征是氣室(10)是波紋管型的結(jié)構(gòu)，由于氣室(10)在待測氣體聲壓力波下的改變而帶動(dòng)布設(shè)在波紋管型氣室(10)的管壁的相對(duì)兩個(gè)面上的A側(cè)變形齒(3)和B側(cè)變形齒(4)之間的距離變化，導(dǎo)致夾持在A、B兩側(cè)變形齒之間的信號(hào)光纖(6)的彎曲曲率變化，從而改變了信號(hào)光纖(6)的微彎損耗，通過測試單元(5)測得該變化，最后由處理單元(50)計(jì)算得到待測氣體濃度。本裝置精度高、成本低、易于復(fù)用組網(wǎng)，具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G01N21/17GK201885965SQ20102050708
公開日2011年6月29日 申請日期2010年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月17日
發(fā)明者杜兵 申請人:西安金和光學(xué)科技有限公司