專利名稱：一種光纖氣體傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及利用光學手段檢測氣體的領域，具體屬于一種能夠測量氣體種類和濃度的微結構光纖氣體傳感器。
背景技術：
對氣體種類和濃度的檢測在生產、生活及科研方面有著重要的應用，如煤礦防爆用的甲烷氣體的檢測，汽車尾氣污染的檢測，室內裝璜有害氣體的檢測，實驗室科研中氣體的種類和濃度的檢測等。因此開發一種靈敏度高、結構簡單、使用安全方便的光纖氣體傳感器具有實用意義。
氣體種類和濃度的檢測，按檢測原理可分為光學式，半導體式，固體電解質式，接觸燃燒式，電化學式等。其中光學式氣體傳感器具有許多其他傳感器無法比擬的優點，如靈敏度高、響應速度快、動態范圍大、防電磁干擾、防燃防爆、不易中毒等。光學式氣體傳感器根據檢測原理還可分為吸收光譜型，熒光型，光纖化學材料型等。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勢，因而受到廣泛關注。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，光強將會減弱，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特的優點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，適合于遠距離測量與控制；3.光纖體積小，重量輕，可彎曲，化學性質穩定，且有很好的電絕緣性，可在惡劣或危險的特殊環境下及生物醫學方面可靠工作；4.光纖傳感器易于組成光纖傳感網絡，可實現多功能、智能化的要求，采用多路復用技術，可降低系統成本。
現有技術如，“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點，但這種結構對損耗測量有衰減作用，而且包層中氣孔太小，氣體擴散進入氣孔需要一段時間，因此響應時間較長。
發明內容
本發明的目的是提供一種靈敏度較高，響應時間短、使用方便安全、結構簡單的能夠同時測量多種氣體種類和濃度的微結構光纖氣體傳感器。
本發明的原理是利用微結構空芯光纖的芯區及包層的微孔作為氣體吸收池來實現氣體檢測的。
微結構空芯光纖的芯區是空氣或真空，外圍是由微小結構組成的對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構，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構，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構的其他微結構空芯光纖。
利用空芯光纖可以測不同氣體的濃度，因此采用這種技術可以制造實驗室用的或工業用的廣譜靈敏分析儀器。若光源采用多波長光源，可同時探測多種氣體的濃度。
光在單模光纖中傳輸時，光強滿足公式I(λ)＝I0(λ)exp[-(α0+rαm)lC]，(1)其中I0(λ)是波長為λ的入射光強，I(λ)是經過l長光纖后的光強，C是被測氣體的濃度，α0是芯區中無被測氣體時光纖等損耗引起的吸收系數，αm是被測氣體的吸收系數，r是相對靈敏系數r＝(nr/ne)f (2)其中nr是被測氣體的折射率，一般nr≈1。ne是有被測氣體時光纖的有效折射率，f是充入被測氣體部分的光強與整個區域光強之比。對于布拉格光纖，由于光主要集中在芯區，因此f約為0.9，而有效折射率ne卻小于1，當光波長在1.4μm～1.6μm光譜范圍時，ne小于0.55。由(2)式計算可得，相對靈敏系數r大于164％。當光波長為1.53μm時，相對靈敏系數r為247％，而現有技術實芯光纖中相對靈敏系數r為12.6％，可見本發明中相對靈敏系數是現有技術的20倍左右。因此利用空芯光纖作吸收池對吸收系數的測量有放大作用。對于多模光纖，其中傳輸的光主要是基模，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。
在實施過程中，光源發出的光經過耦合器或分光器分為兩路，其中一路光進入對比光纖，這里采用結構和參數都與氣體吸收池相同的空芯光纖，不同之處在于對比光纖的芯區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光通過空芯光纖后的光強，結果為αcI0exp(-α0Cl)，這里αc是耦合器或分光器的分光比。另一路光進入氣體吸收池，即含被測氣體的空芯光纖，測出的光強是(1-αc)I0exp(-α0Cl)exp(-rαmCl)，由此可以計算出被測氣體的濃度。
依據上述原理，本發明的技術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、對比光纖、光電探測器、信號采集處理系統，所述的氣體吸收池中的光纖和對比光纖是微結構空芯光纖，其連接關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比光纖，對比光纖再接另一個光電探測器，兩個光電探測器的輸出接信號采集處理系統。當光源采用一定波長的單色光入射時，可以測定在此波長處有吸收峰的氣體，比較兩個光電探測器的輸出信號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入普通實芯光纖，再經實芯光纖另一端的全反膜反射后，返回空芯光纖氣體吸收池，再經分光器進入光電探測器。
所述的微結構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。
本發明的氣體傳感器具有以下優點1.采用空芯光纖對損耗測量具有放大作用，可以更靈敏的探測氣體的濃度；2.由于空芯光纖芯區的氣孔比現有技術實芯光纖中包層的氣孔大得多，可縮短氣體擴散時間及響應時間；3.若光源采用多波長光源，可同時探測多種氣體的濃度。
圖1光子晶體空芯光纖結構示意圖。
圖2布拉格空芯光纖結構示意圖。
圖3本發明光纖氣體傳感器一種實施方式的結構示意圖。
圖4圖3中的氣體吸收池的結構示意圖。
圖5本發明光纖氣體傳感器另一種實施方式的結構示意圖。
圖6圖5中的氣體吸收池的結構示意圖。
具體實施例方式本發明的一種實施方式如圖3所示的一種光纖氣體傳感器，包括由普通實芯光纖連接的光源1，耦合器2，氣體吸收池3，對比光纖4和光電探測器5、6，還包括信號采集處理系統7。所述的氣體吸收池3中的光纖8和對比光纖4是布拉格空芯光纖，當然也可以采用光子晶體空芯光纖。其連接關系如下光源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的另一路輸出接對比光纖4，對比光纖4再接光電探測器6，光電探測器5、6的輸出接信號采集處理系統7。
其中氣體吸收池3的結構如圖4所示，空芯光纖8的兩端有兩個開口，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。
本發明的另一種實施方式如圖5所示的一種光纖氣體傳感器，包括由普通實芯光纖連接的光源1，光隔離器14，分光器2，氣體吸收池3，實芯光纖全反膜15，對比光纖4和光電探測器5、6，還包括信號采集處理系統7。所述的氣體吸收池3中的光纖8和對比光纖4是光子晶體空芯光纖或布拉格空芯光纖。其連接關系如下光源1發出的光經光隔離器14后，進入分光器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，其中一路光進入氣體吸收池3后，再進入普通實芯光纖，經實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，再經分光器2進入光電探測器5，分光器2的另一路輸出光經對比光纖4，進入光電探測器6，光電探測器5、6的輸出接信號采集處理系統7。
其中氣體吸收池3的結構如圖6所示，空芯光纖8的兩端有兩個開口，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，氣體由此進入空芯光纖。在該實施例中，所有光纖都用多模光纖。
本發明微結構光纖氣體傳感器的兩種實施方式，可根據各自不同的特點適用于不同的要求。前者比后者成本更低，而后者更適合用于危險惡劣的環境和生物醫學領域。
權利要求
1.一種光纖氣體傳感器，包括由普通實芯光纖連接的光源、耦合器、氣體吸收池、對比光纖和光電探測器，還包括信號采集處理系統，其特征在于所述的氣體吸收池(3)中的光纖(8)和對比光纖(4)是微結構空芯光纖，其連接關系如下光源(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)的另一路輸出接對比光纖(4)，對比光纖(4)再接光電探測器(6)，光電探測器(5、6)的輸出接信號采集處理系統(7)。
2.根據權利要求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，光進入氣體吸收池(3)后，再進入普通實芯光纖，經實芯光纖另一端的全反膜(15)反射后，返回氣體吸收池(3)，再經分光器(2)進入光電探測器(5)。
3.根據權利要求1或2所述的光纖氣體傳感器，其特征在于所述的微結構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，包括由普通實芯光纖連接的光源(1)、耦合器(2)、氣體吸收池(3)、對比光纖(4)和光電探測器(5、6)，還包括信號采集處理系統(7)，所述的氣體吸收池中的光纖和對比光纖是微結構空芯光纖，其連接關系如下光源(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)的另一路輸出接對比光纖(4)，對比光纖(4)再接光電探測器(6)，光電探測器(5、6)的輸出接信號采集處理系統(7)。本發明對損耗測量有放大作用，具有靈敏度高、結構簡單、響應時間短、使用方便安全及可同時測量多種氣體的優點。
文檔編號G01N21/31GK1648637SQ20051001234
公開日2005年8月3日 申請日期2005年1月29日 優先權日2005年1月29日
發明者周國生, 賈清, 薛文瑞, 賈鎖堂, 尹王寶, 馬維光 申請人:山西大學