專利名稱：光纖氣體傳感的方法和傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及到光聲氣體傳感的方法和傳感器，特別涉及到利用構成的低精細度光纖法布里-珀羅干涉檢測光聲信號的裝置與方法。本發明屬于光纖傳感技術領域，主要用于氣態物質的濃度的傳感檢測。
背景技術：
氣體的探測，尤其是可燃、易爆、有毒有害氣體的探測，對工農業生產、人民生活、科學研究和國家安全至關重要。
氣體傳感器利用光聲效應檢測氣態分析物的濃度的用法已經眾所周知，如先技術[美國專利No.4740086]描述了在光激發氣態分析物時用光聲氣體傳感器把調幅光源的光能轉換成聲能的情況。當入射到氣室的光能被待測氣體吸收后，就生成強度對應于氣室內待測氣體濃度的聲壓力波，該聲壓力波被電容微音器檢測。光聲氣體傳感技術具有靈敏度高、氣室所需體積小等一系列優點，得到了廣泛研究和應用。
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、便于復用組網等諸多優點，因而在工業、農業、生物醫療、國防等各領域均有廣闊應用前景。為了將光聲氣體傳感原理和光纖傳感技術相結合，集成兩者的優點，形成新型光纖光聲氣體傳感技術，人們已經提出了若干技術方案。在先技術之二[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傳統的微音器的方案，將光纖馬赫曾德干涉儀的一臂纏繞在光聲氣腔的外壁，當氣體吸收光能產生聲壓力波，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生徑向應變，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，進而得到氣體濃度信息。但是，由于熱脹冷縮，環境溫度變化也會引起光聲氣腔直徑變化，同時參考臂光纖會受到光聲氣腔外氣流和溫度的影響，而且光纖的纏繞會產生雙折射，從而產生較大的與氣體吸收無關的相位噪聲，造成測量靈敏度低和測量穩定性差。另外，其激勵光源采用染料激光器，體積大；光強調制采用機械斬波器，頻率低。使得光纖傳感技術的優點沒有得到充分發揮。
又如CN200510012344.5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，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，對比光纖再接光電探測器，光電探測器的輸出接信號采集處理系統。
CN200610012988.9空芯光子晶體光纖氣體傳感器.是一種空芯光子晶體光纖氣體傳感器。解決了現有光纖氣體傳感器存在系統裝置比較復雜、吸收光程不易控制、光路的耦合損耗也比較大的問題，包括光源、通過普通光纖、光分路器與光源連接的導光氣室光路和采用普通光纖的參考光路、及設置于導光氣室光路和參考光路另一端的包含光電二極管、鎖相放大器的用于為外部氣體濃度監測電路提供信號的信號轉換部分，導光氣室采用其上開有微米級大小透氣微孔的空芯光子晶體光纖。
發明內容
本發明目的為克服現有技術的不足，提出一種采用構成的低精細度光纖法布里-珀羅干涉檢測光聲信號的方法，以及提供一種具有高穩定度和高靈敏度的光纖光聲氣體傳感器。
光纖氣體傳感的方法，采用一個低反射腔鏡和一個測量光纖構成的光纖法布里-珀羅干涉儀檢測氣體吸收光能產生的聲壓力波信號，為光聲氣體傳感技術提供了新的實現方法；尤其是由激發光源2發出脈沖調制的激發光，經過帶通濾波器8，從氣腔窗口9進入氣腔11；入射到氣腔11內的激發光被待測氣體14吸收后，就生成強度對應于氣腔11內待測氣體14濃度的聲壓力波；該聲壓力波被氣腔11的另一端口處的振動膜片151轉換為振動膜片151的振動，此振動膜片即為低反射腔鏡，由第一驅動電源18驅動的測量光源1發出的測量光信號經過光纖合波器3、傳輸光纖5和光纖分波器6，進入法布里珀羅干涉儀的測量光纖152，傳輸到達光纖152的端面，傳輸光出射到振動膜片151的表面并經反射后又有部分的光被返回光纖152，這一返回的光束與光纖端面直接反射的光束存在光程差，從光纖152的端面和振動膜片151的表面反射回來的光信號經過光纖分波器6、傳輸光纖5再經過相位解調模塊17和信號處理及控制系統20分析得出待測氣體的濃度值。
該激發光依次經過光纖合波器3、光纖導光元件4、傳輸光纖5和光纖分波器6，從光纖準直器7出射，再經過帶通濾波器8，從氣腔窗口9進入氣腔11。
光纖氣體傳感器，包括測量光源1，激發光源2，光纖合波器3，光纖導光元件4、傳輸光纖5，光纖分波器6，帶通濾波器8，氣腔窗口9，裝有待測氣體14的氣腔11，由低反射腔鏡(振動膜片151)、測量光纖152構成的低精細度法布里珀羅干涉模塊15，還包括光電探測單元16，相位解調模塊19，信號處理及控制系統20；采用一個低反射腔鏡和一個測量光纖構成光纖法布里-珀羅干涉儀；激發光源2，連接光纖合波器3，傳輸光纖5，光纖分波器6并連接帶通濾波器8，從氣腔窗口9進入氣腔11；入射到氣腔11內的激發光被待測氣體14吸收，生成聲壓力波被氣腔11的另一端口處的振動膜片151轉換為振動膜片151的振動，此振動膜片即為低反射腔鏡；由測量光源1發出的測量光信號連接光纖合波器3、傳輸光纖5和光纖分波器6，進入法布里珀羅干涉儀的測量光纖152，傳輸到達光纖152的端面，測量光返回的光束與光纖端面直接反射的光束存在光程差，從光纖152的端面和振動膜片151的表面反射回來的光信號經過光纖分波器6、傳輸光纖5再經過相位解調模塊17和信號處理及控制系統20分析得出待測氣體的濃度值。
本發明的光纖光聲氣體傳感器的基本工作過程如下如圖1所示，由第二驅動電源19驅動的激發光源2發出脈沖調制的激發光，該激發光依次經過光纖合波器3、光纖導光元件4、傳輸光纖5和光纖分波器6，從光纖準直器7出射，再經過帶通濾波器8，從氣腔窗口9進入氣腔11。入射到氣腔11內的激發光被待測氣體14吸收后，就生成強度對應于氣腔11內待測氣體14濃度的聲壓力波。和先技術采用電容微音器或者光纖馬赫曾德干涉測量吸收產生的聲壓力波不同，在本發明中，該聲壓力波被氣腔11的另一端口處的振動膜片151轉換為振動膜片151的振動，該振動信號由低精細度法布里珀羅干涉模塊15轉換為光相位信號，經過分析處理得出待測氣體14的濃度信息。該干涉測量過程為，由第一驅動電源18驅動的測量光源1發出的測量光信號依次經過光纖合波器3、光纖導光元件4、傳輸光纖5和光纖分波器6，進入低精細度法布里珀羅干涉模塊15中的光纖152，傳輸到達光纖152的端面，因菲涅耳效應其中很小部分光被反射回光纖152，而大部分的光出射到振動膜片151的表面并經反射后又有部分的光被返回光纖152，這一返回的光束與光纖端面直接反射的光束存在光程差，當滿足一定的相位條件就會產生干涉。從光纖152的端面和振動膜片151的表面反射回來的光信號經過光纖分波器6、傳輸光纖5和光纖導光元件4由光電探測單元16接收，再經過相位解調模塊17計算出相位，由信號處理及控制系統20分析得出待測氣體的濃度值。
本發明的光纖聲傳感器的工作原理描述如下入射到氣腔11內的激發光被待測氣體14吸收后，就生成強度對應于氣腔11內待測氣體14濃度的聲壓力波p，p=K(CpCv-1)c·I0f---(1)]]>其中，K為氣體和氣腔相關的常數，Cp、Cv分別為常壓和常體積下的熱容，c為待測氣體14的濃度，I0為入射到氣腔的光強，f為激發光源2的幅度調制頻率。
聲壓力波p作用于振動膜片151時，振動膜片151的變形為y(p)，y(p)=3(1-μ2)16Eh3α4p---(2)]]>其中μ、E、a、h分別為振動膜片151的泊松比、楊氏彈性模量、半徑和厚度。變形y(p)引起干涉相位差的變化為Δφ，Δφ=4πλy(p)=3π(1-μ2)4λEh3α4p---(3)]]>其中，λ為測量光源1的輸出光信號的波長。
由光電探測單元16探測接收得到的由相位差Δφ引起的干涉信號為，Im＝KIm0[1+γcos(Δφ)](4)其中，其中Im0為光電探測器16接收到的平均光功率，K為常數，γ為干涉信號的條紋對比度。相位差Δφ由相位解調模塊17根據公式(4)得到。得到Δφ后，即可由信號處理及控制系統20通過計算處理從公式(3)和公式(1)得到待測氣體的濃度c=[4λEh33π(1-μ2)α4·fK(CpCv-1)I0]·Δφ.]]>上面所說的測量光源1和激發光源2為半導體激光器(簡稱為LD)或超輻射發光二極管(簡稱為SLD)或發光二極管(LED)。其中的激發光源2其光譜應該覆蓋待測氣體14的吸收峰。測量光源1和激發光源2發出的光束的光譜不重疊。
所說的第一驅動電源18提供直流信號給測量光源1。所說的第二驅動電源19提供交流調制信號給激發光源2。
所說的光纖合波器3、光纖分波器6是用來實現光束合路、分路的光纖元件，可以是光纖耦合器、或是光纖復用器。光纖導光元件4為分束比為1∶1的光纖耦合器或者是光纖環行器。
所說的傳輸光纖5，可以是普通商用單模光纖或多模光纖或其它適合低損耗傳輸測量光源1和激發光源2發射的光信號的其它光纖。
所說的光纖準直器7是指出射光為平行光的的光纖元件。
所說的帶通濾波器8的功能是從激發光源2發出的光束中取出和待測氣體吸收峰相吻合的窄帶光信號，它可以是干涉濾光片或其它類似功能器件。如果激發光源2為窄帶激光光源，帶通濾波器8可以不需要。
所說的氣腔窗口9的功能是透明地傳輸激發光源2發出的光束進入氣腔11。
所說的氣腔11，其功能是容納待測氣體并傳遞或增強聲壓力波，其結構可以是管狀、立方形或其它形狀。
所說的待測氣體14，是本發明傳感器的測量對象，它可以是具有吸收激發光源2發出光能特性的任何氣態物質，如甲烷、二氧化碳、一氧化碳等。
所說的低精細度法布里珀羅干涉模塊15是本發明的測量待測氣體14吸收光信號產生的聲壓力波的敏感元件，由振動膜片151、光纖152、套管153構成，套管153和光纖152之間的粘合可以采用膠合方式(如環氧膠)或激光熔合方式。光纖152的端面與振動膜片151的內表面之間保持一定的間隙。低精細度法布里珀羅干涉模塊15的結構和形狀以及采用的材質可根據測試環境以及聲壓力波的特性加以優化設計，其設計的基本原理可沿用材料彈性力學以及膜、板在介質中受迫振動方程等相關理論，并結合聲波在各介質傳播特性的研究結果。
所說的光電探測單元16的功能是將光信號轉換為電信號并進行放大，因此，各包括一個光電探測器和前置放大器等。光電探測器的響應波長應在測量光源1發射的光信號的波段，它們可以是光電二極管，或是光電池等。
所說的相位解調模塊17的功能是獲得將氣體吸收光能產生聲壓力波引起的低精細度法布里珀羅干涉模塊15的相位差變化。
所說的信號處理及控制系統20負責控制第一驅動電源18和第二驅動電源19，并根據上述測量原理建立的計算數學模型和處理方法，最終給出待測氣體的濃度信息。
從上述可知，本發明具有以下特點和優點1)本發明采用低精細度光纖法布里-珀羅干涉檢測氣體吸收光能產生的聲壓力波信號，為光聲氣體傳感技術提供了新的實現方法。與其他雙光束光纖干涉檢測方法相比，低精細度光纖法布里-珀羅干涉的兩束光共光路，所以溫度、振動引起的相位漂移和噪聲大大減小，而且無偏振效應影響，具有高穩定度和高靈敏度的優點。
2)本發明采用全光纖結構，而且傳感部分完全由無源光器件構成，真正集成了光聲氣體傳感技術和光纖傳感技術兩者的優點，使得光聲氣體傳感這一高靈敏度的氣體檢測技術可以在各種強電磁干擾、易燃易爆等惡劣場合應用，并且可以進行長距離遙測和復用組網構成傳感網絡，極大地拓展了光聲氣體傳感技術的應用領域和應用范圍。使得光纖傳感技術的優點得到充分發揮。
圖1所示為光聲氣體傳感的方法和傳感器的結構示意圖；包括測量光源1，激發光源2，光纖合波器3，光纖導光元件4，傳輸光纖5，光纖分波器6，光纖準直器7，帶通濾波器8，氣腔窗口9，套管10，氣腔11，氣腔進氣口12，氣腔出氣口13，待測氣體14，由振動膜片151、光纖152、套管153構成的低精細度法布里珀羅干涉模塊15，154為密封圈，光電探測單元16，相位解調模塊17，第一驅動電源18，第二驅動電源19，信號處理及控制系統20。
具體實施例方式
如圖1所示的結構。其中，測量光源1采用波長為1.55微米的半導體激光器。激發光源2采用波長為1.65微米的LED，此波段對應甲烷的氣體吸收峰。光纖合波器3、光纖導光元件4、光纖分波器6均采用分束比為1∶1的光纖耦合器。傳輸光纖5為普通商用單模光纖。氣腔11由圓形石英管構成。氣腔窗口9為氟化鈣玻璃。低精細度法布里珀羅干涉模塊15中的振動膜片151和套管153均采用石英材料，以提高低精細度法布里珀羅干涉模塊15的結構穩定性。光電探測單元16采用InGaAs光電探測器。信號處理及控制系統20由數據采集卡、PC機和基于Labview的軟件構成。測量時，氣體吸收激發光源2的光能產生聲壓力波，聲壓力波轉為振動膜片151的振動，該振動信號由低精細度法布里珀羅干涉模塊15轉換為光相位信號，相位差由相位解調模塊17根據公式(4)得到，然后由信號處理及控制系統20通過計算處理從公式(3)和公式(1)得到待測氣體的濃度。本實施例只是以甲烷氣體探測為例來測量，可以測出5-10ppm的含量，測量精度達到1％以內。
考慮到測量靈敏度和小型化，氣腔11的共振頻率一般設計為1～10KHz左右，腔的直徑一般4～10mm，長度30～100mm；為獲得高的靈敏度和大的線性測量范圍，振動膜片151的反射率和光纖152的端面反射率一般控制在40％以下，因此可對振動膜片151和光纖152的端面鍍反射膜，例如采用蒸發或者濺射工藝鍍金或者鋁反射膜。振動膜片151的材料、厚度和直徑決定了其聲波靈敏度和頻率響應特性，一般材料選用石英或硅片，厚度等于或小于5-50微米，直徑2-5mm。
光纖152可以是普通單模或多模光纖，外徑為125微米。
需要指出的是，本實施例只是以甲烷氣體探測為例來說明，并不限于甲烷測量。當采用寬帶激發光源時，只需改變帶通濾波器8的中心波長來對準不同氣體的吸收峰，就可以測量相應的氣體。當采用窄帶激發光源時，只需改變激發光源的波長來對準不同氣體的吸收峰，就可以測量相應的氣體。例如，乙烯吸收峰為1532.8nm，氨氣為1544nm，一氧化碳為1567nm，二氧化碳為1572nm等。均可以達到相同的靈敏度和精度。
另外，需指出的是，本發明不只是用于單一氣體的測量，還可以用于多種成分氣體的測量。當激發光源2為窄帶可調諧半導體激光(或者激發光源為寬帶光源，帶通濾波器8為可調諧濾波器)，在其調諧范圍內存在吸收峰的氣體就都可以測量。
權利要求
1.光纖氣體傳感的方法，其特征是采用一個低反射腔鏡和一個測量光纖構成光纖法布里-珀羅干涉儀檢測氣體吸收光能產生的聲壓力波信號，為光聲氣體傳感技術提供了新的實現方法；由激發光源發出脈沖調制的激發光，經過帶通濾波器，從氣腔窗口進入氣腔；入射到氣腔內的激發光被待測氣體吸收后，就生成強度對應于氣腔內待測氣體濃度的聲壓力波；該聲壓力波被氣腔的另一端口處的振動膜片轉換為振動膜片的振動，此振動膜片即為低反射腔鏡，由第一驅動電源驅動的測量光源發出的測量光信號經過光纖合波器、傳輸光纖和光纖分波器，進入法布里珀羅干涉儀的測量光纖，傳輸到達光纖的端面，傳輸光出射到振動膜片的表面并經反射后又有部分的光被返回光纖，這一返回的光束與光纖端面直接反射的光束存在光程差，從光纖的端面和振動膜片的表面反射回來的光信號經過光纖分波器、傳輸光纖再經過相位解調模塊和信號處理及控制系統分析得出待測氣體的濃度值。
2.根據權利要求1所述的光纖氣體傳感的方法，其特征是該激發光依次經過光纖合波器、光纖導光元件、傳輸光纖和光纖分波器，從光纖準直器出射，再經過帶通濾波器，從氣腔窗口進入氣腔。
3.根據權利要求1所述的光纖氣體傳感的方法，其特征是其中的激發光源的光譜應覆蓋待測氣體的吸收峰；測量光源和激發光源發出的光束的光譜范圍不重疊。
4.光纖氣體傳感器，包括測量光源(1)，激發光源(2)，光纖合波器(3)，傳輸光纖(5)，光纖分波器(6)，帶通濾波器(8)，氣腔窗口(9)，裝有待測氣體(14)的氣腔(11)，由低反射腔鏡即振動膜片(151)、測量光纖(152)構成的低的低精細度法布里珀羅干涉模塊(15)，還包括光電探測單元(16)，相位解調模塊(19)，信號處理及控制系統(20)；采用一個低反射腔鏡和一個測量光纖構成光纖法布里-珀羅干涉儀；激發光源(2)，連接光纖合波器(3)，傳輸光纖(5)，光纖分波器(6)并連接帶通濾波器(8)，從氣腔窗口(9)進入氣腔(11)；入射到氣腔(11)內的激發光被待測氣體(14)吸收，生成聲壓力波被氣腔(11)的另一端口處的振動膜片(151)轉換為振動膜片(151)的振動，此振動膜片即為低反射腔鏡；由測量光源(1)發出的測量光信號連接光纖合波器(3)、傳輸光纖(5)和光纖分波器(6)，進入法布里珀羅干涉儀的測量光纖(152)，傳輸到達光纖(152)的端面，從光纖(152)的端面和振動膜片(151)的表面反射回來的光信號經過光纖分波器(6)、傳輸光纖(5)再經過相位解調模塊(17)、信號處理及控制系統(20)。
5.根據權利要求4所述的光纖氣體傳感器，其特征是氣腔11的共振頻率一般設計為1～10KHz，腔的直徑一般4～10mm，長度30～100mm。
6.根據權利要求4所述的光纖氣體傳感器，其特征是振動膜片的反射率和光纖的端面反射率在40％以下，對振動膜片和光纖的端面鍍反射膜。
7.根據權利要求4所述的光纖氣體傳感器，其特征是振動膜片一般材料選用石英或硅片，厚度小于5-50微米，直徑2-5mm。
全文摘要
光纖氣體傳感器，采用一個低反射腔鏡和一個測量光纖構成光纖法布里—珀羅干涉儀檢測氣體吸收光能產生的聲壓力波信號，為光聲氣體傳感技術提供了新的實現方法；由激發光源發出脈沖調制的激發光，經過帶通濾波器，從氣腔窗口進入氣腔；入射到氣腔內的激發光被待測氣體吸收后，就生成強度對應于氣腔內待測氣體濃度的聲壓力波；該聲壓力波被氣腔的另一端口處的振動膜片轉換為振動膜片的振動，由第一驅動電源驅動的測量光源發出的測量光信號經過光纖合波器、傳輸光纖和光纖分波器，進入法布里珀羅干涉儀的測量光纖，這一返回的光束與光纖端面直接反射的光束存在光程差得出待測氣體的濃度值。
文檔編號G01N29/34GK101055243SQ200710020930
公開日2007年10月17日 申請日期2007年4月4日 優先權日2007年4月4日
發明者謝宗佑, 汪國語 申請人:南京旭飛光電有限公司