CN101806725B - 基于悬挂芯光纤的气体吸收谱线参考装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于悬挂芯光纤的气体吸收谱线参考装置。三根标准光纤通过光纤分光耦合器耦合连接，光源发出的光进入一根标准光纤经过光纤分光耦合器后被分成两路，其中一路光进入内部含有特定浓度气体的第一悬挂光纤的纤芯，并与悬挂光纤孔道内的气体相互作用，然后进入一光电二极管；另一束光为背景光，经通过悬挂光纤后进入另一光电二极管；两个光电二极管产生的电信号进入锁相放大器进行放大，最后经过检测电路给出特定温度、特定浓度下的气体谱线。本发明结构简单，可使仪器小型化。可以通过增加光纤的长度显著增加倏逝波面积，进而提高光纤对参考气体的响应度。广泛应用于多种场合的谱线标定及光谱参照。

Description

基于悬挂芯光纤的气体吸收谱线参考装置

技术领域

本发明涉及一种谱线参考装置，尤其是一种气体吸收谱线参考装置。

背景技术

气体的吸收光谱具有选择性高、特征性强等优点，基于气体吸收谱测量的分析技术具有测量灵敏度高、体鉴别能力强、响应能力快、对温度及湿度等干扰的抵抗力强等特点。

光被气体吸收会产生特定的吸收光谱，通过标定吸收峰的位置，可进一步对气体的种类进行识别。所以气体的标准吸收谱线不仅对于气体种类的鉴别具有重要意义，而且对仪器的信号标定也可以提供重要的参考信息。例如，乔学光等利用C₂H₂吸收光谱作为标准波长参考，对可调谐光纤法布里-珀罗滤波器进行波长实时定标(可调谐法布里-珀罗滤波器的高精度大范围实时定标，光学学报，2008，28(5)，852-855)。北京北分麦哈***仪器有限公司则利用一直浓度的气体为参考波长，对***体分析仪进行了定标(一种***体分析仪及标定方法，中国专利，CN200810225067.X[P].2009-04-08)。此外，很多光谱仪的标定多是利用发射灯(如汞灯、钠灯等)进行波长定标，例如，居戬之等利用低压Hg等对CCD光谱仪进行了波长标定(CCD光谱仪的波长定标和滤光片的透过率测定实验，大学物理实验，2008，21(31)，66-68)。以上定标用的装置一般体积比较大，而且都具有光路耦合复杂、便携性差等缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构高度集成的基于悬挂芯光纤的气体吸收谱线参考装置。

本发明的目的是这样实现的：

包括光源、耦合连接器、光纤分光耦合器、光电二极管、锁相放大器、浓度监测电路、数据接口；三根标准光纤通过光纤分光耦合器耦合连接，光源发出的光进入一根标准光纤经过光纤分光耦合器后被分成两路，其中一路光通过第一标准光纤进入内部含有特定浓度气体的第一悬挂光纤的纤芯，并与第一悬挂光纤孔道内的气体相互作用，然后进入第一光电二极管；另一束光为背景光，经通过第二标准光纤进入第二悬挂光纤后进入第二光电二极管；两个光电二极管产生的电信号进入锁相放大器进行放大，最后经过检测电路给出特定温度、特定浓度下的气体谱线。

也可以设计成单光路结构，通过更换光纤，光源发出的光分别经过不含有参考气体的悬挂光纤以及含有参考气体的悬挂光纤，经同一光谱仪检测信号并进行处理。

本发明还可以包括：

1、所述的悬挂光纤的纤芯与包层间具有一条延光纤轴向的孔道，所述孔道的形状为圆形或者“D”形，纤芯紧贴悬挂于孔道内壁或部分嵌于包层内。

2、所述的光纤是将悬挂光纤置于由气体瓶、减压阀、恒温恒压气室、压力表、温度计和放气阀组成的装置的恒温气室中，调节减压阀，使气室内压力达到设定值，并保持5-7天，使光纤内气体压力与气室达到一致，载气过程完成后打开放气阀，使气室内外压力平衡完成载气；将经载气处理的光纤利用光纤熔接机两端与标准单模光纤连接，使气体被密封在悬挂光纤内部，然后用熔融拉锥机进行拉锥，使光纤耦合效率达到最大值，形成的两端连接标准光纤的悬挂光纤微型参考气体吸收池。

3、第一悬挂光纤与第二悬挂光纤的结构及长度一致，在同一根光纤在相邻位置截取。

本发明采用的悬挂光纤的显著结构特点是纤芯与包层为间隙配合，光纤内部具有一个延光纤延伸方向的一维孔道结构，微孔的形状可以使圆形或者“D”形，孔道位置可以位于光纤内部的各个位置，而高折射率纤芯则紧贴孔道内壁悬挂于孔道内的任意某位置(部分嵌于包层之中)，这一结构用来作为容纳气体的吸收池，围成孔道的结构为较低折射率的光纤包层，光纤的端面如图1a-c所示。该悬挂光纤两端各焊接一段标准光纤，用于光耦合以及气体密封。

本发明的光纤气体谱线参考装置包括涵盖参考气体吸收光谱范围的宽谱光源、耦合连接器、光纤分光耦合器、光电二极管、锁相放大器、浓度监测电路、数据接口等部分。参考气体吸收谱线装置的光路按照用途可以设计为单光路或者双光路。其中双光路设计为：光源发出的光经过标准光纤分光连接器后被分光器分成两路，其中一束光通过标准光纤进入内部含有特定浓度气体的悬挂光纤的纤芯，并与光纤孔道内的气体相互作用，然后进入光电二极管；另一束光为背景光，经同样的悬挂光纤后进入另一个光电二极管。两个光电二极管产生的电信号进入锁相放大器进行放大，最后经过检测电路给出特定温度、特定浓度下的气体谱线。其中单光路设计为：通过更换光纤，光源发出的光分别经过不含有参考气体的悬挂光纤以及含有参考气体的悬挂光纤，经同一光谱仪检测信号并进行处理。

上述悬挂光纤的空腔内含有的气体的浓度为气体填充温度条件下的已知量；

上述气体谱线参考装置的光源根据覆盖悬挂光纤内气体吸收波长进行选择。

本发明以悬挂光纤为吸收池，与传统的吸收池及发射型参比装置相比，省略了光纤与气室的光路准直、耦合连接等结构，大大简化了结构设计以及装置的体积，使仪器小型化，整体参考装置具有质量轻、使用方便等明显优势。因为谱线参考装置的悬挂光纤的长度可以根据具体要求选择，所以可以通过增加光纤的长度显著增加倏逝波面积，进而提高光纤对参考气体的响应度。广泛应用于多种场合的谱线标定及光谱参照。

附图说明

图1a-c三种悬挂光纤端面结构示意图；

图2悬挂光纤载气过程示意图；

图3悬挂光纤与标准光纤的耦合连接、拉锥及气体密封示意图；

图4基于悬挂光纤的气体吸收参考谱线信号输出装置示意图；

图5基于悬挂光纤的气体吸收参考谱线光谱仪定标装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

本发明涉及的光纤结构如图1所示。光纤具有悬挂的纤芯1结构，纤芯与包层3之间具有裸漏的敞开孔道结构2。光纤纤芯直径为10μm，空腔直径40-50μm，长度为5-10m。

光纤孔道内部载气通过图2装置实现。该装置由气体瓶4、减压阀5、恒温、恒压气室6、压力表7、温度计8、放气阀9组成。将悬挂光纤10置于恒温气室中，根据要求调节减压阀，使气室内压力达到一定值(如1atm)，并保持5-7天，使光纤内气体压力与气室达到一致。温度显示载气条件下的温度值。载气过程完成后打开放气阀，使气室内外压力平衡。

将光纤取出并迅速按照图3所示，利用光纤熔接机与标准单模光纤11连接，使气体12被密封在悬挂光纤内部。然后用熔融拉锥机进行拉锥，使光纤耦合效率达到最大值，这样就形成了两端连接标准光纤的悬挂光纤微型参考气体吸收池。

在熔接之前要将悬挂光纤以及标准单模光纤焊接端的涂覆层去除，并用光纤切割刀进行切割，漏出平整端面，焊接在熔接机上自动完成。在熔融拉锥时，将熔接点作为拉锥点，采用光功率计进行监测，随着拉锥点束腰部位的形变而发生传输功率的变化，当光纤耦合效率达到最高时停止拉锥。最后用石英套管作为保护套管套在连接点外部。

实例一：基于悬挂光纤的甲烷气体吸收参考谱线信号输出装置

气体标准谱线的输出采用双光路光强补偿法，既一条光路为气体的吸收信号光路，一条光路为参比光路。

光源13采用发射波长为1.33μm的InGaSP发光二极管(PIN)。光源3dB光纤耦合器14(1∶1)分光后，一路光作为信号光经耦合连接器15、标准光纤11进入与之焊接到一起的悬挂光纤(纤芯直径10μm，光纤外经125μm)内部的纤芯中。光波在纤芯传输时产生倏逝波，倏逝波场与悬挂光纤吸收池中的甲烷分子产生吸收，经另一端焊接的标准光纤进入光电二极管16。另一路光经作为参考光延同样结构的悬挂光纤路径进入相同型号的光电二极管。电信号经锁相放大器17，进入检测电路18。

双光路光强补偿的方法要求测量光路和参考光路具有良好的一致性，包括两路初始光强、气室结构与尺寸、光路布设等等。解调的方法是：同时探测两路透射光，并将二者相除，消除初始光强I0的影响，并得到甲烷气体标准吸收谱线。检测电路具有电信号输出接口19，可以采集甲烷的标准吸收光谱信号，并与其它仪器连接用以谱线校准或者甲烷气体的分析参考。

信号光路和参考光路中与悬挂光纤相连的标准光纤端头装有光纤连接器，分别与分光光纤耦合器、光电二极管构成活动连接。这样可以根据测量参考对象的区别安装含有不同种类气体的悬挂光纤，获得不同种类气体的标准吸收谱线。其中含不同种类气体的悬挂光纤的参数之间及其与参比光路中的悬挂光纤的参数之间都严格相同。

实例二：基于悬挂光纤的气体吸收参考谱线光谱仪定标装置

光源仍采用InGaSP发光二极管(PIN)，峰值波长为1.33μm。该发射波长位于CH₄的复合频位置(v₂+2v₃)。气体吸收参考定标装置采用单光路设计，光源、光谱仪、以及光纤采用光纤连接器连接，整个装置除了含有甲烷气体的悬挂光纤以外，还包括一根参考光纤，其作用是为了扣除背景光，这两根光纤结构同样要求完全相同。将不含气体的悬挂光纤、光源、待定标的光谱仪21进行连接，记录背景信号。然后更换悬挂光纤为参比气体悬挂光纤，并记录下参考气体吸收信号，经程序处理得出吸收谱线中已知峰位(如1.33μm峰值处)与光谱仪CCD像元的对应谱线关系，然后用计算机22的定标程序对光谱仪定标，得出定标方程。

通过更换含有不同参考气体的悬挂光纤，可以获得不同种类参考气体的标准谱线，并使其已知吸收峰位在光谱仪上准确反映，从而获得更加明确的光谱仪的波长与CCD像元之间的对应关系，进行不同波长范围的定标。

Claims (3)

1.一种基于悬挂芯光纤的气体吸收谱线参考装置，包括光源、耦合连接器、光纤分光耦合器、光电二极管、锁相放大器、浓度监测电路、数据接口；其特征是：三根标准光纤通过光纤分光耦合器耦合连接，光源发出的光进入一根标准光纤经过光纤分光耦合器后被分成两路，其中一路光通过第一标准光纤进入内部含有特定浓度气体的第一悬挂芯光纤的纤芯，并与第一悬挂芯光纤孔道内的气体相互作用，然后进入第一光电二极管；另一束光为背景光，经通过第二标准光纤进入第二悬挂芯光纤后进入第二光电二极管；两个光电二极管产生的电信号进入锁相放大器进行放大，最后经过检测电路给出特定温度、特定浓度下的气体谱线；所述的悬挂芯光纤的纤芯与包层间具有一条沿光纤轴向的孔道，所述孔道的形状为圆形或者“D”形，纤芯紧贴悬挂于孔道内壁或部分嵌于包层内。

2.根据权利要求1所述的基于悬挂芯光纤的气体吸收谱线参考装置，其特征是：所述的悬挂芯光纤是将悬挂芯光纤置于由气体瓶、减压阀、恒温恒压气室、压力表、温度计和放气阀组成的装置的恒温气室中，调节减压阀，使气室内压力达到设定值，并保持5-7天，使光纤内气体压力与气室达到一致，载气过程完成后打开放气阀，使气室内外压力平衡完成载气；利用光纤熔接机将经载气处理的光纤两端与标准单模光纤连接，使气体被密封在悬挂芯光纤内部，然后用熔融拉锥机进行拉锥，使光纤耦合效率达到最大值，形成两端连接有标准光纤的悬挂芯光纤微型参考气体吸收池。

3.根据权利要求1或2所述的基于悬挂芯光纤的气体吸收谱线参考装置，其特征是：第一悬挂芯光纤与第二悬挂芯光纤的结构及长度一致，在同一根光纤上在相邻位置截取。

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