CN103868879A - 基于光纤布喇格光栅的多种气体浓度传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于光纤布喇格光栅的多种气体浓度检测用传感器，包括有光纤纤芯，光纤纤芯的一段内间隔的分别形成有用于检测光信号变化的第一光纤布喇格光栅和用于检测参考光信号的第二光纤布喇格光栅，光纤纤芯在对应于第一光纤布喇格光栅和第二光纤布喇格光栅处的外侧别各包裹有一层能够吸收光信号的吸收薄膜，光纤纤芯的包裹有吸收薄膜的整体段均设置在一个上端形成有开口的保护壳内，在保护壳上端开口处对应第一光纤布喇格光栅的上方设置有透过波长为信号光的第一滤光片，对应第二光纤布喇格光栅上方固定设置有透过波长为参考光的第二滤光片。本发明的传感器完全适用于强电磁、易燃易爆环境。可广泛应用于需要检测各种有害气体浓度的工业场合或者危险领域。

Description

基于光纤布喇格光栅的多种气体浓度传感器

技术领域

本发明涉及一种气体浓度传感器。特别是涉及一种用光信号代替电信号的基于光纤布喇格光栅的多种气体浓度传感器。

背景技术

气体浓度是许多领域需要实时监测和分析的重要参数，对气体浓度的监测应用于环境保护、卫生防疫、工业过程分析与控制、医学诊断以及宇航生保等各个领域。近年来，随着人们环保意识的增强，科技发展的进步，如何快速检测气体的含量，削减有毒、有害气体的排放，以及在农业、工业等方面控制有毒、有害气体的排放已成为各级政府和广大有识之士特别关注的问题，因此研究并设计用于气体浓度检测的传感器具有十分重要的意义。

气体分析的方法众多，有光学吸收法(红外吸收法和紫外吸收法等);电化学法;电气法(热传导式、半导体式和接触燃烧式);气相色谱法(层析法)和干涉法等。目前国外较为先进的方法是采用红外吸收原理对气体进行检测。它克服了以往检测方法容易中毒老化、受环境因素干扰等缺点，同时它还具有灵敏度高、响应速度快、选择性好等优点。如专利CN102062722A提出的激光程控气体浓度检测***及检测方法；CN200996966Y提出的二氧化碳气体浓度传感器等都是典型的采用红外吸收原理制成的气体浓度检测传感器；CNIOIO13085A提出的智能型红外气体传感器。

但是，这些浓度检测***中都至少存在一个光电转换装置，例如传统的红外气体浓度传感器一般由热电偶把热信号转换成电信号，这就使得热电偶无法在强电磁、易燃、易爆的环境中应用，限制其应用。为解决这个问题，本专利提出了基于FBG的多种气体浓度传感器。

光纤布喇格光栅(Fiber Bragg Grating,简称光纤光栅:FBG)具有波长调制、分辨率高、抗电磁干扰、重复性好以及可进行批量生产等特点,光纤光栅技术正成为当前传感器领域研究的一大热点。光纤光栅传感器具有体积小、损耗低、灵敏度高、抗电磁干扰、电绝缘性好、带宽大,并能实现多点分布式测量等优点,已应用于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物、舰船***、海洋、航空、医学领域,电力***等,并取得了许多成果。但是，至今为止还没有基于红外吸收原理的、用于气体浓度检测的FBG传感器。

另外，通过改变不同的滤光片与吸收薄膜，可以制做成用于多种气体浓度检测的FBG传感器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种通过用光信号代替电信号，使其能够适应于强电磁、易燃、易爆等恶劣环境中的基于光纤布喇格光栅的多种气体浓度传感器。

本发明所采用的技术方案是：一种基于光纤布喇格光栅的多种气体浓度检测用传感器，包括有光纤纤芯，所述的光纤纤芯的一段内间隔的分别形成有用于检测光信号变化的第一光纤布喇格光栅和用于检测参考光信号的第二光纤布喇格光栅，所述的光纤纤芯在对应于第一光纤布喇格光栅和第二光纤布喇格光栅处的外侧别各包裹有一层能够吸收光信号的吸收薄膜，所述的光纤纤芯的包裹有吸收薄膜的整体段均设置在一个上端形成有开口的保护壳内，在所述的保护壳上端开口处对应所述的第一光纤布喇格光栅的上方设置有透过波长为信号光的第一滤光片，对应所述的第二光纤布喇格光栅上方固定设置有透过波长为参考光的第二滤光片。

所述的保护壳包括有一体形成的用于设置包裹有吸收薄膜的第一光纤布喇格光栅部分的第一凹槽、用于设置包裹有吸收薄膜的第二光纤布喇格光栅部分的第二凹槽以及位于第一凹槽和第二凹槽之间的起隔离作用的隔离层，所述的第一滤光片设置在所述的第一凹槽的开口端，所述的第二滤光片设置在所述的第二凹槽的开口端，所述的保护壳沿所述的光纤纤芯的轴向开有贯通第一凹槽、隔离层和第二凹槽的贯通孔，所述光纤纤芯的两端分别通过所述的贯通孔伸出所述保护壳的两侧，并在伸出所述保护壳的光纤纤芯部分的外侧包裹有光纤包层。

所述的第一滤光片是透过波长为4.23μm～4.27μm的滤光片，所述的第二滤光片透过波长为3.9μm～3.92μm的滤光片。

所述的吸收薄膜为CuO膜。

本发明的基于光纤布喇格光栅的多种气体浓度传感器，通过用FBG光纤传感器代替热电偶传感器，用光信号代替电信号，使传感器完全适用于强电磁、易燃易爆环境。本发明可广泛应用于需要检测各种有害气体浓度的工业场合或者危险领域，适用环境和范围广。具有良好的技术转化基础。

附图说明

图1是CuO与玻璃的吸收谱线图；

图2是本发明传感器的俯视图；

图3是本发明传感器的剖面图；

图4是本发明传感器实际应用的***图。

图中

1：光纤纤芯                       2：第一光纤布喇格光栅

3：第二光纤布喇格光栅             4：光纤包层

5：吸收薄膜                       6：保护壳

7：第一滤光片                     8：第二滤光片

9：宽带光源                       10：光隔离器

11：光纤耦合器                    12：数据采集***

13：光电探测器                    14：可调谐滤波器

15：红外光源驱动模块              16：红外光源

17：气室                          18：基于FBG的气体传感器

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的基于光纤布喇格光栅的多种气体浓度检测用传感器做出详细说明。

本发明的基于光纤布喇格光栅的多种气体浓度检测用传感器，包括有光纤纤芯1，所述的光纤纤芯1的一段内间隔的分别形成有用于检测光信号变化的第一光纤布喇格光栅2和用于检测参考光信号的第二光纤布喇格光栅3，所述的光纤纤芯1在对应于第一光纤布喇格光栅2和第二光纤布喇格光栅3处的外侧别各包裹有一层能够吸收光信号的吸收薄膜5，所述的吸收薄膜5为CuO膜。所述的光纤纤芯1的包裹有吸收薄膜5的整体段均设置在一个上端形成有开口的保护壳6内，在所述的保护壳6上端开口处对应所述的第一光纤布喇格光栅2的上方固定设置有透过波长为信号光的第一滤光片7，对应所述的第二光纤布喇格光栅3上方固定设置有透过波长为参考光的第二滤光片8。所述的第一滤光片7是透过波长为4.23μm～4.27μm的滤光片，所述的第二滤光片8透过波长为3.9μm～3.92μm的滤光片。

所述的保护壳6包括有一体形成的用于设置包裹有吸收薄膜5的第一光纤布喇格光栅2部分的第一凹槽61、用于设置包裹有吸收薄膜5的第二光纤布喇格光栅3部分的第二凹槽62以及位于第一凹槽61和第二凹槽62之间的起隔离作用的隔离层63，所述的第一滤光片7设置在所述的第一凹槽61的开口端，所述的第二滤光片8设置在所述的第二凹槽62的开口端，所述的保护壳6沿所述的光纤纤芯1的轴向开有贯通第一凹槽61、隔离层63和第二凹槽62的贯通孔，所述光纤纤芯1的两端分别通过所述的贯通孔伸出所述保护壳6的两侧，并在伸出所述保护壳6的光纤纤芯1部分的外侧包裹有光纤包层4。

本发明的基于光纤布喇格光栅的多种气体浓度检测用传感器，对于检测不同种类的气体，需要分别更换气体所对应的第一滤光片7、第二滤光片8和吸收薄膜5，例如，对于CO和CO2可以用CuO制成的吸收薄膜进行检测。

图3所示是采用本发明的基于光纤布喇格光栅的多种气体浓度检测用传感器进行气体检测的***。其中，传感器中吸收薄膜5采用CuO，第一滤光片7采用透过波长为4.25μm的滤光片，第二滤光片8采用透过波长为3.91μm的滤光片。红外光源选择IRL715，其光谱范围宽，能量高，驱动方便容易；气室由密闭圆柱体构成；FBG解调***中，光源我们选择ASE宽带光源；可调谐滤波器使用的是F-P可调谐滤波器；光电探测器选择的是高灵敏度的PIN光电二级管；经光电探测器转换后的点信号经NI采集卡采集后，传入计算机中，由事先编写好的labview程序实现计算，最终得到所求气体的浓度值。

CuO对波长在5μm以下的红外光有强烈的吸收作用，从而引起传感器温度的改变。温度的变化由埋在CuO层中的FBG检测出来，这样可以建立起光强与温度的关系，照射到CuO层上的红外光越强，FBG感应到的温度变化越大。两个滤光片分别对应着两个FBG，其中，透过波长为4.25μm的滤光片，该波长入射到二氧化碳的强烈吸收区，为信号光；透过波长为3.91μm的滤光片，该波长入射到二氧化碳的不吸收区，为参考光。这样就可以得到两个波长的光的光强的比值：

$\frac{I\left({\mathrm{\λ}}_{4.26}\right)}{I\left({\mathrm{\λ}}_{3.91}\right)}\∝\frac{T\left({\mathrm{FBG}}_{4.26}\right)}{T\left({\mathrm{FBG}}_{3.91}\right)}$

再根据朗伯比尔定律，推到出用差分的方法检测出气室中二氧化碳的浓度公式：

$C\frac{C_0}{L}\ln \frac{1}{t}$

其中

C₀是与***结构有关的参数，k是比例系数。

温度的变化会使FBG的反射波长发生移动，其关系为线性，通过计算波长移动量，便可以检测出气体浓度的变化量。图3为FBG波长变化的检测***。宽带光源9发出的宽带光通过光隔离器10入射到光纤耦合器11中，光隔离器10的作用是防止反射回来的光损坏光源或者干扰信号光。光纤耦合器11入射一端连接光源，光纤耦合器11的出射一端连接到已经制作好的本发明的基于光纤布喇格光栅的多种气体浓度检测用传感器上，光纤耦合器11入射的另一端通过可调谐滤波器14连接到光电探测器13。FBG只能反射特定的波长，所以入射的宽带光只要包含符合FBG反射波长条件的光反射进入可调谐滤波器，且只有当可调谐滤波器透过光的中心波长与FBG反射波长相同时，才能通过可调谐滤波器并到达光电探测器13。光电探测器13将光信号转换成电信号然后由数据采集***（DAQ）12采集。再通过FBG中心波长计算的算法计算出FBG的中心波长。由于温度不同，所以两个FBG传感器的波长移动量是不同的，最终我们会得到：

$t=\frac{I\left({\mathrm{\λ}}_{4.26}\right)}{I\left({\mathrm{\λ}}_{3.91}\right)}=k\frac{\mathrm{\ΔT}\left({\mathrm{FBG}}_{4.26}\right)}{\mathrm{\ΔT}\left({\mathrm{FBG}}_{3.91}\right)}=k^{\′}\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{4.26}}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{3.91}}$

k'为综合k后的比例系数。

Claims (4)

1.一种基于光纤布喇格光栅的多种气体浓度检测用传感器，包括有光纤纤芯（1），其特征在于，所述的光纤纤芯（1）的一段内间隔的分别形成有用于检测光信号变化的第一光纤布喇格光栅（2）和用于检测参考光信号的第二光纤布喇格光栅（3），所述的光纤纤芯（1）在对应于第一光纤布喇格光栅（2）和第二光纤布喇格光栅（3）处的外侧别各包裹有一层能够吸收光信号的吸收薄膜（5），所述的光纤纤芯（1）的包裹有吸收薄膜（5）的整体段均设置在一个上端形成有开口的保护壳（6）内，在所述的保护壳（6）上端开口处对应所述的第一光纤布喇格光栅（2）的上方设置有透过波长为信号光的第一滤光片（7），对应所述的第二光纤布喇格光栅（3）上方固定设置有透过波长为参考光的第二滤光片（8）。

2.根据权利要求1所述的基于光纤布喇格光栅的多种气体浓度检测用传感器，其特征在于，所述的保护壳（6）包括有一体形成的用于设置包裹有吸收薄膜（5）的第一光纤布喇格光栅（2）部分的第一凹槽（61）、用于设置包裹有吸收薄膜（5）的第二光纤布喇格光栅（3）部分的第二凹槽（62）以及位于第一凹槽（61）和第二凹槽（62）之间的起隔离作用的隔离层（63），所述的第一滤光片（7）设置在所述的第一凹槽（61）的开口端，所述的第二滤光片（8）设置在所述的第二凹槽（62）的开口端，所述的保护壳（6）沿所述的光纤纤芯（1）的轴向开有贯通第一凹槽（61）、隔离层（63）和第二凹槽（62）的贯通孔，所述光纤纤芯（1）的两端分别通过所述的贯通孔伸出所述保护壳（6）的两侧，并在伸出所述保护壳（6）的光纤纤芯（1）部分的外侧包裹有光纤包层（4）。

3.根据权利要求1或2所述的基于光纤布喇格光栅的多种气体浓度检测用传感器，其特征在于，所述的第一滤光片（7）是透过波长为4.23μm～4.27μm的滤光片，所述的第二滤光片（8）透过波长为3.9μm～3.92μm的滤光片。

4.根据权利要求1所述的基于光纤布喇格光栅的多种气体浓度检测用传感器，其特征在于，所述的吸收薄膜（5）为CuO膜。

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