專利名稱：新型光纖氣體感測裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明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的裝置。本發(fā)明屬于光纖傳感技術領域，主要用于氣態(tài)物質(zhì)的濃度傳感檢測。
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(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民生活、 科學研究和國家安金至關重要。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，如先技術美國專利No. 4740086描述了在光激發(fā)氣態(tài)分析物時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(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。光聲氣體傳感技術具有靈敏度高、氣室所需體積小等一系列優(yōu)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(wǎng)等諸多優(yōu)點，因而在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)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(jié)合，集成兩者的優(yōu)點，形成新型光纖光聲氣體傳感技術，人們已經(jīng)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?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(huán)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(chǎn)生雙折射，從而產(chǎn)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(wěn)定性差。另外，其激勵光源采用染料激光器，體積大；光強調(diào)制采用機械斬波器，頻率低。使得光纖傳感技術的優(yōu)點沒有得到充分發(fā)揮。中國專利授權公告號CN 201034929Y提出了一種在光聲氣室一端口放置感應聲壓力波的振動膜片，并通過振動膜片與光纖端面構(gòu)成的法布里-珀羅干涉儀來檢測聲壓力波信號，由于振動膜片反射信號的微弱使該裝置不易實現(xiàn)遠距離的監(jiān)測，另外干涉信號的解調(diào)裝置比較復雜，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)有技術的不足，本發(fā)明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、設計合理、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、維護成本低。為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是一種新型光纖氣體感測裝置，包括激光源25和用于接收要檢測氣體的氣室10，其特征在于在氣室10的外壁表面上螺旋纏繞著曲線型殼體4，布設在所述的曲線型殼體4內(nèi)部相對兩側(cè)的多個A側(cè)變形齒4-1和多個B側(cè)變形齒4-2，所述的A側(cè)變形齒4-1和B側(cè)變形齒4-2呈交錯布設，A側(cè)變形齒4_1 和B側(cè)變形齒4-2對應布設在信號光纖6的兩側(cè)，信號光纖6的通過延長光纖1接測試單兀5。待測氣體如甲烷進入氣室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)，待測氣體會吸收激光源25注入的光束能量，待測氣體的溫度升高從而使氣室10內(nèi)部的壓力增大，使氣室10的圓周周長會增加，導致纏繞在氣室10上的曲線型殼體4內(nèi)部的相對兩側(cè)的變形齒之間的距離改變，這樣也會改變夾持在相對兩側(cè)變形齒間信號光纖6的彎曲曲率， 測試單元5通過檢測信號光纖6內(nèi)部傳輸光信號功率的變化獲取所述氣室10內(nèi)部壓力的變化，此處是用曲線型殼體4以及信號光纖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。所述的曲線型殼體4內(nèi)部布設有變形齒的相對A、B兩側(cè)是互相平行的，并同時與待測氣室10的軸向平行。所述的A、B兩側(cè)中的一側(cè)距離氣室10中心軸距離相對另一側(cè)更近。所述的曲線型殼體4的A側(cè)和B側(cè)之間由彈性材料連接。所述的曲線型殼體4的A側(cè)和B側(cè)之間除了在曲線型殼體4的兩端處連接外，曲線型殼體4中間部位的A側(cè)和B側(cè)之間沒有連接。位于所述的曲線型殼體4的A側(cè)變形齒4-1和B側(cè)變形齒4_2之間的信號光纖6 的一端安置有光反射裝置46，如反射鏡或光纖光柵。所述的信號光纖6的另一端與1X2分路器45的1 口連接，1X2分路器45的2 口與測試單元5的連接。二個或二個以上的纏繞在不同氣室10上的曲線型殼體4中的信號光纖6串聯(lián)在
一根光纖。所述的氣室10采用低溫度膨脹系數(shù)的材料，如石英玻璃、陶瓷或其他復合材料。所述的曲線型殼體4的全部或部分通過膠黏劑、焊接等方法固定于氣室10的外表面上。所述信號光纖6為外部包有多層光纖保護層的光纖，如緊套光纖、碳涂覆光纖、聚酰亞胺涂覆光纖等；所述信號光纖也可以是塑料光纖、多芯光纖、細徑光纖或光子晶體光纖。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明的新型光纖氣體感測裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、設計合理、操作方法方便且使用方式靈活、靈敏度高；2、本發(fā)明的新型光纖氣體感測裝置，因使用光纖型微音器替代了傳統(tǒng)的微音器， 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、便于復用組網(wǎng)等諸多優(yōu)點；3、本發(fā)明的新型光纖氣體感測裝置，由于可以采用的光源-光功率法測試，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
4廣闊的使用范圍。綜上所述，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、設計合理、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)復用等優(yōu)點，使本發(fā)明的裝置具有良好的使用前景。下面通過附圖和實施例，對發(fā)明的技術方案做進一步的詳細描述。


圖1為本發(fā)明第一具體實施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明第一實施方式中曲線型殼體4的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明第二具體實施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖標記說明
1-延長光纖；4-曲線型殼體；5-測試單元；6-信號光纖■’7-鎖定放大器■’8-進口 ■’9- 出口；10-氣室■’20-氣室窗片■’21-濾波片■’22-光纖準直器■’23-傳輸光纖■’25-激光源■’30-加熱/冷卻器■’31-溫度控制器■’40-頻率發(fā)生器■’45-1X2光分路器46-光反射裝置■’4-I-A側(cè)變形齒■’4-2-B側(cè)變形齒■’50-處理單元。
具體實施例方式實施例1如圖1、圖2所示，本發(fā)明中，包括激光源25和用于接收要檢測氣體的氣室10，特別是在氣室10的外壁表面上螺旋纏繞著曲線型殼體4，布設在所述的曲線型殼體4內(nèi)部相對兩側(cè)的多個A側(cè)變形齒4-1和多個B側(cè)變形齒4-2，所述的A側(cè)變形齒4-1和B側(cè)變形齒4-2呈交錯布設，A側(cè)變形齒4-1和B側(cè)變形齒4-2對應布設在信號光纖6的兩側(cè)，信號光纖6的通過延長光纖1接測試單元5。整個系統(tǒng)的檢測流程是處理單元50通過指令使溫度控制器31控制加熱/制冷器30使激光源25處于穩(wěn)定的溫度中，穩(wěn)定的溫度使激光源25發(fā)出的光信號的波長和功率相對穩(wěn)定，處理單元50通過指令使頻率發(fā)生器40控制激光源25以一定的頻率發(fā)射激光， 該頻率是氣室10及其附著物共同構(gòu)成的整體的共振頻率，待測氣體如混有甲烷的空氣通過進氣口 8進入氣室10內(nèi)，并通過出氣口 9流出氣室，這時氣室10內(nèi)就是混合有待測氣體的空氣，包含有待測氣體吸收特征波長的激光源25的激光通過傳輸光纖23、濾波器21和氣室窗片20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)，待測氣體吸收激光源25注入的光束能量后，待測氣體的溫度升高使氣室10內(nèi)部的壓力增大，使氣室10的圓周周長會增加，導致纏繞在氣室10上的曲線型殼體4內(nèi)部的相對兩側(cè)的變形齒之間的距離改變，這樣也會改變夾持在相對兩側(cè)變形齒間信號光纖6的彎曲曲率，測試單元5通過檢測信號光纖6內(nèi)部傳輸光信號功率的變化獲取所述氣室10內(nèi)部壓力的變化，并將數(shù)據(jù)傳遞給鎖定放大器7，鎖定放大器7通過頻率發(fā)生器40給的頻率值處理測試單元5的數(shù)據(jù)并獲得氣室10的準確的聲壓力波值，并將該值傳遞給處理單元50，處理單元50計算出待測氣體的濃度，此處是用曲線型殼體4以及信號光纖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。所述的氣室10采用低溫度膨脹系數(shù)的材料，如石英玻璃、陶瓷或其他復合材料。可以將二個或二個以上的纏繞在不同氣室10上的曲線型殼體4中的信號光纖6 串聯(lián)在一根光纖上，從而達到多點監(jiān)測待測氣體的目的，進一步的方案是測試單元5選用光時域反射技術(OTDR)可以做到準分布測試、監(jiān)測的目的。曲線型殼體4通過膠黏劑、焊接等方法全部或部分固定于氣室10的外表面上。所述傳輸光纖23、信號光纖6為外部包有多層光纖保護層的光纖，如緊套光纖、碳涂覆光纖、聚酰亞胺涂覆光纖等；所述傳輸光纖23、信號光纖6也可以是塑料光纖、多芯光纖、細徑光纖或光子晶體光纖。所述傳輸光纖23、信號光纖6和延長光纖1外部包覆有防水材料，如防水油膏，可進一步防止水分子對傳輸光纖23、信號光纖6和延長光纖1的侵蝕，延長了傳輸光纖23、信號光纖6和延長光纖1的使用壽命。實施例2如圖3所示，本實施例中，與實施例1不同的是所述的信號光纖6的一端安置有光反射裝置46，信號光纖6的另一端通過延長光纖1連接一 1X2光分路器45的1 口，1X2 光分路器45的2 口接測試單元5。本實施例中，其余部分的結(jié)構(gòu)、連接關系和工作原理均與實施例1相同。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何限制，凡是根據(jù)本發(fā)明技術實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結(jié)構(gòu)變化，均仍屬于本發(fā)明技術方案的保護范圍內(nèi)。
權利要求
1.新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)，其特征在于在氣室(10)的外壁表面上螺旋纏繞著曲線型殼體G)，布設在所述的曲線型殼體 (4)內(nèi)部相對兩側(cè)的多個A側(cè)變形齒G-1)和多個B側(cè)變形齒G-2)，所述的A側(cè)變形齒 (4-1)和B側(cè)變形齒(4- 呈交錯布設，A側(cè)變形齒(4-1)和B側(cè)變形齒(4- 對應布設在信號光纖(6)的兩側(cè)，信號光纖(6)的通過延長光纖(1)接測試單元(5)。
2.按照權利要求1所述的新型光纖氣體感測裝置，其特征在于所述的曲線型殼體(4) 內(nèi)部布設有變形齒的相對A、B兩側(cè)是互相平行的，并同時與氣室(10)的軸向平行。
3.按照權利要求2所述的新型光纖氣體感測裝置，其特征在于所述的A、B兩側(cè)中的一側(cè)距離氣室(10)中心軸距離相對另一側(cè)更近。
4.按照權利要求1所述的新型光纖氣體感測裝置，其特征在于所述的曲線型殼體(4) 的A側(cè)和B側(cè)之間由彈性材料連接。
5.按照權利要求1所述的新型光纖氣體感測裝置，其特征在于所述的曲線型殼體(4) 的A側(cè)和B側(cè)之間除了在曲線型殼體(4)的兩端處連接外，曲線型殼體⑷中間部位的A 側(cè)和B側(cè)之間沒有連接。
6.按照權利要求1所述的新型光纖氣體感測裝置，其特征在于位于所述的曲線型殼體的A側(cè)變形齒(4-1)和B側(cè)變形齒(4-2)之間的信號光纖(6)的一端安置有光反射裝置(46)。
7.按照權利要求6所述的新型光纖氣體感測裝置，其特征在于所述的信號光纖(6) 的另一端與1X2分路器G5)的1 口連接，1X2分路器05)的2 口與測試單元(5)的連接。
8.按照權利要求1所述的新型光纖氣體感測裝置，其特征在于二個或二個以上的纏繞在不同氣室(10)上的曲線型殼體中的信號光纖(6)串聯(lián)在一根光纖。
9.按照權利要求1所述的新型光纖氣體感測裝置，其特征在于所述的氣室(10)采用低溫度膨脹系數(shù)的材料。
10.按照權利要求1所述的新型光纖氣體感測裝置，其特征在于所述的曲線型殼體 (4)的全部或部分通過膠黏劑或焊接的方法固定于氣室(10)的外表面上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于光聲光譜技術的新型光纖氣體感測裝置，包括激光源(25)、氣室(10)，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)和計算氣體濃度的處理單元(50)，其特征是在氣室(10)的外表面上纏繞著曲線型殼體(4)，由于氣室(10)在待測氣體聲壓力波下的改變而帶動曲線型殼體的內(nèi)部A側(cè)變形齒(4-1)和B側(cè)變形齒(4-2)之間的距離變化，導致夾持在A、B兩側(cè)變形齒之間的信號光纖(6)的彎曲曲率變化，從而改變了信號光纖(6)的微彎損耗，通過測試單元(5)得到信號光纖(6)的微彎損耗變化，最后由處理單元(50)計算得到待測氣體濃度。本裝置精度高、成本低、易于復用組網(wǎng)，具有廣闊的應用前景。
文檔編號G01N21/31GK102346131SQ20101024478
公開日2012年2月8日 申請日期2010年7月30日 優(yōu)先權日2010年7月30日
發(fā)明者杜兵 申請人:西安金和光學科技有限公司