本發(fā)明涉及光纖氣體傳感檢測，具體為基于氣敏材料的微錐形光纖光柵氣體傳感裝置及使用方法。

背景技術(shù)：

1、近幾十年來驚人的工業(yè)發(fā)展加劇了空氣污染問題，因為痕量氣體的水平不斷增加，特別是對環(huán)境和人類健康。日常生活中二氧化碳(co2)濃度是衡量室內(nèi)空氣潔凈度的重要指標(biāo)。鑒于天然氣經(jīng)濟的急劇增長，天然氣的主要成分是甲烷，甲烷為無色、極易燃、易爆氣體，爆炸極限4.3％-16.2％，極易在空氣中爆炸；因此，ch4氣體的安全使用和ch4泄漏的檢測就變得非常重要，人們需要更好的技術(shù)在天然氣基礎(chǔ)設(shè)施的每個階段監(jiān)測ch4的排放。因此，co2氣體的安全使用和ch4泄漏的檢測就變得非常重要。

2、近年來，基于改變折射率或改變光柵周期的敏感材料越來越受到人們的關(guān)注。氣敏技術(shù)主要依賴于氣體與金屬氧化物、聚合物復(fù)合材料等其他材料相互作用時物理和化學(xué)性質(zhì)的變化。敏感材料涂敷在光纖光柵會改變纖芯的折射率，最終導(dǎo)致耦合共振波長偏移。光纖光柵涂層的敏感材料主要有金屬、無機材料和聚合物。本發(fā)明采用的微錐型光纖光柵(microtapered?fiber?grating，mt-fg)質(zhì)量非常高，光柵消光比達到30db且損耗小于1db，對自身應(yīng)力變化具有卓越的靈敏度性能，并且微錐型光纖光柵的制作方法具有實現(xiàn)簡單、光柵重復(fù)性高、制作可控性好、光柵質(zhì)量高等眾優(yōu)點。光纖氣體傳感器有利于傳感表面的平滑吸附，從而導(dǎo)致傳感表面與氣體種類的有效相互作用，并隨后生成有效的傳感信號以提供改進的分析性能。鑒于此，光纖傳感器在商業(yè)安裝方面具有巨大的潛力，用于感測和監(jiān)測眾多氣體污染的環(huán)境。

3、現(xiàn)有的技術(shù)，利用不同的微結(jié)構(gòu)光纖測量光的性質(zhì)的變化，就可以推斷出光纖傳感器所感知到光信號，從而實現(xiàn)對氣體濃度的監(jiān)測，但倏逝波型光纖氣體傳感器和紅外光譜儀器相對昂貴，壓力易對氣體分子的振動狀態(tài)產(chǎn)生影響，并且吸收峰容易重疊，不易檢測多種氣體濃度，其制造成本相對較高，光結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易受溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)變化的影響，容易造成較大的誤差。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供基于氣敏材料的微錐形光纖光柵氣體傳感裝置，以解決上述背景技術(shù)中提出倏逝波型光纖氣體傳感器和紅外光譜儀器相對昂貴，壓力易對氣體分子的振動狀態(tài)產(chǎn)生影響，并且吸收峰容易重疊，不易檢測多種氣體濃度，其制造成本相對較高，光結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易受溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)變化的影響，容易造成較大的誤差的問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、基于氣敏材料的微錐形光纖光柵氣體傳感裝置，包括寬帶光源，所述寬帶光源發(fā)生端連接有單模光纖，所述單模光纖外側(cè)依次設(shè)置有多個微錐形光纖光柵，所述微錐形光纖光柵設(shè)置于氣室內(nèi)部，所述單模光纖另一端連接有光譜分析儀，所述光譜分析儀另一端連接有計算機；

4、所述微錐形光纖光柵包括第二微錐形光纖光柵、第三微錐形光纖光柵和第一微錐形光纖光柵，且所述第二微錐形光纖光柵、第三微錐形光纖光柵和第一微錐形光纖光柵均設(shè)置于氣室內(nèi)部；且所述第二微錐形光纖光柵、第三微錐形光纖光柵和第一微錐形光纖光柵表面分別涂覆不同氣敏材料、涂覆相同氣敏材料或不涂覆氣敏材料。

5、進一步優(yōu)選地，所述氣室包括上下兩部分組合而成，所述氣室內(nèi)部設(shè)置有一個氣腔時，所述氣腔的上半部分兩端分別設(shè)置有進氣管和出氣管，所述氣腔的上半部分內(nèi)部均勻設(shè)置有多個凹槽，所述氣腔的下半部分內(nèi)部均勻設(shè)置有多個凸起，所述凹槽與凸起相互配合連接，所述氣腔內(nèi)部還設(shè)置有光纖維穩(wěn)器。

6、進一步優(yōu)選地，所述氣室包括上下兩部分組合而成，所述氣室內(nèi)部設(shè)置有多個氣腔時，每個所述氣腔的上半部分兩端分別設(shè)置有進氣管和出氣管，每個所述氣腔的上半部分內(nèi)部均勻設(shè)置有多個凹槽，每個所述氣腔的下半部分內(nèi)部均勻設(shè)置有多個凸起，所述凹槽與凸起相互配合連接，每個所述氣腔內(nèi)部還設(shè)置有光纖維穩(wěn)器。

7、進一步優(yōu)選地，所述光纖維穩(wěn)器包括用于單模光纖貫穿連接的穿插孔，所述穿插孔頂部設(shè)置有預(yù)留槽。

8、進一步優(yōu)選地，所述氣室表面還貫穿設(shè)置有測試孔。

9、進一步優(yōu)選地，所述氣室兩端與單模光纖連接處還設(shè)置有光纖承托槽，且所述單模光纖與光纖承托槽連接處還設(shè)置有光纖保護套，所述光纖承托槽和光纖保護套表面均勻涂抹有硅橡膠。

10、進一步優(yōu)選地，所述氣腔的上下兩部分之間以及凹槽與凸起之間均通過硅橡膠粘連。

11、本發(fā)明還提供了一種技術(shù)方案，基于氣敏材料的微錐形光纖光柵氣體傳感裝置的使用方法，包括以下步驟：

12、通過進氣管向氣室內(nèi)部輸入待測氣體，保證待測氣體充滿整個氣室；

13、寬帶光源發(fā)出光信號經(jīng)過單模光纖；

14、光信號再依次經(jīng)過氣室內(nèi)部的涂覆不同氣敏材料、涂覆相同氣敏材料或不涂覆氣敏材料微錐形光纖光柵；

15、光信號最后由單模光纖傳輸至光譜分析儀和計算機進行數(shù)據(jù)處理。

16、進一步優(yōu)選地，所述光信號再依次經(jīng)過氣室內(nèi)部的涂覆不同氣敏材料、涂覆相同氣敏材料或不涂覆氣敏材料微錐形光纖光柵時，氣室表面的測試孔作為溫度傳感器、濕度傳感器和壓力傳感器的通路并用硅橡膠粘連氣腔，剩余孔隙利用膠封。

17、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

18、本發(fā)明采用對于應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)、彎曲等環(huán)境變量更高靈敏度的微錐形光纖光柵，可實現(xiàn)有選擇性的ppm量級的氣體濃度測量，對近紅外波段具有吸收的氣體具有普適性。本發(fā)明裝置在使用時，不需要大體積設(shè)備的支持，便于攜帶和使用操作，由于微錐型光纖光柵的結(jié)構(gòu)對于周圍環(huán)境高度敏感，例如應(yīng)變、彎曲、折射率和溫、濕度，微錐形光纖光柵對涂層折射率的變化以及涂層體積溶脹產(chǎn)生的應(yīng)力變化具有快速的響應(yīng)。將微錐形光纖光柵、多組分氣體和機械合成等功能集成為一體，旨在測量溫室氣體濃度。具備小型化、區(qū)分能力強、快速響應(yīng)等優(yōu)秀特性。

技術(shù)特征：

1.基于氣敏材料的微錐形光纖光柵氣體傳感裝置，包括寬帶光源(1)，其特征在于：所述寬帶光源(1)發(fā)生端連接有單模光纖(2)，所述單模光纖(2)外側(cè)依次設(shè)置有多個微錐形光纖光柵，所述微錐形光纖光柵設(shè)置于氣室(3)內(nèi)部，所述單模光纖(2)另一端連接有光譜分析儀(9)，所述光譜分析儀(9)另一端連接有計算機(10)；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于氣敏材料的微錐形光纖光柵氣體傳感裝置，其特征在于：所述氣室(3)包括上下兩部分組合而成，所述氣室(3)內(nèi)部設(shè)置有一個氣腔(13)時，所述氣腔(13)的上半部分兩端分別設(shè)置有進氣管(5)和出氣管(6)，所述氣腔(13)的上半部分內(nèi)部均勻設(shè)置有多個凹槽(15)，所述氣腔(13)的下半部分內(nèi)部均勻設(shè)置有多個凸起(14)，所述凹槽(15)與凸起(14)相互配合連接，所述氣腔(13)內(nèi)部還設(shè)置有光纖維穩(wěn)器(18)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于氣敏材料的微錐形光纖光柵氣體傳感裝置，其特征在于：所述氣室(3)包括上下兩部分組合而成，所述氣室(3)內(nèi)部設(shè)置有多個氣腔(13)時，每個所述氣腔(13)的上半部分兩端分別設(shè)置有進氣管(5)和出氣管(6)，每個所述氣腔(13)的上半部分內(nèi)部均勻設(shè)置有多個凹槽(15)，每個所述氣腔(13)的下半部分內(nèi)部均勻設(shè)置有多個凸起(14)，所述凹槽(15)與凸起(14)相互配合連接，每個所述氣腔(13)內(nèi)部還設(shè)置有光纖維穩(wěn)器(18)。

4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的基于氣敏材料的微錐形光纖光柵氣體傳感裝置，其特征在于：所述光纖維穩(wěn)器(18)包括用于單模光纖(2)貫穿連接的穿插孔(18-1)，所述穿插孔(18-1)頂部設(shè)置有預(yù)留槽(18-2)。

5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的基于氣敏材料的微錐形光纖光柵氣體傳感裝置，其特征在于：所述氣室(3)表面還貫穿設(shè)置有測試孔(16)。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于氣敏材料的微錐形光纖光柵氣體傳感裝置，其特征在于：所述氣室(3)兩端與單模光纖(2)連接處還設(shè)置有光纖承托槽(12)，且所述單模光纖(2)與光纖承托槽(12)連接處還設(shè)置有光纖保護套(17)，所述光纖承托槽(12)和光纖保護套(17)表面均勻涂抹有硅橡膠。

7.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的基于氣敏材料的微錐形光纖光柵氣體傳感裝置，其特征在于：所述氣腔(3)的上下兩部分之間以及凹槽(15)與凸起(14)之間均通過硅橡膠粘連。

8.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項所述的基于氣敏材料的微錐形光纖光柵氣體傳感裝置的使用方法，其特征在于，包括以下步驟：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于氣敏材料的微錐形光纖光柵氣體傳感裝置的使用方法，其特征在于：所述光信號再依次經(jīng)過氣室(3)內(nèi)部的涂覆不同氣敏材料、涂覆相同氣敏材料或不涂覆氣敏材料微錐形光纖光柵時，氣室(3)表面的測試孔(16)作為溫度傳感器、濕度傳感器和壓力傳感器的通路并用硅橡膠粘連氣腔(3)，剩余孔隙利用膠封。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于光纖氣體傳感檢測技術(shù)領(lǐng)域，公開了基于氣敏材料的微錐形光纖光柵氣體傳感裝置，該裝置包括寬帶光源，寬帶光源發(fā)生端連接有單模光纖，單模光纖外側(cè)依次設(shè)置有多個微錐形光纖光柵，微錐形光纖光柵設(shè)置于氣室內(nèi)部，單模光纖另一端連接有光譜分析儀，光譜分析儀另一端連接有計算機。本發(fā)明裝置在使用時，不需要大體積設(shè)備的支持，便于攜帶和使用操作，由于微錐型光纖光柵的結(jié)構(gòu)對于周圍環(huán)境高度敏感，例如應(yīng)變、彎曲、折射率和溫、濕度，微錐形光纖光柵對涂層折射率的變化以及涂層體積溶脹產(chǎn)生的應(yīng)力變化具有快速的響應(yīng)。將微錐形光纖光柵、多組分氣體和機械合成等功能集成為一體，具備小型化、區(qū)分能力強等優(yōu)秀特性。

技術(shù)研發(fā)人員：任凱利,梁磊,羅飛,范仲濤,亢帥澤,郭旭,朱斌超,閆浩
受保護的技術(shù)使用者：銅川之光光電科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6