[發明專利]一種空芯光纖氣體填充速率的檢測方法及裝置

有效

• 申請號: 201210523837.5
• 申請日: 2012-12-08
• 公開（公告）號: CN103048119A
• 公開（公告）日: 2013-04-17
• 發明（設計）人: 陳維;王新兵;左都羅;陸培祥
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01M11/02
• 分類號: G01M11/02
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李智

技術領域

本發明屬于光纖傳感領域，具體涉及一種基于四極質譜儀的光子晶體光纖氣體填充速率檢測的方法，該方法尤其適用于混合氣體的填充速率的檢測。

背景技術

隨著社會經濟的不斷發展，人類生存的環境也受到不同程度的污染，尤其是各種有害氣體和液體的任意排放，給人類造成很大威脅，這需要我們能及時有效的檢測這些物質的排放，避免危害的發生。因此，研究各種氣體的檢測方法與氣體傳感器就成為傳感技術發展領域的一個重要課題。自20世紀70年代以來，光纖傳感器取得了飛速發展。傳統光纖傳感器一般由光源、光纖、光檢測器和附加裝置組成；種類繁多，按照不同的原理可分為不同的種類，比如：功能型和非功能型光纖傳感器；傳光型和傳感型光纖傳感器；分布式光纖傳感器和光纖光柵傳感器等。

光子晶體光纖由于其獨特的性質也開始受到人們的格外關注，尤其是它在傳感方面中的應用，也正是因為它的出現改進了傳統的光纖傳感器。它可以用來檢測氣體和液體的濃度、溫度、靜壓力和張力等。光纖傳感器的一個重要性能指標就是氣體填充速率，填充速率越高，則光線傳感器的響應時間越快。

在2002年Hoo和Jin等人(Y.L.Hoo，W.Jin,C.Shi,etal.Design?andmodeling?of?a?photonic?crystal?fiber?gas?sensor.Appl.Opt，2003，42(18):3509-3515)就對實芯光子晶體光纖倏逝波吸收氣體的傳感特性進行了研究，主要是讓檢測的氣體填充到包層孔中，填充時牽扯到填充時間問題，要盡量減少填充時間，提高檢測效率，利用光場滲透到包層中的倏逝波吸收氣體進行檢測。但是這種方法滲透到包層中的光場強度很小，所以檢測靈敏度比較低。而利用空芯光子晶體光纖則有效的解決了這一問題。由于其纖芯是空的，所以要檢測的氣體可以直接通入纖芯中，填充時間要比利用實芯光子晶體光纖倏逝波檢測快的多，并且由于光子帶隙作用使光能在纖芯中傳播，也加大了光和檢測氣體的相互作用，大大提高了檢測的靈敏度。

由于氣體填充速率的快慢取決于光纖內氣體壓強穩定所需的時間即氣體填充時間，因此檢測氣體的填充時間是判斷氣體填充速率快慢的主要手段。目前對光子晶體光纖氣體填充時間的檢測主要由兩種方法，即光學法和傳統氣壓計法。光學法是基于比爾-朗伯定律測量出通光前后光強的變化，由變化得到物質的濃度，具有響應速度快、測量精確、無接觸測量等優點。但是比爾-朗伯定律的成立是有前提的，即：（1）入射光為平行單色光且垂直照射；（2）吸光物質為均勻非散射體系；（3）吸光質點之間無相互作用；（4）輻射與物質之間的作用僅限于光吸收過程，無熒光和光化學現象發生。如果入射光不是單色平行光；或者被測介質不均勻，濃度過大；以及產生光化學反應等因素都將造成較大的測量誤差。而傳統氣壓計法一般采用氣敏法對某種特定氣體進行檢測，通過在壓電晶體表面涂覆一層選擇性吸附某氣體的氣敏薄膜使得該氣敏薄膜與待測氣體相互作用引起膜層質量和導電率的變化，從而反映氣體濃度的變化，因此氣敏法具有氣體選擇性，不適合混合氣體的檢測，并且受溫度影響較大。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于四極質譜儀的光子晶體光纖氣體填充速率的檢測方法，能夠實時監測混合氣體的填充速率。

本發明的另一目的在于提供一種基于四極質譜儀的光子晶體光纖氣體填充速率的檢測裝置，能夠實時監測混合氣體的填充速率。

一種空芯光纖氣體填充速率的檢測方法，具體為：將待測氣體通入光子晶體光纖，四極質譜儀對輸入光纖的氣體進行采樣分析，得到氣體壓強隨時間變化的關系即為氣體填充速率。

一種空芯光纖氣體填充速率的檢測裝置，包括氣腔、渦輪分子泵、轉接口和四極質譜儀，氣腔的一端連接渦輪分子泵，另一端連接光纖的輸入端，光纖的輸出端連接轉接口的光纖接口，轉接口的管道接口連接四極質譜儀。

進一步地，轉接口的管道接口通過壓降管道連接四極質譜儀。本發明的技術效果體現在：