[發明專利]基于光熱光譜技術和Sagnac干涉的氣體傳感器

在審

• 申請號: 201711282232.0
• 申請日: 2017-12-07
• 公開（公告）號: CN107817221A
• 公開（公告）日: 2018-03-20
• 發明（設計）人: 楊玉強;王永光;趙玉欣
• 申請（專利權）人: 哈爾濱理工大學
• 主分類號: G01N21/31
• 分類號: G01N21/31;G01N21/23
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本專利涉及光纖氣體傳感技術，尤其涉及一種基于光熱光譜技術和Sagnac干涉的氣體傳感器。

背景技術

對于氣體濃度的測量，通常采用空間光譜吸收法進行測量，為了提高靈敏度需要大體積氣室，導致儀器體積龐大，難以實現在線檢測。

光纖氣體傳感技術在氣體檢測技術中屬于后起之秀，在20世紀70年代才走進人們的視野。光纖氣體傳感器傳輸功率損耗小，適合長距離測量，在高溫、高壓等惡劣環境下有較強優勢，結構簡單，靈敏度高，穩定可靠。鑒于以上種種獨特的優勢得到了眾多科研工作者的青睞，在實際應用中的地位也逐漸提升。

發明內容

在下文中給出了關于本發明的簡要概述，以便提供關于本發明的某些方面的基本理解。應當理解，這個概述并不是關于本發明的窮舉性概述。它并不是意圖確定本發明的關鍵或重要部分，也不是意圖限定本發明的范圍。其目的僅僅是以簡化的形式給出某些概念，以此作為稍后論述的更詳細描述的前序。

鑒于此，本發明提供了一種基于光熱光譜技術和Sagnac干涉的氣體傳感器，以至少解決現有氣體濃度檢測技術存在儀器體積龐大、難以實現在線檢測的問題，以及現有的光纖氣體傳感器靈敏度偏低的問題。

根據本發明的一個方面，提供了一種基于光熱光譜技術和Sagnac干涉的氣體傳感器，該基于光熱光譜技術和Sagnac干涉的氣體傳感器包括第一激光器、第一隔離器、耦合器、Sagnac環、環形器、第二隔離器、第二激光器、濾波器和光電探測器；

其中，耦合器的分光比為50:50；Sagnac環內含有一段空芯光子晶體光纖，其包層內部分氣孔充入酒精，使其成為雙折射光纖，纖芯孔則充入被測氣體；第二激光器的輸出波長與被檢測氣體的吸收譜峰重合，第二激光器輸出的泵浦光經隔離器和環形器后進入空芯光子晶體光纖，并與空芯光纖芯內的被檢測氣體相互作用，使得溫度發生變化進而改變了空芯光纖的雙折射系數；第一激光器的輸出波長與被測氣體的吸收譜波谷重合，第一激光器輸出的窄帶信號光經第一隔離器和耦合器后進入Sagnac環內，再經環形器，然后通過濾波器濾掉殘余泵浦光后，由光電探測器接收。

進一步地，Sagnac環包括長度為第一預設長度的空芯光纖，該段空芯光纖的一端與第一單模光纖的一段相熔接，稱為第一熔接面；該段空芯光纖的另一端與第二單模光纖的一端相熔接，稱為第二熔接面；在空芯光纖的側面上距離第一熔接面第一距離處開有第一孔，第一孔使得空芯光纖內纖芯與外界連通；在空芯光纖的側面上距離第二熔接面第二距離處開有第二孔，第二孔使得空芯光纖內纖芯與外界連通。

進一步地，窄帶信號與泵浦光均為DFB激光器，其線寬為0.01pm。

根據本發明的另一方面，還提供了一種用于檢測氣體濃度變化的方法，該方法利用上文所述的基于光熱光譜技術和Sagnac干涉的氣體傳感器實現，基于光熱光譜技術和Sagnac干涉的傳感器包括第一激光器、第一隔離器、耦合器、Sagnac環、環形器、第二隔離器、第二激光器、濾波器和光電探測器；耦合器的分光比為50:50；Sagnac內含有一段空芯光子晶體光纖；第二激光器的輸出波長與被檢測氣體的吸收譜峰重合，第二激光器輸出的泵浦光經隔離器和環形器后進入Sagnac環，并與空芯光纖芯內的被檢測氣體相互作用改變了雙折射光纖的雙折射系，氣體濃度不同雙折射系數改變大小也不同；第一激光器的輸出波長與被測氣體的吸收譜波谷重合，第一激光器輸出的窄帶信號光經第一隔離器和耦合器后進入Sagnac環，由于空芯光纖雙折射系數發生變化，所以兩次信號光之間會產生相位的變化，出來后的信號光再經環形器，然后通過濾波器濾掉殘余泵浦光后，根據相應關系轉化為電壓的變化，最后由光電探測器接收。

用于檢測氣體濃度變化的方法包括：獲得光電探測器所接收的電壓變化量，則可根據下式計算空芯光纖內氣體濃度的變化量：

公式一

其中，是電壓的變化量，為泵浦光的功率，為空芯光纖的長度，為預設常數，可根據經驗值來設定。