[發明專利]一種基于三角微腔雙路F-P干涉補償的氣體傳感探頭

有效

• 申請號: 201910072881.0
• 申請日: 2019-01-25
• 公開（公告）號: CN109632715B
• 公開（公告）日: 2020-03-24
• 發明（設計）人: 李晉;隋政麒;李周兵
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: G01N21/45
• 分類號: G01N21/45
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 陳玲玉;梅洪玉

本發明公開了一種基于三角微腔雙路F?P干涉補償的氣體傳感探頭，該探頭包括光路腔室和檢測腔室，兩個腔室被密封板隔離開，其中光路腔室包括光源，由其發出的光經過分光棱鏡后，再經過凸透鏡聚焦準直，從檢測腔室返回的光信號由光探測器接收。檢測腔室由光纖結構、柵隔支架、進氣口和出氣口構成，光纖結構的一端構建了氣體檢測室，為了提高反射率在光纖結構的端頭涂覆了金膜反射層。本發明可以通過雙路F?P干涉信號的差分處理實現溫度的自補償，使探頭工作時不受環境溫度的影響，該探頭結構緊湊、體積小，可以實現在狹小空間內的安裝和氣體泄漏的實時監測。

技術領域

本發明屬于光纖技術領域，涉及一種基于三角微腔雙路F-P干涉補償的氣體傳感探頭，可實現對工業環境有毒有害等危險氣體濃度的精準監測和微量危險氣體的泄漏預警。

背景技術

氣體檢測方法有很多種，通常根據監測原理可分為：電化學法、氣相色譜法、光學式法、高分子材料氣體傳感器等。但是上述針對危險氣體的檢測技術存在響應時間長、所需設備昂貴、難以滿足電磁輻射和生化腐蝕環境的需要。光纖傳感技術是上個世紀中后期隨著光通信的發展而逐步發展起來的，它是一-種以光波為載體，光纖為傳輸介質，感知和傳輸被測信號的傳感技術。由于光纖傳感器是以光纖作為信號傳輸介質，所以與其它傳感器相比，它有著無法比擬的優點：包括抗輻射、耐腐蝕、靈敏度高、可遠端遙控檢測、易組網、重量輕、體積小、價格低廉等。

光纖氣體傳感器主要是利用氣體的物理、化學及相關的光學現象或特性來檢測氣體濃度，相應的技術包括吸收型光纖氣體傳感，即利用比爾朗伯吸收定律，檢測由于氣體吸收而引起的光強衰減；薄膜透射型光纖氣體傳感技術，則是將氣體敏感的材料制作成透明薄膜，當氣體濃度發生變化時，透過薄膜的光強也會隨之發生變化；干涉型光纖氣體傳感是利用待測氣體濃度和氣體折射率的關系，使用干涉法檢測氣體折射率的變化，從而間接求得氣體的濃度。

以上方法均可實現對氣體濃度的檢測，但是在很多工業生產生活環境中，易燃易爆等危險氣體的檢測極為復雜，使得光纖氣體傳感探頭的微型化、高靈敏度和抵抗外界復雜環境的能力要求日見苛刻，也亟需新型結構光纖氣體傳感結構的出現，解決相關實際應用過程中存在的問題。

發明內容

本發明提供了一種基于三角微腔雙路F-P干涉補償的氣體傳感探頭，解決了目前光纖氣體傳感器體積大、靈敏度低、響應時間長、難以滿足復雜環境應用需求的問題。

為了達到上述目的，本發明采用的技術方案如下：

一種基于三角微腔雙路F-P干涉補償的氣體傳感探頭，該探頭包括光路腔室和檢測腔室，兩個腔室被密封板隔離開；光路腔室包括光源，檢測腔室由光纖結構、柵隔支架、進氣口和出氣口構成，光纖結構的一端構建有氣體檢測室；為了提高反射率，光纖結構的端頭涂覆了金膜反射層。

光源發出的光經過分光棱鏡后，再經過凸透鏡聚焦準直，從檢測腔室返回的光信號由光探測器接收。

上述的氣體傳感探頭的外形為圓柱形，長度為50mm，直徑為20mm，上述的光源的輸出波長為1520-1580nm，上述的光探測器的工作波長為350-2000nm，上述的凸透鏡的焦距為5mm，上述的光纖結構的外形為圓柱形，其纖芯直徑為20微米，材料為二氧化硅，包層直徑為300微米，材料為聚酰亞胺，所述的氣體檢測室的外形為等腰三角棱柱，其是采用飛秒激光刻蝕技術在光纖上加工得到的空腔，直角邊的邊長為150微米，該結構的設計可以在光纖軸向和徑向分別構建兩個F-P腔結構，從而可借助信號差分處理技術消除環境溫度對傳感結果的影響，所述的金膜反射層的厚度為10微米，所述的柵隔支架為帶有多孔柵格結構的亞克力板，以利于氣體在檢測腔室內的自由流動。

當待測氣體濃度變化時，在氣體檢測室斜邊和光線結構纖芯交點位置的多路光信號的干涉條件發生變化，從而導致光探測器接收到的干涉光譜移動，最終可以獲得氣體濃度的數值。