一种单纤混合气体组分识别与浓度检测可同时传感装置制造方法及图纸

技术编号:19686898 阅读:28 留言:0更新日期:2018-12-08 10:02
本发明专利技术公开了一种单纤混合气体组分识别与浓度检测可同时传感装置,包括:模场适配光纤结构和微处理多芯光纤两部分,利用微处理多芯光纤的纤芯的空间分布规律,通过模场适配光纤结构缩小光纤气体检测装置的体积,对多芯光纤的不同纤芯进行微结构处理,分别刻写中心波长与不同气体吸收峰相关的微结构光栅;在未被刻蚀的多芯光纤区域制作穿孔作为混合气体的气室,与模场适配光纤结构共同构成单纤气体组分识别与浓度检测装置。本发明专利技术降低了光纤混合气体浓度检测装置的复杂度,缩小系统体积,提高结构稳定性和系统的复用能力。

【技术实现步骤摘要】
一种单纤混合气体组分识别与浓度检测可同时传感装置
本专利技术涉及光纤传感检测
,具体是涉及一种单纤混合气体组分识别与浓度检测可同时传感装置。
技术介绍
光纤气体传感由于具有抗电磁干扰能力强、可靠性高、便于组网远程检测等优势,而被广泛地应用于环境治理、化工生产、电力电气等行业对有毒、有害气体的检测。传统的光纤气体传感系统偏重于单一气体的浓度检测,而降低系统的重复利用率。相较于单一气体浓度检测,混合气体组分识别与浓度检测系统的设计可以有效地扩展系统的功能,降低光纤气体浓度检测系统的使用成本。普通光纤光栅、Sagnac滤波器和密集波分复用器等光纤器件是常用的混合气体浓度检测系统的滤波装置。为实现混合气体更多组分的识别,需要大量地使用滤波器,从而增加系统的体积和结构复杂度。为有效地解决传统单模光纤传输容量的限制,多芯光纤以其支持不同纤芯间相互独立传输不同模式和结构设计灵活紧凑的特性受到越来越多的关注,极有可能成为下一代重要的传输介质,图1是日本藤仓公司生产的多芯光纤的横截面图。多芯光纤独特的纤芯设计,相对于普通单模光纤,同等尺寸可以容纳更多的传输通道,通过有效的将选频器件刻蚀在多芯光纤的不同纤芯处,既可以极大地缩减光纤传感装置的体积,提高系统的结构稳定性,又可以实现混合气体的组分识别和浓度检测。随着超快激光和微纳加工技术的发展,通过对多芯光纤的微处理实现气室的设计,可以进一步简化光纤传感系统的结构,实现高集成度的单纤混合气体组分识别与浓度检测装置,促使多芯光纤在光纤传感领域得到更加广泛的应用。相较于普通光纤传感器而言,多芯光纤传感器不仅可以有效地提高系统的复用能力,实现混合气体的检测,而且可以极大地缩小光纤器件的体积,具有结构简单、体积小等优点。同时,该光纤气体传感系统具有好的可移植性,对于提高混合气体光纤传感系统的性能、扩展光纤传感检测系统可覆盖气体的范围具有非常重要的意义。
技术实现思路
为了降低光纤混合气体浓度检测装置的复杂度,缩小系统体积,提高结构稳定性和系统的复用能力,本专利技术通过对多芯光纤进行微处理,提出了一种基于多芯光纤的单纤混合气体组分识别与浓度检测装置,详见下文描述:一种单纤混合气体组分识别与浓度检测可同时传感装置,所述装置包括:模场适配光纤结构和微处理多芯光纤两部分,利用微处理多芯光纤的纤芯的空间分布规律,通过模场适配光纤结构缩小光纤气体检测装置的体积,对多芯光纤的不同纤芯进行微结构处理,分别刻写中心波长与不同气体吸收峰相关的微结构光栅;在未被刻蚀的多芯光纤区域制作穿孔作为混合气体的气室,与模场适配光纤结构共同构成单纤气体组分识别与浓度检测装置。其中,所述模场适配光纤结构包括:依次连接的单模光纤、模场匹配区、以及多模光纤。进一步地,所述微处理多芯光纤设置在多模光纤内,包括:多芯光纤、方形穿孔以及通过超快激光对多芯光纤的不同纤芯刻写的若干个微结构光栅,每个微结构光栅的中心波长对应某一气体的吸收峰。具体实现时,宽光谱信号光首先通过模场适配光纤被多芯光纤分光,经多芯光纤不同纤芯传输的信号光与方形穿孔内的气体相互作用后再次被耦合进多芯光纤;进入不同纤芯的信号光在各自纤芯内部的微结构光栅作用下发生反射;反向传输的信号光再次与方形穿孔内的气体相互作用,携带气体组成成分和吸收强度等信息后被耦合进多芯光纤之后经模场适配光纤结构后输出;由于反射光的中心波长与气体吸收峰存在一一对应关系,根据反射峰强度有无变化实现混合气体组分的识别,根据反射峰强度的变化量则实现气体浓度的检测。进一步地,单模光纤的纤芯/包层直径为10/125μm、多模光纤的纤芯/包层直径为105/125μm;多芯光纤的纤芯/包层直径为10/125μm、芯间距为35.4μm、纤芯数量为7,对应有7个微结构光栅,带宽均为0.1nm;该7个微结构光栅的中心波长分别对应水蒸气、臭氧、乙炔、一氧化氮、硫化氢、氨气、二氧化碳的吸收峰;所述装置将浓度为1%气体的吸收强度提高5倍以上,相应的灵敏度提高5倍;上述微结构光栅的窄带特性可用于区分吸收峰间隔大于0.05nm的多种气体,相对于波长线宽为亚纳米量级的信号光而言,混合气体组分识别的准确率提高一倍。本专利技术提供的技术方案的有益效果是:1、本专利技术采用多芯光纤作为传感器件,单纤结构可以有效地缩小气体传感装置的体积,降低系统的复杂度,提高装置的结构稳定性;2、本专利技术既可以实现混合气体组分的识别,又可以达到气体浓度检测的目的,市场前景好,实现方式简单,具有良好的技术转化基础,有望被广泛地应用于诸如水蒸气、二氧化碳、一氧化碳、臭氧等大气环境气体成分的监测;3、通过本专利技术设计的检测装置可以推动多芯光纤器件的推广,实现广泛的社会效益。附图说明图1为藤仓多芯光纤横截面的示意图;图2为单纤混合气体组分识别与浓度检测装置的结构示意图;图3为宽带光源光谱图和不同浓度混合气体对应的反射光谱示意图。附图中,各部件代表的部件列表如下:1:单模光纤;2:模场匹配区;3:多模光纤;4:七芯光纤;5:方孔;61:第一微结构光栅;62:第二微结构光栅;63:第三微结构光栅;64:第四微结构光栅;65:第五微结构光栅;66:第六微结构光栅;67:第七微结构光栅。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚,下面对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。实施例1本专利技术实施例主要是利用多芯光纤的纤芯的空间分布规律,通过单纤结构有效地缩小光纤气体检测装置的体积。由于不同纤芯传输的信号光具有不同的波长,因此不需要多芯光纤耦合装置,也不受多芯光纤不同纤芯信号串扰问题的限制。本装置可以有效地实现混合气体检测,极大丰富气体传感器的性能。首先对多芯光纤的不同纤芯进行微结构处理,分别刻写中心波长与不同气体吸收峰相关的微结构光栅,然后在未被刻蚀的多芯光纤区域制作方形穿孔作为混合气体的气室,与模场适配光纤共同构成本专利技术实施例提供的单纤气体组分识别与浓度检测装置。其中,宽光谱信号光首先通过模场适配光纤被多芯光纤分光。经多芯光纤不同纤芯传输的信号光与方孔5内的气体相互作用后再次被耦合进多芯光纤。进入不同纤芯的信号光在各自纤芯内部的微结构光栅作用下发生反射。反向传输的信号光再次与方孔5内的气体相互作用,携带气体组成成分和吸收强度等信息后被耦合进多芯光纤之后经模场适配光纤从检测装置中输出。由于反射光的中心波长与气体吸收峰存在一一对应关系,因此根据反射峰强度有无变化实现混合气体组分的识别,而根据反射峰强度的变化量则可实现气体浓度的检测。实施例2下面结合具体的实施方式对实施例1中的方案作进一步介绍,详见下文描述:如图2所示,本专利技术实施例提供的单纤混合气体组分识别与浓度检测同时传感装置主要包括:模场适配光纤结构和微处理多芯光纤两大部分。两者的有机结合实现本专利技术实施例提出的单纤混合气体组分识别与浓度检测装置。其中,模场适配光纤结构包括:依次连接的纤芯/包层直径为10/125μm的单模光纤1、模场匹配区2、以及纤芯/包层直径为105/125μm的多模光纤3。单模光纤1与多模光纤3通过拉锥熔接实现连接。其中,在多模光纤3内设置有微处理多芯光纤,该微处理多芯光纤主要包括:纤芯/包层直径为10/125μm、芯间距为35.4μm、纤芯数量为7的多芯光纤4、方形穿孔5以及通过超快激光对本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种单纤混合气体组分识别与浓度检测可同时传感装置,其特征在于,所述装置包括:模场适配光纤结构和微处理多芯光纤两部分,利用微处理多芯光纤的纤芯的空间分布规律,通过模场适配光纤结构缩小光纤气体检测装置的体积,对多芯光纤的不同纤芯进行微结构处理,分别刻写中心波长与不同气体吸收峰相关的微结构光栅;在未被刻蚀的多芯光纤区域制作穿孔作为混合气体的气室,与模场适配光纤结构共同构成单纤气体组分识别与浓度检测装置。

【技术特征摘要】
1.一种单纤混合气体组分识别与浓度检测可同时传感装置,其特征在于,所述装置包括:模场适配光纤结构和微处理多芯光纤两部分,利用微处理多芯光纤的纤芯的空间分布规律,通过模场适配光纤结构缩小光纤气体检测装置的体积,对多芯光纤的不同纤芯进行微结构处理,分别刻写中心波长与不同气体吸收峰相关的微结构光栅;在未被刻蚀的多芯光纤区域制作穿孔作为混合气体的气室,与模场适配光纤结构共同构成单纤气体组分识别与浓度检测装置。2.根据权利要求1所述的一种单纤混合气体组分识别与浓度检测可同时传感装置,其特征在于,所述模场适配光纤结构包括:依次连接的单模光纤、模场匹配区、以及多模光纤。3.根据权利要求2所述的一种单纤混合气体组分识别与浓度检测可同时传感装置,其特征在于,所述微处理多芯光纤设置在多模光纤内,包括:多芯光纤、方形穿孔以及通过超快激光对多芯光纤的不同纤芯刻写的若干个微结构光栅,每个微结构光栅的中心波长对应某一气体的吸收峰。4.根据权利要求3中任一权利要求所述的一种单纤混合气体组分识别与浓度检测可同时传感装置,其特征在于,宽光谱信号光首先通过模场适配光纤结构被多芯光纤分光,经多芯光纤不同纤芯传输的信号光与方形...

【专利技术属性】
技术研发人员:张海伟薛力芳白扬博杨晓苹苗银萍任广军
申请(专利权)人:天津理工大学
类型:发明
国别省市:天津,12

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