一种同时测量挥发性有机物浓度和温度的光纤传感器制造技术

本实用新型专利技术提出一种同时测量挥发性有机物浓度和温度的光纤传感器，包括宽带光源、光谱仪、2×1的耦合器、传输光纤、光纤布拉格光栅、球形传感探头和气室；宽带光源的输出端与2×1耦合器两端口的一端相连，2×1耦合器一端口的一端与光纤布拉格光栅的一端相连，光纤布拉格光栅的另一端与传感探头相连；当环境温度发生变化时，光纤布拉格光栅的谐振波长会发生飘移，球形光纤端面的沸石膜厚度在8‑10μm，当光纤探头接触挥发性有机物时，沸石膜的有效折射率发生变化，从而改变干涉腔长度，通过光谱仪对干涉波长飘移量的解调，可实现对挥发性有机物的测量。本实用新型专利技术具有结构简单，制作方便，灵敏度高，可实现温度和挥发性有机物同时测量。

【技术实现步骤摘要】

本技术属于光纤传感领域，具体涉及一种同时测量挥发性有机物浓度和温度的光纤传感器。该传感器制作方便，灵敏度高，便于微量测量，可实现在线和多点测量的优点。
技术介绍
光纤布拉格光栅(FiberBraggGrating，FBG)是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是一种无源滤波器件。在纤芯传输的光在每个光栅面处发生散射，满足布喇格条件的光将被反射，不满足布喇格条件的光将继续传输。光纤布拉格光栅在传感领域中具有十分广泛的应用，用于一些重要物理参数(如应变、温度、压力、超声波等)的测量，其中，光纤光栅对折射率的变化不敏感。沸石是一种具有规则孔道结构的晶体，耐高温、抗化学和生物腐蚀、机械强度高，将沸石制备成厚度为微米级的薄膜可以实现分子的分离，即根据分子大小的不同实现分离。挥发性有机物(volatileorganiccompounds，VOCs)按照世界卫生组织的定义沸点在50℃-250℃的化合物，在常温下以蒸汽形式存在于空气中的一类有机物。为实现对挥发性有机物的传感，我们采用了沸石材料作为分子筛。目前对于VOCs的定量分析常采用气相色谱法(GC)和气相质谱联用(GC-MS)方法、电化学探测法和红外吸收光谱法；其中电化学方法需要对待测气体进行采样，不适用于现场检测；气相色谱和气相-质谱联用法和红外吸收光谱法需要专门的进样装置，其过程复杂、时间较长、无法满足实时自动化连续监测。另外，这些方法对挥发性有机物检测忽略了环境温度对检测结果的影响。光纤传感器是利用光在光纤中传播，光波的特征参量(相位、波长、频率、偏振态等)会受到外界因素的影响，只要检测出这些变化就可以直接或者间接的得出外界因素的参数。光纤传感器以其测量精度高、传感范围大和抗干扰能力强等优点，被广泛应用于传感领域。针对上述挥发性有机物检测结构复杂、易受电磁干扰、不能同时监测温度等问题，本技术提出一种挥发性有机物浓度和温度同时测量的光纤传感器。本技术以镀沸石膜的球形光纤端面作为VOCs的传感头，以光纤布拉格光栅作为温度传感器，实现对温度和挥发性有机物的同时检测。因此，本技术提出的一种挥发性有机物浓度和温度同时测量的光纤传感器能够实现对温度和挥发性有机物的高灵敏度传感，结构简单，成本低，具有很强的实用价值。
技术实现思路
本技术提供了一种结构简单，灵敏度高，制作方便的同时测量挥发性有机物浓度和温度的光纤传感器本技术的技术解决方案如下：一种同时测量挥发性有机物浓度和温度的光纤传感器，包括宽带光源、光谱仪、2×1的耦合器、传输光纤、光纤布拉格光栅、球形传感探头和气室；宽带光源的输出端与2×1耦合器两端口的一端相连，2×1耦合器一端口的一端与光纤布拉格光栅的一端相连，光纤布拉格光栅的另一端与镀有沸石膜的球形传感探头相连，光谱仪作为信号解调部分；上述球形传感探头为圆弧形F-P干涉腔，由球形单模光纤和沸石膜组成，球形传感探头的球形部分直径为150～180μm，长度为160～190μm，沸石膜的厚度为8-10μm，随着挥发性有机物浓度的变化，沸石膜的折射率发生变化，会改变F-P腔的长度。本技术的有益效果在于：将平整的球形端面优化为球形光纤端面，由于将光纤端面通过熔接放电后融成一个球形，增加了光纤与沸石膜的接触面积，并缩短了反应时间，使得反射光强度增加，干涉对比度提高。结合光纤布拉格光栅对折射率不敏感，且可以测量温度的特性，可以实现挥发性有机物浓度和温度的同时测量。附图说明图1是一种同时测量挥发性有机物浓度和温度的光纤传感器的结构示意图。具体实施方式以下结合附图与具体实施方式对本技术作进一步描述：如图1示，一种同时测量挥发性有机物浓度和温度的光纤传感器，包括宽带光源(1)、光谱仪(2)、传输光纤(3)、2×1的耦合器(4)、光纤布拉格光栅(5)、气室(6)和球形传感探头(7)；宽带光源(1)的输出端与2×1耦合器(4)两端口的一端相连，2×1耦合器(4)一端口的一端与光纤布拉格光栅(5)的一端相连，光纤布拉格光栅(5)的另一端与球形传感探头(7)相连，球形传感探头(7)置于气室(6)中；上述球形传感探头(7)，其特征是通过光纤熔接机电弧放电，将单模光纤末端熔成球形端面，由于将光纤端面通过熔接放电后融成一个球形，增加了光纤与沸石膜的接触面积，使得反射光强度增加，干涉对比度提高。在光纤球形端面外生长一层沸石膜(8)，在球形光纤外壁与沸石膜(8)外壁之间形成圆弧形F-P干涉腔，从而构成球形传感探头，该传感探头球形部分直径为150～180μm，长度为160～190μm；所述的沸石膜(8)材料具有吸附挥发性有机物后有效折射率改变的效果；上述光纤布拉格光栅(5)，其特征是对谐振波长反射率大于等于90％，是通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，对折射率的变化不敏感。本实施方式的工作方式为：宽带光源的输出端与2×1耦合器两端口的一端相连，2×1耦合器一端口的一端与光纤布拉格光栅的一端相连，光通过耦合器耦合到光纤布拉格光栅中，光纤布拉格光栅的另一端与球形传感探头相连，球形传感探头置于气室中；将球形传感探头放置于需对挥发性有机物进行测量的环境中，由于沸石膜吸附环境中的挥发性有机物分子，球形传感探头末端的沸石膜的有效折射率发生改变，使球形传感探头中的弧形F-P干涉腔中干涉光的光程发生改变，F-P腔内干涉光的波长受到沸石膜的有效折射率的调制，干涉光波由传输光纤经由3dB耦合器进入到光谱仪中，由光谱仪可以观察到有挥发性有机物引起的干涉波长漂移，由此该传感器可以实现对挥发性有机物的传感；理论实验结果如表1。表1：F-P干涉波长与挥发性有机物浓度的变化关系挥发性有机物浓度(ppm)05101520干涉波长(nm)15321538154415501556挥发性有机物的浓度有0ppm(即环境中无挥发性有机物分子)到20ppm范围内，F-P干涉波长由1532nm变化到1556nm，变化量为24nm。从表中数据可以看出，环境中的挥发性有机物浓度与F-P干涉光波长近似成线性关系，灵敏度为1.199nm/ppm，光谱仪的分辨率20pm，测量精度为0.017ppm，即环境中的挥发性有机物浓度变化超过0.017ppm时，均可由本传感器测得，说明本传感器具有很高的灵敏度。当环境温度发生变化时，光纤布拉格光栅的谐振波长会发生飘移，通过实验采集数据可以得到光纤布拉格光栅的谐振波长随温度变化的线性关系，通过监测光纤布拉格光栅谐振波长的漂移量，可以推算出温度的变化量。理论实验结果如表2。表2：光纤布拉格光栅谐振波长与温度的变化关系温度/℃3040506070波长(nm)1513.91514.11514.21514.31514.4温度从30℃到70℃范围内，光纤布拉格光栅的谐振波长飘移了0.5nm，从表中数据可以看出，环境温度与光纤布拉格光栅谐振光波长近似成线性关系，灵敏度为10.2pm/℃。该技术能实现挥发性有机物传感的关键技术为：1.球形传感探头的表面镀有一层沸石膜，当沸石膜与挥发性有机物接触时，沸石膜的有效折射率将发生改变。随挥发性有机物浓度的增加，沸石膜的有效折射率将增加，从而改变干涉光的频谱。通过光谱仪对干本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种同时测量挥发性有机物浓度和温度的光纤传感器，包括宽带光源、光谱仪、2×1的耦合器、传输光纤、光纤布拉格光栅、球形传感探头和气室；其特征在于：宽带光源的输出端与2×1耦合器两端口的一端相连，2×1耦合器一端口的一端与光纤布拉格光栅的一端相连，光纤布拉格光栅的另一端与镀有沸石膜的球形传感探头相连，光谱仪作为信号解调部分；上述球形传感探头为圆弧形F‑P干涉腔，由球形单模光纤和沸石膜组成，球形传感探头的球形部分直径为150～180μm，长度为160～190μm，沸石膜的厚度为8‑10μm，随着挥发性有机物浓度的变化，沸石膜的折射率发生变化，会改变F‑P腔的长度。

【技术特征摘要】
1.一种同时测量挥发性有机物浓度和温度的光纤传感器，包括宽带光源、光谱仪、2×1的耦合器、传输光纤、光纤布拉格光栅、球形传感探头和气室；其特征在于：宽带光源的输出端与2×1耦合器两端口的一端相连，2×1耦合器一端口的一端与光纤布拉格光栅的一端相连，光纤布拉格光栅的另一端与镀有沸石膜的...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴彬青，时菲菲，赵春柳，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：新型
国别省市：浙江;33