气体传感器及用于检测氟化氢气体浓度变化的方法技术

本发明专利技术提供了一种气体传感器及用于检测氟化氢气体浓度变化的方法。气体传感器包括第一激光器、第二激光器、偏振器、电光调制器、第一隔离器、第一EDFA、第二隔离器、第一滤波器、F‑P腔、环形器、第一耦合器、第二耦合器、第二EDFA、第二滤波器、第三耦合器和探测器。其中，第一耦合器、第二耦合器、环形器、F‑P腔、第二EDFA、第二滤波器和第三耦合器构成环形腔。F‑P腔的空芯光纤纤芯内充有待测的氟化氢气体。通过测量脉冲信号光的衰荡时间变化，能够得到氟化氢气体浓度的变化。本发明专利技术将空芯光纤光热技术、F‑P腔干涉技术与环形腔衰荡光谱技术相结合，提高了被测气体的探测灵敏度，降低了光源起伏对测量结果的影响。

Gas sensor and method for detecting change in concentration of hydrogen fluoride gas

The present invention provides a gas sensor and a method for detecting changes in the concentration of hydrogen fluoride gas. The gas sensor includes a first laser, second laser, polarizer, modulator, first isolator, the first EDFA, second, F isolator, the first filter of P cavity, ring, the first coupler, second couplers, second EDFA, second, third filter coupler and detector. Among them, the first second coupler, coupler, circulator, F P cavity, second EDFA, second and third coupler ring resonator filter. Hollow fiber filled F P cavity to be measured hydrogen fluoride gas. The change of the concentration of hydrogen fluoride gas can be obtained by measuring the change of the swing time of the pulse signal. The invention of the air core technology, F fiber-optic thermal P Interferometer Technology and ring cavity ringdown spectroscopy combined with improved detection sensitivity of the measured gas, reduces the effect of light source fluctuation on the measurement results.

【技术实现步骤摘要】
气体传感器及用于检测氟化氢气体浓度变化的方法
本专利技术涉及光纤气体传感技术，尤其涉及一种气体传感器及用于检测氟化氢气体浓度变化的方法。
技术介绍
氟化氢是配电设备中绝缘介质六氟化硫的主要分解物之一。通常采用空间光谱吸收法进行测量，为了提高灵敏度需要大体积气室，导致仪器体积庞大，难以实现在线检测。
技术实现思路
在下文中给出了关于本专利技术的简要概述，以便提供关于本专利技术的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本专利技术的穷举性概述。它并不是意图确定本专利技术的关键或重要部分，也不是意图限定本专利技术的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。鉴于此，本专利技术提供了一种气体传感器及用于检测氟化氢气体浓度变化的方法，以至少解决现有氟化氢检测技术存在仪器体积庞大、难以实现在线检测的问题。根据本专利技术的一个方面，提供了一种基于空芯光纤光热、F-P腔和环形衰荡腔的气体传感器，气体传感器包括第一激光器、第二激光器、偏振器、电光调制器、第一隔离器、第一EDFA、第二隔离器、第一滤波器、F-P腔、环形器、第一耦合器、第二耦合器、第二EDFA、第二滤波器、第三耦合器和探测器；第一耦合器和第二耦合器的分光比均为50：50，第三耦合器的分光比为1：99；F-P腔的空芯光纤纤芯内充有氟化氢气体；其中，第一耦合器、第二耦合器、环形器、F-P腔、第二EDFA、第二滤波器和第三耦合器构成环形腔；第二激光器的输出波长与氟化氢的吸收谱峰重合；第二激光器发出的泵浦光经第一EDFA、第二隔离器和第一滤波器后，再经第二耦合器的第一50％输入端和环形器后进入空芯光纤，并与空芯光纤内的氟化氢相互作用；第一激光器的输出波长与氟化氢的吸收谱最低处重合；第一激光器发出的信号光经偏振器和电光调制器后变为脉冲信号光；从电光调制器输出的脉冲信号光经第一隔离器后经第一耦合器的第一50％输入端和第二耦合器的第二50％输入端后进入环形腔，经环形器后进入F-P腔，并由F-P腔反射后经第二EDFA、第二滤波器后进入第三耦合器，经第三耦合器后的脉冲信号光分成两部分：从第三耦合器的99％输出端输出的脉冲信号光经第一耦合器的50％输入端后在环形腔内完成一次循环，而从第三耦合器的1％输出端输出的脉冲信号光由探测器接收。进一步地，脉冲信号光的脉宽和周期以及环形腔的长度被设置成：使脉冲信号光在环形腔内循环一周所需的时间tr在脉冲信号光的脉宽的2-10倍范围内、且在脉冲信号光的周期的1/50-1/20范围内。进一步地，F-P腔包括长度为第一预设长度的一段空芯光纤；该段空芯光纤的一端与第一单模光纤的一端相熔接，对应的熔接面作为第一反射面；该段空芯光纤的另一端与第二单模光纤的一端相熔接，对应的熔接面作为第二反射面；在空芯光纤的侧面上距离第一反射面第一距离处开有第一孔，第一孔使得空芯光纤内纤芯与外界连通；在空芯光纤的侧面上距离第二反射面第二距离处开有第二孔，第二孔使得空芯光纤内纤芯与外界连通。进一步地，第一激光器和泵浦激光器均为DFB激光器。根据本专利技术的另一方面，还提供了一种用于检测氟化氢气体浓度变化的方法，该方法利用上文所述的基于空芯光纤光热、F-P腔和环形衰荡腔的气体传感器实现，基于空芯光纤光热、F-P腔和环形衰荡腔的气体传感器包括第一激光器、第二激光器、偏振器、电光调制器、第一隔离器、第一EDFA、第二隔离器、第一滤波器、F-P腔、环形器、第一耦合器、第二耦合器、第二EDFA、第二滤波器、第三耦合器和探测器；第一耦合器和第二耦合器的分光比均为50：50，第三耦合器的分光比为1：99；F-P腔的空芯光纤纤芯内充有氟化氢气体；其中，第一耦合器、第二耦合器、环形器、F-P腔、第二EDFA、第二滤波器和第三耦合器构成环形腔；第二激光器的输出波长与氟化氢的吸收谱峰重合；第二激光器发出的泵浦光经第一EDFA、第二隔离器和第一滤波器后，再经第二耦合器的第一50％输入端和环形器后进入空芯光纤，并与空芯光纤内的氟化氢相互作用；第一激光器的输出波长与氟化氢的吸收谱最低处重合；第一激光器发出的信号光经偏振器和电光调制器后变为脉冲信号光；从电光调制器输出的脉冲信号光经第一隔离器后经第一耦合器的第一50％输入端和第二耦合器的第二50％输入端后进入环形腔，经环形器后进入F-P腔，并由F-P腔反射后经第二EDFA、第二滤波器后进入第三耦合器，经第三耦合器后的脉冲信号光分成两部分：从第三耦合器的99％输出端输出的脉冲信号光经第一耦合器的50％输入端后在环形腔内完成一次循环，而从第三耦合器的1％输出端输出的脉冲信号光由探测器接收；用于检测氟化氢气体浓度变化的方法包括：获得探测器16相邻两次接收到脉冲信号光之间的时间差，将该时间差作为脉冲信号光在环形腔中传输一圈所用的时间tr；获得探测器16所接收的脉冲信号光的衰荡时间的变化量Δτ；根据下式计算空芯光纤内氟化氢气体浓度的变化量ΔC：其中，k为预设常数，α为氟化氢对泵浦光的吸收系数，l为空芯光纤的长度，P为空芯光纤内泵浦光的平均功率。进一步地，脉冲信号光的脉宽和周期以及环形腔1的长度被设置成：使脉冲信号光在环形腔1内循环一周所需的时间tr在脉冲信号光的脉宽的2-10倍范围内、且在脉冲信号光的周期的1/50-1/20范围内。本专利技术的基于空芯光纤光热、F-P腔和环形衰荡腔的气体传感器及用于检测氟化氢气体浓度变化的方法，将空芯光纤光热技术、F-P腔干涉技术与环形腔衰荡光谱技术相结合，其中，环形腔由第一耦合器、第二耦合器、环形器、F-P腔、第二EDFA、第二滤波器和第三耦合器构成，F-P腔空芯光纤的纤芯内充有氟化氢气体。泵浦激光器输出波长与氟化氢的吸收谱峰重合，使得泵浦光经第一EDFA、第二隔离器和第一滤波器后，再经第二耦合器和环形器后进入空芯光纤，并与空芯光纤内的氟化氢相互作用。氟化氢吸收泵浦光后温度增加，导致F-P腔的光程增大，进而导致F-P腔的反射谱变化。氟化氢的浓度越高，F-P腔的反射谱变化越大。如上所述，通过将空芯光纤光热技术、F-P腔干涉技术以及光纤环形腔衰荡光谱技术相结合，大大提高了被测气体的探测灵敏度，降低了光源起伏对测量结果的影响。其中，信号光经F-P腔产生干涉，干涉后信号光的光强随F-P腔光程的变化而变化，导致环形腔的损耗和衰荡时间变化。空芯光纤内氟化氢浓度决定F-P腔光程的变化，可通过测量环形腔的衰荡时间来获得氟化氢的浓度。相比于现有技术，本专利技术的基于空芯光纤光热、F-P腔和环形衰荡腔的气体传感器及用于检测氟化氢气体浓度变化的方法，采用空芯光纤作为气室，即实现了被测气体的长距离吸收和在线检测，又实现了气室的小型化。此外，本专利技术的基于空芯光纤光热、F-P腔和环形衰荡腔的气体传感器及用于检测氟化氢气体浓度变化的方法，避免了基于法拉第效应电流传感器的双折射问题，解决了基于超磁致伸缩材料电流传感器磁滞回线的问题。本专利技术的双锥形导磁回路，使被测导线产生的磁场汇聚到传感头上，大大提高了传感头处电流到磁场的转化效率及电流测量灵敏度。通过以下结合附图对本专利技术的最佳实施例的详细说明，本专利技术的这些以及其他优点将更加明显。附图说明本专利技术可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于空芯光纤光热、F‑P腔和环形衰荡腔的气体传感器，其特征在于，所述气体传感器包括第一激光器(1)、第二激光器(2)、偏振器(3)、电光调制器(4)、第一隔离器(5)、第一EDFA(6)、第二隔离器(7)、第一滤波器(8)、F‑P腔(9)、环形器(10)、第一耦合器(11)、第二耦合器(12)、第二EDFA(13)、第二滤波器(14)、第三耦合器(15)和探测器(16)；所述第一耦合器(11)和所述第二耦合器(12)的分光比均为50：50，所述第三耦合器(15)的分光比为1：99；F‑P腔(9)的空芯光纤纤芯内充有氟化氢气体；其中，第一耦合器(11)、第二耦合器(12)、环形器(10)、F‑P腔(9)、第二EDFA(13)、第二滤波器(14)和第三耦合器(15)构成环形腔；所述第二激光器(2)的输出波长与氟化氢的吸收谱峰重合；所述第二激光器(6)发出的泵浦光经所述第一EDFA(6)、所述第二隔离器(7)和所述第一滤波器(8)后，再经所述第二耦合器(12)的第一50％输入端和所述环形器(10)后进入所述空芯光纤，并与所述空芯光纤内的氟化氢相互作用；所述第一激光器(1)的输出波长与氟化氢的吸收谱最低处重合；所述第一激光器(1)发出的信号光经所述偏振器(3)和所述电光调制器(4)后变为脉冲信号光；从所述电光调制器(4)输出的脉冲信号光经所述第一隔离器(5)后经所述第一耦合器(11)的第一50％输入端和所述第二耦合器(12)的第二50％输入端后进入所述环形腔(10)，经所述环形器(10)后进入所述F‑P腔(9)，并由所述F‑P腔(9)反射后经所述第二EDFA(13)、所述第二滤波器(14)后进入所述第三耦合器(15)，经第三耦合器(15)后的脉冲信号光分成两部分：从所述第三耦合器(15)的99％输出端输出的脉冲信号光经所述第一耦合器(11)的50％输入端后在所述环形腔内完成一次循环，而从所述第三耦合器(15)的1％输出端输出的脉冲信号光由所述探测器(16)接收。...

【技术特征摘要】
1.基于空芯光纤光热、F-P腔和环形衰荡腔的气体传感器，其特征在于，所述气体传感器包括第一激光器(1)、第二激光器(2)、偏振器(3)、电光调制器(4)、第一隔离器(5)、第一EDFA(6)、第二隔离器(7)、第一滤波器(8)、F-P腔(9)、环形器(10)、第一耦合器(11)、第二耦合器(12)、第二EDFA(13)、第二滤波器(14)、第三耦合器(15)和探测器(16)；所述第一耦合器(11)和所述第二耦合器(12)的分光比均为50：50，所述第三耦合器(15)的分光比为1：99；F-P腔(9)的空芯光纤纤芯内充有氟化氢气体；其中，第一耦合器(11)、第二耦合器(12)、环形器(10)、F-P腔(9)、第二EDFA(13)、第二滤波器(14)和第三耦合器(15)构成环形腔；所述第二激光器(2)的输出波长与氟化氢的吸收谱峰重合；所述第二激光器(6)发出的泵浦光经所述第一EDFA(6)、所述第二隔离器(7)和所述第一滤波器(8)后，再经所述第二耦合器(12)的第一50％输入端和所述环形器(10)后进入所述空芯光纤，并与所述空芯光纤内的氟化氢相互作用；所述第一激光器(1)的输出波长与氟化氢的吸收谱最低处重合；所述第一激光器(1)发出的信号光经所述偏振器(3)和所述电光调制器(4)后变为脉冲信号光；从所述电光调制器(4)输出的脉冲信号光经所述第一隔离器(5)后经所述第一耦合器(11)的第一50％输入端和所述第二耦合器(12)的第二50％输入端后进入所述环形腔(10)，经所述环形器(10)后进入所述F-P腔(9)，并由所述F-P腔(9)反射后经所述第二EDFA(13)、所述第二滤波器(14)后进入所述第三耦合器(15)，经第三耦合器(15)后的脉冲信号光分成两部分：从所述第三耦合器(15)的99％输出端输出的脉冲信号光经所述第一耦合器(11)的50％输入端后在所述环形腔内完成一次循环，而从所述第三耦合器(15)的1％输出端输出的脉冲信号光由所述探测器(16)接收。2.根据权利要求1所述的基于空芯光纤光热、F-P腔和环形衰荡腔的气体传感器，其特征在于，所述脉冲信号光的脉宽和周期以及所述环形腔的长度被设置成：使所述脉冲信号光在所述环形腔内循环一周所需的时间tr在所述脉冲信号光的脉宽的2-10倍范围内、且在所述脉冲信号光的周期的1/50-1/20范围内。3.根据权利要求1或2所述的基于空芯光纤光热、F-P腔和环形衰荡腔的气体传感器，其特征在于，所述F-P腔包括长度为第一预设长度的一段空芯光纤；该段空芯光纤的一端与第一单模光纤的一端相熔接，对应的熔接面作为第一反射面；该段空芯光纤的另一端与第二单模光纤的一端相熔接，对应的熔接面作为第二反射面；在所述空芯光纤的侧面上距离所述第一反射面第一距离处开有第一孔，所述第一孔使得空芯光纤内纤芯与外界连通；在所述空芯光纤的侧面上距离所述第二反射面第二距离处开有第二孔，所述第二孔使得空芯光纤内纤芯与外界连通。4.根据权利要求1或2所述的基于空芯光纤光热、F-P腔和环形衰荡腔的气体传感器，其特征在于，所述第一激光器...

【专利技术属性】
技术研发人员：李林军，杨玉强，杨曦凝，白云峰，
申请(专利权)人：哈尔滨翰奥科技有限公司，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23