一种中空负曲率光纤及其气体传感方法技术

本申请属于电气设备监测技术领域，尤其涉及一种中空负曲率光纤及其气体传感方法。本申请的中空负曲率光纤，包括包层和纤芯，所述纤芯被所述包层包裹，所述包层为预设厚度T的中空毛细管，所述纤芯包括一根位于中部的中空毛细管光纤和环绕所述中空毛细管光纤的周围毛细管光纤，在所述包层的侧壁上开设有通孔。本申请设计的空心结构，能够确保有效地限制光波传输以及光源与注入光纤内部的气体相互作用，通过设置与被检测气体吸收光谱对应的光源光波，精确记录光波的传输损耗随被检测气体浓度变化的定量关系。因此，本申请提供了一种高效精准的方式来研究光与气体的相互作用并提供了一种新的气体传感器和气体传感方法。

【技术实现步骤摘要】
一种中空负曲率光纤及其气体传感方法
本申请涉及电气设备监测
，尤其涉及一种中空负曲率光纤及其气体传感方法。
技术介绍
电力变压器作为输变电系统的枢纽设备，一旦发生故障，不仅会损坏昂贵的电气设备，还会导致电网瘫痪，给人民的日常生活和国民经济造成不可估量的损失。运行变压器的油纸绝缘系统会在各种因素的影响下分解并产生各种气体，对这些特征气体的成分、含量和气产规律进行准确实时的监测是确保大型电力变压器安全可靠运行的重要技术支撑。当前半导体传感器和电化学传感器是在气体检测方面已表现出好的性能。半导体传感器可以检测低浓度的气体，但会受到环境湿度变化以及对其他气体的交叉敏感性的影响。电化学传感器具有较高的选择性，但使用寿命相对较低。光纤的出现导致了传感领域的一场革命，因为它们允许基于光的引导及其与环境中气体的相互作用来创建新的高灵敏度传感器。基于光纤的传感器的工作原理：当特定波长通过气态介质传输时，其能量的一部分会被吸收，从而降低传输功率。这种直接光学吸收传感器既具有高灵敏度又具有高选择性，并具有耐用性和易于检测的特点。鉴于传统的基于光纤的光学传感器在气体传感应用中的局限性之一是其透明窗口位于0.5-2.0μm，涵盖了相对较少量的气体分子吸收线。为了克服这种局限性，亟待提出一种涵盖范围广且高效灵敏的直接光吸收传感器。
技术实现思路
本申请提供了一种中空负曲率光纤及其气体传感方法，以解决目前传统的光纤光学传感器应用范围狭小的问题。本申请采用的技术方案如下：本申请的第一方面，提供一种中空负曲率光纤，包括包层和纤芯，所述纤芯被所述包层包裹，所述包层为预设厚度T的中空毛细管，所述纤芯包括一根位于中部的中空毛细管光纤和环绕所述中空毛细管光纤的周围毛细管光纤，在所述包层的侧壁上开设有通孔。可选的，所述包层的材料为二氧化硅。可选的，所述通孔垂直于所述包层的侧壁设置。可选的，所述包层和所述纤芯的组成成分是二氧化硅，环绕所述中空毛细管光纤的周围毛细管光纤的数量为8根，所述中空毛细管光纤的直径为Dcore＝40μm，内径与外径的长度比为η＝0.8，所述通孔的直径为2μm。本申请的第二方面，提供一种中空负曲率光纤气体传感方法，基于上述任一项所述的中空负曲率光纤，包括以下步骤：选取所述中空负曲率光纤的Dcore和η值；选取所述中空负曲率光纤的的长度l；选择通入所述中空负曲率光纤的光源的波长λ,将所述光源通入所述中空负曲率光纤中；将被检测气体通过通孔通入所述中空负曲率光纤中；记录光源的传输损耗随被检测气体浓度变化的定量关系。可选的，所述选取所述中空负曲率光纤的Dcore和η值的步骤中，包括：选取初始的Dcore和η值；根据Beer–Lambert方程确定中空负曲率光纤的高损耗光谱区域；如果该区域与预设被检测气体的吸收区域一致，则毛细管系数会发生变化，以使共振波长不接近气体的吸收区域；通过计算机进行模态仿真，评估中空负曲率光纤在预设波长处的损耗是否低损耗，如果不属于低损耗，则增加Dcore以在预设波长的光谱区域中实现低损耗，通过增加纤芯直径，降低中空负曲率光纤的限制损耗，从而选取最终的Dcore和η值。可选的，在所述记录光源的传输损耗随被检测气体浓度变化的定量关系的步骤中，依据Beer–Lambert方程评价光源的传输损耗与被检测气体的浓度之间的关系。可选的，所述记录光源的传输损耗随被检测气体浓度变化的定量关系的步骤中，包括：采用计算机仿真模拟进行处理，得出并记录记录光源的传输损耗随被检测气体浓度变化的定量关系。可选的，所述计算机仿真模拟为利用COMSOLMultiphysics软件进行计算机仿真模拟。可选的，在所述方法中，由反共振效应来实现光限制；包层具有高折射率层，用作法布里-珀罗谐振器，产生反射，增加了光波传导在所述中空负曲率光纤的局限性；如果光波的波长对应于法布里-珀罗腔的共振波长时，光波通过包层泄漏；包层反射的波长最终被限制在所述中空负曲率光纤的纤芯中，称为反谐振，反谐振波长λanti可以表示为：式中，m表示共振数，n1和n2分别为纤芯和包层折射率，d为毛细管光纤管壁的厚度，同理，共振波长λres可以表示为：采用本申请的技术方案的有益效果如下：本申请的中空负曲率光纤，包括包层和纤芯，所述纤芯被所述包层包裹，所述包层为预设厚度T的中空毛细管，所述纤芯包括一根位于中部的中空毛细管光纤和环绕所述中空毛细管光纤的周围毛细管光纤，在所述包层的侧壁上开设有通孔。本申请设计的空心结构，能够确保有效地限制光波传输以及光源与注入光纤内部的气体相互作用，通过设置与被检测气体吸收光谱对应的光源光波，精确记录光波的传输损耗随被检测气体浓度变化的定量关系。因此，本申请提供了一种高效精准的方式来研究光与气体的相互作用并提供了一种新的气体传感器和气体传感方法。附图说明为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本申请第一方面的中空负曲率光纤结构示意图；图2为本申请一个实验结果的线性图。具体实施方式下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。参见图1，为本申请第一方面的中空负曲率光纤结构示意图。本申请提供的本申请的第一方面，提供一种中空负曲率光纤，包括包层和纤芯，所述纤芯被所述包层包裹，所述包层为预设厚度T的中空毛细管，所述纤芯包括一根位于中部的中空毛细管光纤和环绕所述中空毛细管光纤的周围毛细管光纤，在所述包层的侧壁上开设有通孔。可选的，所述包层的材料为二氧化硅。可选的，所述通孔垂直于所述包层的侧壁设置。可选的，所述包层和所述纤芯的组成成分是二氧化硅，环绕所述中空毛细管光纤的周围毛细管光纤的数量为8根，所述中空毛细管光纤的直径为Dcore＝40μm，内径与外径的长度比为η＝0.8，所述通孔的直径为2μm。本申请的第二方面，提供一种中空负曲率光纤气体传感方法，基于上述任一项所述的中空负曲率光纤，包括以下步骤：选取所述中空负曲率光纤的Dcore和η值；选取所述中空负曲率光纤的的长度l；选择通入所述中空负曲率光纤的光源的波长λ,将所述光源通入所述中空负曲率光纤中；将被检测气体通过通孔通入所述中空负曲率光纤中；记录光源的传输损耗随被检测气体浓度变化的定量关系。可选的，所述选取所述中空负曲率光纤的Dcore和η值的步骤中，包括：选取初始的Dcore和η值；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种中空负曲率光纤，包括包层和纤芯，所述纤芯被所述包层包裹，其特征在于，所述包层为预设厚度T的中空毛细管，所述纤芯包括一根位于中部的中空毛细管光纤和环绕所述中空毛细管光纤的周围毛细管光纤，在所述包层的侧壁上开设有通孔。/n

【技术特征摘要】
1.一种中空负曲率光纤，包括包层和纤芯，所述纤芯被所述包层包裹，其特征在于，所述包层为预设厚度T的中空毛细管，所述纤芯包括一根位于中部的中空毛细管光纤和环绕所述中空毛细管光纤的周围毛细管光纤，在所述包层的侧壁上开设有通孔。


2.根据权利要求1所述的中空负曲率光纤，其特征在于，所述包层的材料为二氧化硅。


3.根据权利要求1所述的中空负曲率光纤，其特征在于，所述通孔垂直于所述包层的侧壁设置。


4.根据权利要求1所述的中空负曲率光纤，其特征在于，所述包层和所述纤芯的组成成分是二氧化硅，环绕所述中空毛细管光纤的周围毛细管光纤的数量为8根，所述中空毛细管光纤的直径为Dcore＝40μm，内径与外径的长度比为η＝0.8，所述通孔的直径为2μm。


5.一种中空负曲率光纤气体传感方法，基于权利要求1-5任一项所述的中空负曲率光纤，其特征在于，包括以下步骤：
选取所述中空负曲率光纤的Dcore和η值；
选取所述中空负曲率光纤的的长度l；
选择通入所述中空负曲率光纤的光源的波长λ,将所述光源通入所述中空负曲率光纤中；
将被检测气体通过通孔通入所述中空负曲率光纤中；
记录光源的传输损耗随被检测气体浓度变化的定量关系。


6.根据权利要求5所述的中空负曲率光纤气体传感方法，其特征在于，所述选取所述中空负曲率光纤的Dcore和η值的步骤中，包括：
选取初始的Dcore和η值；
根据Beer–Lambert方程确定中空负曲率光纤的高损耗光谱区域；
如果该区域与预设被检测气体的吸收区域一致，则毛细管系数会发生变化...

【专利技术属性】
技术研发人员：王浩州，周峰，钱国超，沈龙，郑易谷，王建新，陈伟根，王品一，万福，
申请(专利权)人：云南电网有限责任公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：云南;53