【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光纤传感，具体涉及一种氨气浓度与气压同测的光纤传感器及检测方法、制作方法。
技术介绍
1、光纤气体传感技术因其高检测精度、快速响应速度、广泛的应用范围以及强大的抗电磁干扰能力等优势，在气体检测领域引起了广泛的关注。特别是干涉型光纤气体传感器，由于其设计灵活、结构紧凑、制备简单以及高灵敏度等特点，在与气体检测相关的领域中得到了广泛的应用。
2、在工业生产中，氨气是一种常见的有毒有害刺激性气体。当氨气在生产、运输和储存环境中的气压过高时，可能会导致氨气泄漏并引发无法预测的严重后果。因此，在氨气的生产、运输、储存和泄漏检测过程中，氨气浓度和气压是检测环节的核心参量。目前大多数光纤气体传感器仅能针对气体浓度或环境气压中的一种变量进行传感，因此亟需一种能够实现高灵敏度、低串扰的气体浓度和气压同时测量的光纤传感器。
3、为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供一种氨气浓度与气压同测的光纤传感器及检测方法、制作方法。该传感器中，第一段单模光纤、空芯石英毛细管、无芯光纤与第二段单模光纤端面切割平整后，依次进行熔接，其中空芯石英毛细管与无芯光纤需采用精密切割刀对其长度进行精准控制；使用飞秒激光加工技术对空芯石英毛细管侧壁进行加工，制造微孔，形成空气微通道；采用原子层沉积法在无芯光纤表面上镀氧化锌薄膜，通过沉积生长周期对膜厚进行精准控制。在进行镀膜之前，对微孔进行遮挡，以避免氧化锌在空芯石英毛细管和两个反射面上沉积。采用该方法制备的传感器具有结构紧凑，可重复性高的特点。
技术
1、本专利技术的技术方案为：
2、一种氨气浓度与气压同测的光纤传感器，包括空芯石英毛细管(2)；空芯石英毛细管(2)侧壁上存在微孔(8)，空芯石英毛细管(2)两端分别与第一段单模光纤(1)、无芯光纤(3)相连接，其间构成第一反射面(5)、空腔(6)以及第二反射面(7)；无芯光纤(3)表面镀有氧化锌薄膜(9)，无芯光纤(3)的另一端与第二段单模光纤(4)相连。
3、空芯石英毛细管(2)的内径为100μm，外径为160μm，长度为250μm，其中空腔(6)内为空气，折射率为1；所述无芯光纤无纤芯(3)，包层直径为125μm，包层折射率为1.444，长度为58.23mm，其表面的氧化锌薄膜(9)厚度为60～80nm，折射率为1.7342。
4、一种氨气浓度与气压同测的光纤传感器的制备方法，第一段单模光纤(1)、空芯石英毛细管(2)、无芯光纤(3)与第二段单模光纤(4)端面切割平整后，依次进行熔接，其中空芯石英毛细管(2)与无芯光纤(3)需采用精密切割刀对其长度进行精准控制；使用飞秒激光加工技术对空芯石英毛细管(2)侧壁进行加工，制造微孔，形成空气微通道；对微孔进行遮挡，以避免氧化锌在空芯石英毛细管(2)和两个反射面上沉积；采用原子层沉积法在无芯光纤(3)表面上镀氧化锌薄膜，通过沉积生长周期对膜厚进行精准控制。
5、一种氨气浓度与气压同测的光纤传感器检测方法，包括环形器、宽带光源光谱仪和权利要求1所述氨气浓度与气压同测的光纤传感器；环形器输入端连接至宽带光源，两个输出端连接光纤传感器至光谱仪。宽带光源的工作波长为470nm～1700nm。
6、宽带光源发出超连续光由环形器端口a传输至环形器端口b，进入所述第一段单模光纤(1)，透射光穿过所述空芯毛细管(2)、无芯光纤(3)与第二段单模光纤(4)，输出至光谱仪，反射光由第一段单模光纤(1)传输至第一反射面(5)与第二反射面(7)时发生反射，回传至第一段单模光纤(1)，由环形器端口b传输至环形器端口c，输出至光谱仪。获取透射光谱，光进入第二段单模光纤后，透射光传输至光谱仪检测；获取反射光谱，光在第一反射面及第二反射面发生反射，反射谱经过环形器传输至光谱仪检测。
7、第一段单模光纤、空芯石英毛细管与无芯光纤之间由于模场失配、分光效果，增强无芯光纤高阶模式激发系数，引发无芯光纤多模干涉，向第二段单模光纤传输并输出至光谱仪，形成透射光谱；第一反射面、空腔与第二反射面形成法布里-珀罗干涉腔，光由两反射面反射后发生干涉，回传至第一段单模光纤，由环形器输出至光谱仪，形成反射光谱。
8、待测环境中氨气浓度变化将引起无芯光纤表面的氧化锌薄膜折射率变化，引起透射光谱谐振波长d ip值发生波长漂移；待测环境中气压变化将引起空腔内空气折射率变化，引起反射光谱谐振波长发生波长漂移；由透射光谱与反射光谱分别对氨气浓度及气压两种参量进行检测，两种参量的检测可同时进行，并且两种参量检测之间理论上无串扰。
9、本专利技术与现有技术相比，具有如下显而易见的、突出的实质性特点和显著的优点：
10、1.将能够实现氨气浓度与环境气压的同时传感，传感器结构紧凑、制备简单。
11、2.该光纤传感器采用法布里-珀罗干涉与无芯光纤多模干涉原理相结合，同时获取反射谱与透射谱，实现无串扰的双参量同时传感。
12、3.该光纤传感器结构采用全石英材料，热膨胀系数与光热系数统一，可以有效提升温度稳定性。
13、4.该光纤传感器各部分均采用电弧放电进行熔接，且整体结构直径基本一致，结构稳定性强。
14、5.该光纤传感器采用精密切割刀、飞秒激光技术及原子层沉积技术，对器件加工各参数均可实现精密控制，可重复性好。
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1.一种氨气浓度与气压同测的光纤传感器，包括空芯石英毛细管(2)，其特征在于：空芯石英毛细管(2)侧壁上存在微孔(8)，空芯石英毛细管(2)两端分别与第一段单模光纤(1)、无芯光纤(3)相连接，其间构成第一反射面(5)、空腔(6)以及第二反射面(7)；无芯光纤(3)表面镀有氧化锌薄膜(9)，无芯光纤(3)的另一端与第二段单模光纤(4)相连。
2.根据权利要求1所述氨气浓度与气压同测的光纤传感器，其特征在于：所述空芯石英毛细管(2)的内径为100μm，外径为160μm，长度为250μm，其中空腔(6)内为空气，折射率为1；所述无芯光纤(3)无纤芯，包层直径为125μm，包层折射率为1.444，长度为58.23mm，其表面的氧化锌薄膜(9)厚度为60～80nm，折射率为1.7342。
3.一种氨气浓度与气压同测的光纤传感器的制备方法，其特征在于：第一段单模光纤(1)、空芯石英毛细管(2)、无芯光纤(3)与第二段单模光纤(4)端面切割平整后，依次进行熔接，其中空芯石英毛细管(2)与无芯光纤(3)需采用精密切割刀对其长度进行精准控制；使用飞秒激光加工技术对空芯石英
4.一种氨气浓度与气压同测的光纤传感器检测方法，其特征在于：包括环形器、宽带光源、光谱仪和权利要求1所述氨气浓度与气压同测的光纤传感器；环形器输入端连接至宽带光源，两个输出端连接光纤传感器至光谱仪。
5.根据权利要求4所述的一种氨气浓度与气压同测的光纤传感器检测方法，其特征在于：宽带光源的工作波长为470nm～1700nm。
6.根据权利要求4所述的一种氨气浓度与气压同测的光纤传感器检测方法，其特征在于：宽带光源发出超连续光由环形器端口A传输至环形器端口B，进入所述第一段单模光纤(1)，透射光穿过所述空芯毛细管(2)、无芯光纤(3)与第二段单模光纤(4)，输出至光谱仪，反射光由第一段单模光纤(1)传输至第一反射面(5)与第二反射面(7)时发生反射，回传至第一段单模光纤(1)，由环形器端口B传输至环形器端口C，输出至光谱仪。
7.根据权利要求6所述的一种氨气浓度与气压同测的光纤传感器检测方法，其特征在于：获取透射光谱，光进入第二段单模光纤后，透射光由光谱仪检测；获取反射光谱，光在第一反射面及第二反射面发生反射，反射谱经过环形器由光谱仪检测。
8.根据权利要求7所述的一种氨气浓度与气压同测的光纤传感器检测方法，其特征在于：第一段单模光纤、空芯石英毛细管与无芯光纤之间由于模场失配、分光效果，增强无芯光纤高阶模式激发系数，引发无芯光纤多模干涉，向第二段单模光纤传输并耦合输出至光谱仪，形成透射光谱；
9.根据权利要求8所述的一种氨气浓度与气压同测的光纤传感器检测方法，其特征在于：待测环境中氨气浓度变化将引起无芯光纤表面的氧化锌薄膜折射率变化，引起透射光谱谐振波长dip值发生波长漂移；
...【技术特征摘要】
1.一种氨气浓度与气压同测的光纤传感器，包括空芯石英毛细管(2)，其特征在于：空芯石英毛细管(2)侧壁上存在微孔(8)，空芯石英毛细管(2)两端分别与第一段单模光纤(1)、无芯光纤(3)相连接，其间构成第一反射面(5)、空腔(6)以及第二反射面(7)；无芯光纤(3)表面镀有氧化锌薄膜(9)，无芯光纤(3)的另一端与第二段单模光纤(4)相连。
2.根据权利要求1所述氨气浓度与气压同测的光纤传感器，其特征在于：所述空芯石英毛细管(2)的内径为100μm，外径为160μm，长度为250μm，其中空腔(6)内为空气，折射率为1；所述无芯光纤(3)无纤芯，包层直径为125μm，包层折射率为1.444，长度为58.23mm，其表面的氧化锌薄膜(9)厚度为60～80nm，折射率为1.7342。
3.一种氨气浓度与气压同测的光纤传感器的制备方法，其特征在于：第一段单模光纤(1)、空芯石英毛细管(2)、无芯光纤(3)与第二段单模光纤(4)端面切割平整后，依次进行熔接，其中空芯石英毛细管(2)与无芯光纤(3)需采用精密切割刀对其长度进行精准控制；使用飞秒激光加工技术对空芯石英毛细管(2)侧壁进行加工，制造微孔，形成空气微通道；对微孔进行遮挡，以避免氧化锌在空芯石英毛细管(2)和两个反射面上沉积；采用原子层沉积法在无芯光纤(3)表面上镀氧化锌薄膜(9)，通过沉积生长周期对膜厚进行精准控制。
4.一种氨气浓度与气压同测的光纤传感器检测方法，其特征在于：包括环形器、宽带光源、光谱仪和权利要求1所述氨气浓度与气...
【专利技术属性】
技术研发人员：王廷云，刘泽田，黄怿，邓传鲁，胡程勇，张小贝，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：
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