基于法珀腔的光纤气体传感器

1.本发明属于光纤气体传感技术领域，涉及一种基于法珀腔的光纤气体传感器。


背景技术：

2.随着我国对环境问题的越来越重视，对气体种类和浓度的检测在工业生产、生活以及科研方面有着重要的应用，如汽车尾气、工业废气、环境有害气体等领域都需要大量的气体传感器。基于光纤技术的气体传感器是80年代后期出现的一种新型传感器，基于光纤技术的传感器具有抗干扰能力强、精度高、响应速度快以及无源等优良的特性。特别是在一些恶劣环境下，光纤气体传感器表现出与其它传感器无法比拟的优点。随着光纤气体传感器趋向成熟发展，传统的电化学、催化燃烧等传感器将逐渐的被替代。
3.但是现有的光纤气体传感器仍然存在着很多缺陷。现有的光纤气体传感器主要是利用光纤传输光信号，在检测气体时需在专门的待测气室两端分别设计输入与输出透镜。从光纤出来的入射光要经过输入透镜转变光的角度再通过气室，之后再经输出透镜耦合到光纤。由于光信号在透镜中往返反射时很难保证其水平，这将导致一部分信号的损失。最终将导致测量的精度不高。且普通的光纤传感器需要双通道来检测气体的成分，一通道设置气体池，另一通道作为比对信号。通过两个通道的对比计算出待测气体的成分。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于法珀腔(法布里-珀罗腔)的光纤气体传感器，该传感器通过改变法珀腔腔体中的气体成分以实现对待测气体定性的检测。
5.本发明所采用的技术方案是，基于法珀腔的光纤气体传感器，包括中空圆柱状的法珀腔腔体，法珀腔腔体的上端设有光纤陶瓷插针插孔，光纤陶瓷插针插孔的上方同轴设有中空圆筒状的顶部固定件，顶部固定件的内壁设有卡口，光纤陶瓷插针插入光纤陶瓷插针插孔中，法珀腔腔体的底部设有圆形敏感端反射面，靠近法珀腔腔体底部的侧边位置设计有至少一组栅孔a和栅孔b，每组栅孔a和一组栅孔b一一对称设置。
6.本发明的特点还在于：
7.法珀腔腔体底部端面设有圆形卡槽，敏感端反射面恰好嵌装在卡槽中。
8.栅孔a和栅孔b形状相同，均为四分之一圆弧状结构。
9.卡口为环形阶梯状卡槽结构。
10.当法珀腔腔体从栅孔a和栅孔b的中流进待测气体时，由于法珀腔腔体内气体成分发生了变化，即光的折射率发生了变化，光纤传感器反射回来的光强度则发生变化，由法珀腔腔体内气体成分变化引起的光强度变化ir表示为：
[0011][0012]
本发明的有益效果是：本发明提供的基于法珀腔的光纤气体传感器，包括于法珀
腔的光纤气体传感器、光纤传感器解调仪，光纤线。其中，基于法珀腔的光纤气体传感器的输出端与光纤传感器解调仪通过光纤线进行信号连接，光纤气体传感器腔体底部位置设计的圆环形栅孔用以用过不同的待测气体。本发明专利充分利用了光纤信号的抗干扰能力强，不受强电场、磁场、电磁波的干扰，测量精度高等特点。且通过改变法珀腔腔体中的气体成分以实现对待测气体定性的检测。
附图说明
[0013]
图1为本发明基于法珀腔的光纤气体传感器的示意图；
[0014]
图2为本发明基于法珀腔的光纤气体传感器中腔体顶部卡口结构图；
[0015]
图3为本发明基于法珀腔的光纤气体传感器中腔体底部台阶式卡槽结构图；
[0016]
图4为本发明用到的光纤陶瓷插针结构图；
[0017]
图5为本发明基于法珀腔的光纤气体传感器的应用系统结构示意图；
[0018]
图6为本发明基于法珀腔的光纤气体传感器的测试曲线图。
[0019]
图中，1.法珀腔腔体，2.光纤陶瓷插针，3.栅孔a，4.栅孔b，5.卡槽，6.敏感端反射面，7.顶部固定件，8.卡口，9.光纤陶瓷插针插孔，10.光纤陶瓷插针信号发射端，11.光纤陶瓷插针尾部，12.光纤线，13.光纤气体传感器，14.光纤传感器解调仪，15.电脑单元。
具体实施方式
[0020]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0021]
本发明基于法珀腔的光纤气体传感器，如图1～3所示，包括法珀腔腔体1、光纤陶瓷插针2、顶部固定件7以及敏感端反射面6，光纤陶瓷插针2插入到法珀腔腔体1之上设计的圆柱形光纤陶瓷插针插孔9中，法珀腔腔体1的顶部位置设计有卡口8，如图4所示，卡口8用来固定光纤陶瓷插针尾部11。
[0022]
法珀腔腔体1的靠近底部侧边位置设计有3组四分之一圆环形栅孔a3和四分之一圆环形栅孔b4，且每组圆环形栅孔对位设计。3组四分之一圆环形栅孔a3和3组四分之一圆环形栅孔b4一一对称设置。
[0023]
法珀腔腔体1底部位置设计有卡槽5，敏感端反射面6放置于设计的卡槽5中。
[0024]
法珀腔腔体1最底部的四分之一圆环形栅孔a3距离法珀腔腔体1底面为0.5mm，且每个栅孔的高度均为0.5mm以及相邻两个个栅孔之间的间隔同样为0.5mm，栅孔的水平长度为4mm。四分之一圆环形栅孔a3和四分之一圆环形栅孔b4的结构完全相同。
[0025]
本发明基于法珀腔的光纤气体传感器。光源信号采用的是40nm波长的宽带激光光源。光信号由陶瓷插针发射到敏感端反射面，到达敏感端反射面时光信号将会发生折射，由于光信号在不同气体中的折射率n都不同，由公式(1)表示可得出光的强度将发生变化。法珀腔腔体1内最初通入的是空气，空气的折射率n为1。通过改变法珀腔腔体1内的气体成分，光信号的折射率n将会随不同的气体成分发生改变，此时入射光强度随之改变，将该光信号通入光纤耦合器，再经过光纤传感器解调仪对光信号进行解调计算。
[0026]
本发明基于法珀腔的光纤气体传感器的制作方法以及步骤如下：
[0027]
步骤1，设计光纤法珀腔气体传感器腔体。整体结构为圆柱形，圆柱形的顶部设计光纤陶瓷插针尾部对应的卡口固定件，用以将光纤陶瓷插针稳定且水平的插入腔体之中。
将圆柱形腔体整体高度分为两部分，上半部分设计为中间开直径为2.6mm的圆柱形直通孔，用以插入光纤陶瓷插针；下半部分中部开的圆柱形孔稍大，用以充进待测气体，且下半部分靠近底部位置设计1/4圆环形栅孔，用以将待测的气体通进法珀腔腔体内部。圆柱形腔体的最底部设计为台阶式，用以将敏感端反射面放入其中。
[0028]
步骤2，将光纤陶瓷插针2插入设计好的法珀腔腔体1中，法珀腔腔体1的顶部设有顶部固定件7，顶部固定件7的设计使得光纤陶瓷插针2的尾部可以很稳固的插入法珀腔腔体1之内。
[0029]
步骤3，将敏感端反射面6水平的放置于圆柱形法珀腔腔体1底部设计的台阶式卡口8中，后用胶水在敏感端反射面6与周围的珀腔腔体1之间进行粘接。
[0030]
通过上述三个步骤，即完成了光纤气体传感器的制作。
[0031]
上述步骤2与步骤3中法珀腔腔体1的顶部固定件7的设计与底部台阶式卡口8设计的有益效果如下：
[0032]
顶部固定件7设计的有益效果为：可以使得光纤陶瓷插针2发射光信号的水平端面与圆柱形法珀腔腔体1的端面保持水平。
[0033]
台阶式卡口8设计的有益效果为：可以很好的将敏感端反射面与圆柱形腔体端面保持水平。
[0034]
上述两个有益效果可以使光纤陶瓷插针2发射光信号的端面与敏感端反射面6保持在不同但平行的水平面上，使得光的往返反射更加水平，减少了光信号的损失，提高了传感器的灵敏度。使其测量的结果更加精准。
[0035]
图1所示的圆片形敏感端反射面6仅画了一半示意，是为了便于看到气体传感器内部的结构。实际的敏感端反射面6为整圆。
[0036]
如图5所示，本发明基于法珀腔的光纤气体传感器的应用系统，包括基于法珀腔的光纤气体传感器13、光纤传感器解调仪14以及电脑单元15。将基于法珀腔的气体传感器13与光纤传感器解调仪14进行信号连接，即可完成待测气体的量。
[0037]
如图1所示，当光纤气体传感器13底部的四分之一圆环形栅孔a3和四分之一圆环形栅孔b4的中流进待测气体时，由于法珀腔腔体1内气体成分发生了变化，即光的折射率发生了变化，光纤传感器反射回来的光强度将会发生变化，由法珀腔内气体成分变化引起的光强度变化ir可表示为：
[0038][0039]
其中，r表示光信号的反射率，i0表示光信号的入射光强度，λ表示光信号的波长，l表示法珀腔腔体的腔长，n表示为f-p腔的折射率，一般为空气，n＝1。通入不同浓度的气体便可改变光信号的强度。通过光纤传感器解调仪即可计算出该变化的光信号强度对应的待测气体成分。
[0040]
如图6所示为本发明基于法珀腔的光纤气体传感器的测试曲线图。此时法布里-珀罗腔内部通入的是co2气体。传感器输出值即为法珀腔的长度l。
[0041]
由测试曲线前半段可以得到法珀腔腔体内部通入气体后，由于光信号折射率的变化，传感器的输出值也发生了变化；由测试曲线的后半段可以得到，当我们将法珀腔内部的
co2气体排出后，传感器的输出值又会返回到原始值。响应度与灵敏度都有很好的呈现。