專利名稱：光纖氣體傳感的方法和傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到光聲氣體傳感的方法和傳感器，特別涉及到利用構(gòu)成的低精細(xì)度光纖法布里-珀羅干涉檢測(cè)光聲信號(hào)的裝置與方法。本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，主要用于氣態(tài)物質(zhì)的濃度的傳感檢測(cè)。
背景技術(shù)：
氣體的探測(cè)，尤其是可燃、易爆、有毒有害氣體的探測(cè)，對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民生活、科學(xué)研究和國(guó)家安全至關(guān)重要。
氣體傳感器利用光聲效應(yīng)檢測(cè)氣態(tài)分析物的濃度的用法已經(jīng)眾所周知，如先技術(shù)[美國(guó)專利No.4740086]描述了在光激發(fā)氣態(tài)分析物時(shí)用光聲氣體傳感器把調(diào)幅光源的光能轉(zhuǎn)換成聲能的情況。當(dāng)入射到氣室的光能被待測(cè)氣體吸收后，就生成強(qiáng)度對(duì)應(yīng)于氣室內(nèi)待測(cè)氣體濃度的聲壓力波，該聲壓力波被電容微音器檢測(cè)。光聲氣體傳感技術(shù)具有靈敏度高、氣室所需體積小等一系列優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛研究和應(yīng)用。
光纖傳感器由于具有抗電磁干擾、靈敏度高、電絕緣性好、安全可靠、耐腐蝕、便于復(fù)用組網(wǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)療、國(guó)防等各領(lǐng)域均有廣闊應(yīng)用前景。為了將光聲氣體傳感原理和光纖傳感技術(shù)相結(jié)合，集成兩者的優(yōu)點(diǎn)，形成新型光纖光聲氣體傳感技術(shù)，人們已經(jīng)提出了若干技術(shù)方案。在先技術(shù)之二[基于光聲光譜法的光纖氣體傳感器研究，中國(guó)激光，第31卷，第8期，2004年]中，提出了一種采用光纖馬赫曾德干涉相位傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的微音器的方案，將光纖馬赫曾德干涉儀的一臂纏繞在光聲氣腔的外壁，當(dāng)氣體吸收光能產(chǎn)生聲壓力波，聲壓力波將使得光聲氣腔的直徑變化，使纏繞在其上的光纖產(chǎn)生徑向應(yīng)變，引起光波的相位變化，通過(guò)測(cè)量相位變化來(lái)感知聲壓力波變化，進(jìn)而得到氣體濃度信息。但是，由于熱脹冷縮，環(huán)境溫度變化也會(huì)引起光聲氣腔直徑變化，同時(shí)參考臂光纖會(huì)受到光聲氣腔外氣流和溫度的影響，而且光纖的纏繞會(huì)產(chǎn)生雙折射，從而產(chǎn)生較大的與氣體吸收無(wú)關(guān)的相位噪聲，造成測(cè)量靈敏度低和測(cè)量穩(wěn)定性差。另外，其激勵(lì)光源采用染料激光器，體積大；光強(qiáng)調(diào)制采用機(jī)械斬波器，頻率低。使得光纖傳感技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)沒有得到充分發(fā)揮。
又如CN200510012344.5光纖氣體傳感器，包括由普通實(shí)芯光纖連接的光源、耦合器、氣體吸收池、對(duì)比光纖和光電探測(cè)器，還包括信號(hào)采集處理系統(tǒng)，所述的氣體吸收池中的光纖和對(duì)比光纖是微結(jié)構(gòu)空芯光纖，其連接關(guān)系如下光源接耦合器的輸入，耦合器的一路輸出接氣體吸收池，氣體吸收池再接光電探測(cè)器，耦合器的另一路輸出接對(duì)比光纖，對(duì)比光纖再接光電探測(cè)器，光電探測(cè)器的輸出接信號(hào)采集處理系統(tǒng)。
CN200610012988.9空芯光子晶體光纖氣體傳感器.是一種空芯光子晶體光纖氣體傳感器。解決了現(xiàn)有光纖氣體傳感器存在系統(tǒng)裝置比較復(fù)雜、吸收光程不易控制、光路的耦合損耗也比較大的問(wèn)題，包括光源、通過(guò)普通光纖、光分路器與光源連接的導(dǎo)光氣室光路和采用普通光纖的參考光路、及設(shè)置于導(dǎo)光氣室光路和參考光路另一端的包含光電二極管、鎖相放大器的用于為外部氣體濃度監(jiān)測(cè)電路提供信號(hào)的信號(hào)轉(zhuǎn)換部分，導(dǎo)光氣室采用其上開有微米級(jí)大小透氣微孔的空芯光子晶體光纖。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種采用構(gòu)成的低精細(xì)度光纖法布里-珀羅干涉檢測(cè)光聲信號(hào)的方法，以及提供一種具有高穩(wěn)定度和高靈敏度的光纖光聲氣體傳感器。
光纖氣體傳感的方法，采用一個(gè)低反射腔鏡和一個(gè)測(cè)量光纖構(gòu)成的光纖法布里-珀羅干涉儀檢測(cè)氣體吸收光能產(chǎn)生的聲壓力波信號(hào)，為光聲氣體傳感技術(shù)提供了新的實(shí)現(xiàn)方法；尤其是由激發(fā)光源2發(fā)出脈沖調(diào)制的激發(fā)光，經(jīng)過(guò)帶通濾波器8，從氣腔窗口9進(jìn)入氣腔11；入射到氣腔11內(nèi)的激發(fā)光被待測(cè)氣體14吸收后，就生成強(qiáng)度對(duì)應(yīng)于氣腔11內(nèi)待測(cè)氣體14濃度的聲壓力波；該聲壓力波被氣腔11的另一端口處的振動(dòng)膜片151轉(zhuǎn)換為振動(dòng)膜片151的振動(dòng)，此振動(dòng)膜片即為低反射腔鏡，由第一驅(qū)動(dòng)電源18驅(qū)動(dòng)的測(cè)量光源1發(fā)出的測(cè)量光信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖合波器3、傳輸光纖5和光纖分波器6，進(jìn)入法布里珀羅干涉儀的測(cè)量光纖152，傳輸?shù)竭_(dá)光纖152的端面，傳輸光出射到振動(dòng)膜片151的表面并經(jīng)反射后又有部分的光被返回光纖152，這一返回的光束與光纖端面直接反射的光束存在光程差，從光纖152的端面和振動(dòng)膜片151的表面反射回來(lái)的光信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖分波器6、傳輸光纖5再經(jīng)過(guò)相位解調(diào)模塊17和信號(hào)處理及控制系統(tǒng)20分析得出待測(cè)氣體的濃度值。
該激發(fā)光依次經(jīng)過(guò)光纖合波器3、光纖導(dǎo)光元件4、傳輸光纖5和光纖分波器6，從光纖準(zhǔn)直器7出射，再經(jīng)過(guò)帶通濾波器8，從氣腔窗口9進(jìn)入氣腔11。
光纖氣體傳感器，包括測(cè)量光源1，激發(fā)光源2，光纖合波器3，光纖導(dǎo)光元件4、傳輸光纖5，光纖分波器6，帶通濾波器8，氣腔窗口9，裝有待測(cè)氣體14的氣腔11，由低反射腔鏡(振動(dòng)膜片151)、測(cè)量光纖152構(gòu)成的低精細(xì)度法布里珀羅干涉模塊15，還包括光電探測(cè)單元16，相位解調(diào)模塊19，信號(hào)處理及控制系統(tǒng)20；采用一個(gè)低反射腔鏡和一個(gè)測(cè)量光纖構(gòu)成光纖法布里-珀羅干涉儀；激發(fā)光源2，連接光纖合波器3，傳輸光纖5，光纖分波器6并連接帶通濾波器8，從氣腔窗口9進(jìn)入氣腔11；入射到氣腔11內(nèi)的激發(fā)光被待測(cè)氣體14吸收，生成聲壓力波被氣腔11的另一端口處的振動(dòng)膜片151轉(zhuǎn)換為振動(dòng)膜片151的振動(dòng)，此振動(dòng)膜片即為低反射腔鏡；由測(cè)量光源1發(fā)出的測(cè)量光信號(hào)連接光纖合波器3、傳輸光纖5和光纖分波器6，進(jìn)入法布里珀羅干涉儀的測(cè)量光纖152，傳輸?shù)竭_(dá)光纖152的端面，測(cè)量光返回的光束與光纖端面直接反射的光束存在光程差，從光纖152的端面和振動(dòng)膜片151的表面反射回來(lái)的光信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖分波器6、傳輸光纖5再經(jīng)過(guò)相位解調(diào)模塊17和信號(hào)處理及控制系統(tǒng)20分析得出待測(cè)氣體的濃度值。
本發(fā)明的光纖光聲氣體傳感器的基本工作過(guò)程如下如圖1所示，由第二驅(qū)動(dòng)電源19驅(qū)動(dòng)的激發(fā)光源2發(fā)出脈沖調(diào)制的激發(fā)光，該激發(fā)光依次經(jīng)過(guò)光纖合波器3、光纖導(dǎo)光元件4、傳輸光纖5和光纖分波器6，從光纖準(zhǔn)直器7出射，再經(jīng)過(guò)帶通濾波器8，從氣腔窗口9進(jìn)入氣腔11。入射到氣腔11內(nèi)的激發(fā)光被待測(cè)氣體14吸收后，就生成強(qiáng)度對(duì)應(yīng)于氣腔11內(nèi)待測(cè)氣體14濃度的聲壓力波。和先技術(shù)采用電容微音器或者光纖馬赫曾德干涉測(cè)量吸收產(chǎn)生的聲壓力波不同，在本發(fā)明中，該聲壓力波被氣腔11的另一端口處的振動(dòng)膜片151轉(zhuǎn)換為振動(dòng)膜片151的振動(dòng)，該振動(dòng)信號(hào)由低精細(xì)度法布里珀羅干涉模塊15轉(zhuǎn)換為光相位信號(hào)，經(jīng)過(guò)分析處理得出待測(cè)氣體14的濃度信息。該干涉測(cè)量過(guò)程為，由第一驅(qū)動(dòng)電源18驅(qū)動(dòng)的測(cè)量光源1發(fā)出的測(cè)量光信號(hào)依次經(jīng)過(guò)光纖合波器3、光纖導(dǎo)光元件4、傳輸光纖5和光纖分波器6，進(jìn)入低精細(xì)度法布里珀羅干涉模塊15中的光纖152，傳輸?shù)竭_(dá)光纖152的端面，因菲涅耳效應(yīng)其中很小部分光被反射回光纖152，而大部分的光出射到振動(dòng)膜片151的表面并經(jīng)反射后又有部分的光被返回光纖152，這一返回的光束與光纖端面直接反射的光束存在光程差，當(dāng)滿足一定的相位條件就會(huì)產(chǎn)生干涉。從光纖152的端面和振動(dòng)膜片151的表面反射回來(lái)的光信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖分波器6、傳輸光纖5和光纖導(dǎo)光元件4由光電探測(cè)單元16接收，再經(jīng)過(guò)相位解調(diào)模塊17計(jì)算出相位，由信號(hào)處理及控制系統(tǒng)20分析得出待測(cè)氣體的濃度值。
本發(fā)明的光纖聲傳感器的工作原理描述如下入射到氣腔11內(nèi)的激發(fā)光被待測(cè)氣體14吸收后，就生成強(qiáng)度對(duì)應(yīng)于氣腔11內(nèi)待測(cè)氣體14濃度的聲壓力波p，p=K(CpCv-1)c·I0f---(1)]]>其中，K為氣體和氣腔相關(guān)的常數(shù)，Cp、Cv分別為常壓和常體積下的熱容，c為待測(cè)氣體14的濃度，I0為入射到氣腔的光強(qiáng)，f為激發(fā)光源2的幅度調(diào)制頻率。
聲壓力波p作用于振動(dòng)膜片151時(shí)，振動(dòng)膜片151的變形為y(p)，y(p)=3(1-μ2)16Eh3α4p---(2)]]>其中μ、E、a、h分別為振動(dòng)膜片151的泊松比、楊氏彈性模量、半徑和厚度。變形y(p)引起干涉相位差的變化為Δφ，Δφ=4πλy(p)=3π(1-μ2)4λEh3α4p---(3)]]>其中，λ為測(cè)量光源1的輸出光信號(hào)的波長(zhǎng)。
由光電探測(cè)單元16探測(cè)接收得到的由相位差Δφ引起的干涉信號(hào)為，Im＝KIm0[1+γcos(Δφ)](4)其中，其中Im0為光電探測(cè)器16接收到的平均光功率，K為常數(shù)，γ為干涉信號(hào)的條紋對(duì)比度。相位差Δφ由相位解調(diào)模塊17根據(jù)公式(4)得到。得到Δφ后，即可由信號(hào)處理及控制系統(tǒng)20通過(guò)計(jì)算處理從公式(3)和公式(1)得到待測(cè)氣體的濃度c=[4λEh33π(1-μ2)α4·fK(CpCv-1)I0]·Δφ.]]>上面所說(shuō)的測(cè)量光源1和激發(fā)光源2為半導(dǎo)體激光器(簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)D)或超輻射發(fā)光二極管(簡(jiǎn)稱為SLD)或發(fā)光二極管(LED)。其中的激發(fā)光源2其光譜應(yīng)該覆蓋待測(cè)氣體14的吸收峰。測(cè)量光源1和激發(fā)光源2發(fā)出的光束的光譜不重疊。
所說(shuō)的第一驅(qū)動(dòng)電源18提供直流信號(hào)給測(cè)量光源1。所說(shuō)的第二驅(qū)動(dòng)電源19提供交流調(diào)制信號(hào)給激發(fā)光源2。
所說(shuō)的光纖合波器3、光纖分波器6是用來(lái)實(shí)現(xiàn)光束合路、分路的光纖元件，可以是光纖耦合器、或是光纖復(fù)用器。光纖導(dǎo)光元件4為分束比為1∶1的光纖耦合器或者是光纖環(huán)行器。
所說(shuō)的傳輸光纖5，可以是普通商用單模光纖或多模光纖或其它適合低損耗傳輸測(cè)量光源1和激發(fā)光源2發(fā)射的光信號(hào)的其它光纖。
所說(shuō)的光纖準(zhǔn)直器7是指出射光為平行光的的光纖元件。
所說(shuō)的帶通濾波器8的功能是從激發(fā)光源2發(fā)出的光束中取出和待測(cè)氣體吸收峰相吻合的窄帶光信號(hào)，它可以是干涉濾光片或其它類似功能器件。如果激發(fā)光源2為窄帶激光光源，帶通濾波器8可以不需要。
所說(shuō)的氣腔窗口9的功能是透明地傳輸激發(fā)光源2發(fā)出的光束進(jìn)入氣腔11。
所說(shuō)的氣腔11，其功能是容納待測(cè)氣體并傳遞或增強(qiáng)聲壓力波，其結(jié)構(gòu)可以是管狀、立方形或其它形狀。
所說(shuō)的待測(cè)氣體14，是本發(fā)明傳感器的測(cè)量對(duì)象，它可以是具有吸收激發(fā)光源2發(fā)出光能特性的任何氣態(tài)物質(zhì)，如甲烷、二氧化碳、一氧化碳等。
所說(shuō)的低精細(xì)度法布里珀羅干涉模塊15是本發(fā)明的測(cè)量待測(cè)氣體14吸收光信號(hào)產(chǎn)生的聲壓力波的敏感元件，由振動(dòng)膜片151、光纖152、套管153構(gòu)成，套管153和光纖152之間的粘合可以采用膠合方式(如環(huán)氧膠)或激光熔合方式。光纖152的端面與振動(dòng)膜片151的內(nèi)表面之間保持一定的間隙。低精細(xì)度法布里珀羅干涉模塊15的結(jié)構(gòu)和形狀以及采用的材質(zhì)可根據(jù)測(cè)試環(huán)境以及聲壓力波的特性加以優(yōu)化設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)的基本原理可沿用材料彈性力學(xué)以及膜、板在介質(zhì)中受迫振動(dòng)方程等相關(guān)理論，并結(jié)合聲波在各介質(zhì)傳播特性的研究結(jié)果。
所說(shuō)的光電探測(cè)單元16的功能是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并進(jìn)行放大，因此，各包括一個(gè)光電探測(cè)器和前置放大器等。光電探測(cè)器的響應(yīng)波長(zhǎng)應(yīng)在測(cè)量光源1發(fā)射的光信號(hào)的波段，它們可以是光電二極管，或是光電池等。
所說(shuō)的相位解調(diào)模塊17的功能是獲得將氣體吸收光能產(chǎn)生聲壓力波引起的低精細(xì)度法布里珀羅干涉模塊15的相位差變化。
所說(shuō)的信號(hào)處理及控制系統(tǒng)20負(fù)責(zé)控制第一驅(qū)動(dòng)電源18和第二驅(qū)動(dòng)電源19，并根據(jù)上述測(cè)量原理建立的計(jì)算數(shù)學(xué)模型和處理方法，最終給出待測(cè)氣體的濃度信息。
從上述可知，本發(fā)明具有以下特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)1)本發(fā)明采用低精細(xì)度光纖法布里-珀羅干涉檢測(cè)氣體吸收光能產(chǎn)生的聲壓力波信號(hào)，為光聲氣體傳感技術(shù)提供了新的實(shí)現(xiàn)方法。與其他雙光束光纖干涉檢測(cè)方法相比，低精細(xì)度光纖法布里-珀羅干涉的兩束光共光路，所以溫度、振動(dòng)引起的相位漂移和噪聲大大減小，而且無(wú)偏振效應(yīng)影響，具有高穩(wěn)定度和高靈敏度的優(yōu)點(diǎn)。
2)本發(fā)明采用全光纖結(jié)構(gòu)，而且傳感部分完全由無(wú)源光器件構(gòu)成，真正集成了光聲氣體傳感技術(shù)和光纖傳感技術(shù)兩者的優(yōu)點(diǎn)，使得光聲氣體傳感這一高靈敏度的氣體檢測(cè)技術(shù)可以在各種強(qiáng)電磁干擾、易燃易爆等惡劣場(chǎng)合應(yīng)用，并且可以進(jìn)行長(zhǎng)距離遙測(cè)和復(fù)用組網(wǎng)構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)，極大地拓展了光聲氣體傳感技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用范圍。使得光纖傳感技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)得到充分發(fā)揮。


圖1所示為光聲氣體傳感的方法和傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；包括測(cè)量光源1，激發(fā)光源2，光纖合波器3，光纖導(dǎo)光元件4，傳輸光纖5，光纖分波器6，光纖準(zhǔn)直器7，帶通濾波器8，氣腔窗口9，套管10，氣腔11，氣腔進(jìn)氣口12，氣腔出氣口13，待測(cè)氣體14，由振動(dòng)膜片151、光纖152、套管153構(gòu)成的低精細(xì)度法布里珀羅干涉模塊15，154為密封圈，光電探測(cè)單元16，相位解調(diào)模塊17，第一驅(qū)動(dòng)電源18，第二驅(qū)動(dòng)電源19，信號(hào)處理及控制系統(tǒng)20。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示的結(jié)構(gòu)。其中，測(cè)量光源1采用波長(zhǎng)為1.55微米的半導(dǎo)體激光器。激發(fā)光源2采用波長(zhǎng)為1.65微米的LED，此波段對(duì)應(yīng)甲烷的氣體吸收峰。光纖合波器3、光纖導(dǎo)光元件4、光纖分波器6均采用分束比為1∶1的光纖耦合器。傳輸光纖5為普通商用單模光纖。氣腔11由圓形石英管構(gòu)成。氣腔窗口9為氟化鈣玻璃。低精細(xì)度法布里珀羅干涉模塊15中的振動(dòng)膜片151和套管153均采用石英材料，以提高低精細(xì)度法布里珀羅干涉模塊15的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。光電探測(cè)單元16采用InGaAs光電探測(cè)器。信號(hào)處理及控制系統(tǒng)20由數(shù)據(jù)采集卡、PC機(jī)和基于Labview的軟件構(gòu)成。測(cè)量時(shí)，氣體吸收激發(fā)光源2的光能產(chǎn)生聲壓力波，聲壓力波轉(zhuǎn)為振動(dòng)膜片151的振動(dòng)，該振動(dòng)信號(hào)由低精細(xì)度法布里珀羅干涉模塊15轉(zhuǎn)換為光相位信號(hào)，相位差由相位解調(diào)模塊17根據(jù)公式(4)得到，然后由信號(hào)處理及控制系統(tǒng)20通過(guò)計(jì)算處理從公式(3)和公式(1)得到待測(cè)氣體的濃度。本實(shí)施例只是以甲烷氣體探測(cè)為例來(lái)測(cè)量，可以測(cè)出5-10ppm的含量，測(cè)量精度達(dá)到1％以內(nèi)。
考慮到測(cè)量靈敏度和小型化，氣腔11的共振頻率一般設(shè)計(jì)為1～10KHz左右，腔的直徑一般4～10mm，長(zhǎng)度30～100mm；為獲得高的靈敏度和大的線性測(cè)量范圍，振動(dòng)膜片151的反射率和光纖152的端面反射率一般控制在40％以下，因此可對(duì)振動(dòng)膜片151和光纖152的端面鍍反射膜，例如采用蒸發(fā)或者濺射工藝鍍金或者鋁反射膜。振動(dòng)膜片151的材料、厚度和直徑?jīng)Q定了其聲波靈敏度和頻率響應(yīng)特性，一般材料選用石英或硅片，厚度等于或小于5-50微米，直徑2-5mm。
光纖152可以是普通單?；蚨嗄９饫w，外徑為125微米。
需要指出的是，本實(shí)施例只是以甲烷氣體探測(cè)為例來(lái)說(shuō)明，并不限于甲烷測(cè)量。當(dāng)采用寬帶激發(fā)光源時(shí)，只需改變帶通濾波器8的中心波長(zhǎng)來(lái)對(duì)準(zhǔn)不同氣體的吸收峰，就可以測(cè)量相應(yīng)的氣體。當(dāng)采用窄帶激發(fā)光源時(shí)，只需改變激發(fā)光源的波長(zhǎng)來(lái)對(duì)準(zhǔn)不同氣體的吸收峰，就可以測(cè)量相應(yīng)的氣體。例如，乙烯吸收峰為1532.8nm，氨氣為1544nm，一氧化碳為1567nm，二氧化碳為1572nm等。均可以達(dá)到相同的靈敏度和精度。
另外，需指出的是，本發(fā)明不只是用于單一氣體的測(cè)量，還可以用于多種成分氣體的測(cè)量。當(dāng)激發(fā)光源2為窄帶可調(diào)諧半導(dǎo)體激光(或者激發(fā)光源為寬帶光源，帶通濾波器8為可調(diào)諧濾波器)，在其調(diào)諧范圍內(nèi)存在吸收峰的氣體就都可以測(cè)量。
權(quán)利要求
1.光纖氣體傳感的方法，其特征是采用一個(gè)低反射腔鏡和一個(gè)測(cè)量光纖構(gòu)成光纖法布里-珀羅干涉儀檢測(cè)氣體吸收光能產(chǎn)生的聲壓力波信號(hào)，為光聲氣體傳感技術(shù)提供了新的實(shí)現(xiàn)方法；由激發(fā)光源發(fā)出脈沖調(diào)制的激發(fā)光，經(jīng)過(guò)帶通濾波器，從氣腔窗口進(jìn)入氣腔；入射到氣腔內(nèi)的激發(fā)光被待測(cè)氣體吸收后，就生成強(qiáng)度對(duì)應(yīng)于氣腔內(nèi)待測(cè)氣體濃度的聲壓力波；該聲壓力波被氣腔的另一端口處的振動(dòng)膜片轉(zhuǎn)換為振動(dòng)膜片的振動(dòng)，此振動(dòng)膜片即為低反射腔鏡，由第一驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)的測(cè)量光源發(fā)出的測(cè)量光信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖合波器、傳輸光纖和光纖分波器，進(jìn)入法布里珀羅干涉儀的測(cè)量光纖，傳輸?shù)竭_(dá)光纖的端面，傳輸光出射到振動(dòng)膜片的表面并經(jīng)反射后又有部分的光被返回光纖，這一返回的光束與光纖端面直接反射的光束存在光程差，從光纖的端面和振動(dòng)膜片的表面反射回來(lái)的光信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖分波器、傳輸光纖再經(jīng)過(guò)相位解調(diào)模塊和信號(hào)處理及控制系統(tǒng)分析得出待測(cè)氣體的濃度值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖氣體傳感的方法，其特征是該激發(fā)光依次經(jīng)過(guò)光纖合波器、光纖導(dǎo)光元件、傳輸光纖和光纖分波器，從光纖準(zhǔn)直器出射，再經(jīng)過(guò)帶通濾波器，從氣腔窗口進(jìn)入氣腔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖氣體傳感的方法，其特征是其中的激發(fā)光源的光譜應(yīng)覆蓋待測(cè)氣體的吸收峰；測(cè)量光源和激發(fā)光源發(fā)出的光束的光譜范圍不重疊。
4.光纖氣體傳感器，包括測(cè)量光源(1)，激發(fā)光源(2)，光纖合波器(3)，傳輸光纖(5)，光纖分波器(6)，帶通濾波器(8)，氣腔窗口(9)，裝有待測(cè)氣體(14)的氣腔(11)，由低反射腔鏡即振動(dòng)膜片(151)、測(cè)量光纖(152)構(gòu)成的低的低精細(xì)度法布里珀羅干涉模塊(15)，還包括光電探測(cè)單元(16)，相位解調(diào)模塊(19)，信號(hào)處理及控制系統(tǒng)(20)；采用一個(gè)低反射腔鏡和一個(gè)測(cè)量光纖構(gòu)成光纖法布里-珀羅干涉儀；激發(fā)光源(2)，連接光纖合波器(3)，傳輸光纖(5)，光纖分波器(6)并連接帶通濾波器(8)，從氣腔窗口(9)進(jìn)入氣腔(11)；入射到氣腔(11)內(nèi)的激發(fā)光被待測(cè)氣體(14)吸收，生成聲壓力波被氣腔(11)的另一端口處的振動(dòng)膜片(151)轉(zhuǎn)換為振動(dòng)膜片(151)的振動(dòng)，此振動(dòng)膜片即為低反射腔鏡；由測(cè)量光源(1)發(fā)出的測(cè)量光信號(hào)連接光纖合波器(3)、傳輸光纖(5)和光纖分波器(6)，進(jìn)入法布里珀羅干涉儀的測(cè)量光纖(152)，傳輸?shù)竭_(dá)光纖(152)的端面，從光纖(152)的端面和振動(dòng)膜片(151)的表面反射回來(lái)的光信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖分波器(6)、傳輸光纖(5)再經(jīng)過(guò)相位解調(diào)模塊(17)、信號(hào)處理及控制系統(tǒng)(20)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光纖氣體傳感器，其特征是氣腔11的共振頻率一般設(shè)計(jì)為1～10KHz，腔的直徑一般4～10mm，長(zhǎng)度30～100mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光纖氣體傳感器，其特征是振動(dòng)膜片的反射率和光纖的端面反射率在40％以下，對(duì)振動(dòng)膜片和光纖的端面鍍反射膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光纖氣體傳感器，其特征是振動(dòng)膜片一般材料選用石英或硅片，厚度小于5-50微米，直徑2-5mm。
全文摘要
光纖氣體傳感器，采用一個(gè)低反射腔鏡和一個(gè)測(cè)量光纖構(gòu)成光纖法布里—珀羅干涉儀檢測(cè)氣體吸收光能產(chǎn)生的聲壓力波信號(hào)，為光聲氣體傳感技術(shù)提供了新的實(shí)現(xiàn)方法；由激發(fā)光源發(fā)出脈沖調(diào)制的激發(fā)光，經(jīng)過(guò)帶通濾波器，從氣腔窗口進(jìn)入氣腔；入射到氣腔內(nèi)的激發(fā)光被待測(cè)氣體吸收后，就生成強(qiáng)度對(duì)應(yīng)于氣腔內(nèi)待測(cè)氣體濃度的聲壓力波；該聲壓力波被氣腔的另一端口處的振動(dòng)膜片轉(zhuǎn)換為振動(dòng)膜片的振動(dòng)，由第一驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)的測(cè)量光源發(fā)出的測(cè)量光信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖合波器、傳輸光纖和光纖分波器，進(jìn)入法布里珀羅干涉儀的測(cè)量光纖，這一返回的光束與光纖端面直接反射的光束存在光程差得出待測(cè)氣體的濃度值。
文檔編號(hào)G01N29/34GK101055243SQ200710020930
公開日2007年10月17日 申請(qǐng)日期2007年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月4日
發(fā)明者謝宗佑, 汪國(guó)語(yǔ) 申請(qǐng)人:南京旭飛光電有限公司