專利名稱：基于懸掛芯光纖的氣體吸收譜線參考裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種譜線參考裝置，尤其是一種氣體吸收譜線參考裝置。
背景技術(shù)：
氣體的吸收光譜具有選擇性高、特征性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，基于氣體吸收譜測量的分析技 術(shù)具有測量靈敏度高、體鑒別能力強(qiáng)、響應(yīng)能力快、對溫度及濕度等干擾的抵抗力強(qiáng)等特
點(diǎn)ο光被氣體吸收會產(chǎn)生特定的吸收光譜，通過標(biāo)定吸收峰的位置，可進(jìn)一步對氣體 的種類進(jìn)行識別。所以氣體的標(biāo)準(zhǔn)吸收譜線不僅對于氣體種類的鑒別具有重要意義，而且 對儀器的信號標(biāo)定也可以提供重要的參考信息。例如，喬學(xué)光等利用C2H2吸收光譜作為標(biāo) 準(zhǔn)波長參考，對可調(diào)諧光纖法布里_珀羅濾波器進(jìn)行波長實(shí)時(shí)定標(biāo)(可調(diào)諧法布里-珀羅 濾波器的高精度大范圍實(shí)時(shí)定標(biāo)，光學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28 (5)，852-855)。北京北分麥哈克分析 儀器有限公司則利用一直濃度的氣體為參考波長，對激光氣體分析儀進(jìn)行了定標(biāo)(一種激 光氣體分析儀及標(biāo)定方法，中國專利，CN200810225067. X[P]. 2009-04-08)。此外，很多光譜 儀的標(biāo)定多是利用發(fā)射燈(如汞燈、鈉燈等)進(jìn)行波長定標(biāo)，例如，居戩之等利用低壓Hg等 對CCD光譜儀進(jìn)行了波長標(biāo)定(CCD光譜儀的波長定標(biāo)和濾光片的透過率測定實(shí)驗(yàn)，大學(xué)物 理實(shí)驗(yàn)，2008，21 (31)，66-68)。以上定標(biāo)用的裝置一般體積比較大，而且都具有光路耦合復(fù) 雜、便攜性差等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)高度集成的基于懸掛芯光纖的氣體吸收譜線參
考裝置。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的包括光源、耦合連接器、光纖分光耦合器、光電二極管、鎖相放大器、濃度監(jiān)測電 路、數(shù)據(jù)接口 ；三根標(biāo)準(zhǔn)光纖通過光纖分光耦合器耦合連接，光源發(fā)出的光進(jìn)入一根標(biāo)準(zhǔn)光 纖經(jīng)過光纖分光耦合器后被分成兩路，其中一路光通過第一標(biāo)準(zhǔn)光纖進(jìn)入內(nèi)部含有特定濃 度氣體的第一懸掛光纖的纖芯，并與第一懸掛光纖孔道內(nèi)的氣體相互作用，然后進(jìn)入第一 光電二極管；另一束光為背景光，經(jīng)通過第二標(biāo)準(zhǔn)光纖進(jìn)入第二懸掛光纖后進(jìn)入第二光電 二極管；兩個光電二極管產(chǎn)生的電信號進(jìn)入鎖相放大器進(jìn)行放大，最后經(jīng)過檢測電路給出 特定溫度、特定濃度下的氣體譜線。也可以設(shè)計(jì)成單光路結(jié)構(gòu)，通過更換光纖，光源發(fā)出的光分別經(jīng)過不含有參考?xì)?體的懸掛光纖以及含有參考?xì)怏w的懸掛光纖，經(jīng)同一光譜儀檢測信號并進(jìn)行處理。本發(fā)明還可以包括1、所述的懸掛光纖的纖芯與包層間具有一條延光纖軸向的孔道，所述孔道的形狀 為圓形或者“D”形，纖芯緊貼懸掛于孔道內(nèi)壁或部分嵌于包層內(nèi)。2、所述的光纖是將懸掛光纖置于由氣體瓶、減壓閥、恒溫恒壓氣室、壓力表、溫度計(jì)和放氣閥組成的裝置的恒溫氣室中，調(diào)節(jié)減壓閥，使氣室內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)定值，并保持5-7 天，使光纖內(nèi)氣體壓力與氣室達(dá)到一致，載氣過程完成后打開放氣閥，使氣室內(nèi)外壓力平衡 完成載氣；將經(jīng)載氣處理的光纖利用光纖熔接機(jī)兩端與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖連接，使氣體被密封 在懸掛光纖內(nèi)部，然后用熔融拉錐機(jī)進(jìn)行拉錐，使光纖耦合效率達(dá)到最大值，形成的兩端連 接標(biāo)準(zhǔn)光纖的懸掛光纖微型參考?xì)怏w吸收池。 3、第一懸掛光纖與第二懸掛光纖的結(jié)構(gòu)及長度一致，在同一根光纖在相鄰位置截 取。本發(fā)明采用的懸掛光纖的顯著結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是纖芯與包層為間隙配合，光纖內(nèi)部具有 一個延光纖延伸方向的一維孔道結(jié)構(gòu)，微孔的形狀可以使圓形或者“D”形，孔道位置可以位 于光纖內(nèi)部的各個位置，而高折射率纖芯則緊貼孔道內(nèi)壁懸掛于孔道內(nèi)的任意某位置(部 分嵌于包層之中)，這一結(jié)構(gòu)用來作為容納氣體的吸收池，圍成孔道的結(jié)構(gòu)為較低折射率的 光纖包層，光纖的端面如圖la-c所示。該懸掛光纖兩端各焊接一段標(biāo)準(zhǔn)光纖，用于光耦合 以及氣體密封。本發(fā)明的光纖氣體譜線參考裝置包括涵蓋參考?xì)怏w吸收光譜范圍的寬譜光源、耦 合連接器、光纖分光耦合器、光電二極管、鎖相放大器、濃度監(jiān)測電路、數(shù)據(jù)接口等部分。參 考?xì)怏w吸收譜線裝置的光路按照用途可以設(shè)計(jì)為單光路或者雙光路。其中雙光路設(shè)計(jì)為 光源發(fā)出的光經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)光纖分光連接器后被分光器分成兩路，其中一束光通過標(biāo)準(zhǔn)光纖進(jìn) 入內(nèi)部含有特定濃度氣體的懸掛光纖的纖芯，并與光纖孔道內(nèi)的氣體相互作用，然后進(jìn)入 光電二極管；另一束光為背景光，經(jīng)同樣的懸掛光纖后進(jìn)入另一個光電二極管。兩個光電二 極管產(chǎn)生的電信號進(jìn)入鎖相放大器進(jìn)行放大，最后經(jīng)過檢測電路給出特定溫度、特定濃度 下的氣體譜線。其中單光路設(shè)計(jì)為通過更換光纖，光源發(fā)出的光分別經(jīng)過不含有參考?xì)怏w 的懸掛光纖以及含有參考?xì)怏w的懸掛光纖，經(jīng)同一光譜儀檢測信號并進(jìn)行處理。上述懸掛光纖的空腔內(nèi)含有的氣體的濃度為氣體填充溫度條件下的已知量；上述氣體譜線參考裝置的光源根據(jù)覆蓋懸掛光纖內(nèi)氣體吸收波長進(jìn)行選擇。本發(fā)明以懸掛光纖為吸收池，與傳統(tǒng)的吸收池及發(fā)射型參比裝置相比，省略了光 纖與氣室的光路準(zhǔn)直、耦合連接等結(jié)構(gòu)，大大簡化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及裝置的體積，使儀器小型 化，整體參考裝置具有質(zhì)量輕、使用方便等明顯優(yōu)勢。因?yàn)樽V線參考裝置的懸掛光纖的長度 可以根據(jù)具體要求選擇，所以可以通過增加光纖的長度顯著增加倏逝波面積，進(jìn)而提高光 纖對參考?xì)怏w的響應(yīng)度。廣泛應(yīng)用于多種場合的譜線標(biāo)定及光譜參照。


圖la-c三種懸掛光纖端面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2懸掛光纖載氣過程示意圖；圖3懸掛光纖與標(biāo)準(zhǔn)光纖的耦合連接、拉錐及氣體密封示意圖；圖4基于懸掛光纖的氣體吸收參考譜線信號輸出裝置示意圖；圖5基于懸掛光纖的氣體吸收參考譜線光譜儀定標(biāo)裝置示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)地描述
本發(fā)明涉及的光纖結(jié)構(gòu)如圖1所示。光纖具有懸掛的纖芯1結(jié)構(gòu)，纖芯與包層3之間具有裸漏的敞開孔道結(jié)構(gòu)2。光纖纖芯直徑為1(^111，空腔直徑40-5(^111，長度為5-10111。光纖孔道內(nèi)部載氣通過圖2裝置實(shí)現(xiàn)。該裝置由氣體瓶4、減壓閥5、恒溫、恒壓氣 室6、壓力表7、溫度計(jì)8、放氣閥9組成。將懸掛光纖10置于恒溫氣室中，根據(jù)要求調(diào)節(jié)減 壓閥，使氣室內(nèi)壓力達(dá)到一定值(如Iatm)，并保持5-7天，使光纖內(nèi)氣體壓力與氣室達(dá)到一 致。溫度顯示載氣條件下的溫度值。載氣過程完成后打開放氣閥，使氣室內(nèi)外壓力平衡。將光纖取出并迅速按照圖3所示，利用光纖熔接機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖11連接，使氣 體12被密封在懸掛光纖內(nèi)部。然后用熔融拉錐機(jī)進(jìn)行拉錐，使光纖耦合效率達(dá)到最大值， 這樣就形成了兩端連接標(biāo)準(zhǔn)光纖的懸掛光纖微型參考?xì)怏w吸收池。在熔接之前要將懸掛光纖以及標(biāo)準(zhǔn)單模光纖焊接端的涂覆層去除，并用光纖切割 刀進(jìn)行切割，漏出平整端面，焊接在熔接機(jī)上自動完成。在熔融拉錐時(shí)，將熔接點(diǎn)作為拉錐 點(diǎn)，采用光功率計(jì)進(jìn)行監(jiān)測，隨著拉錐點(diǎn)束腰部位的形變而發(fā)生傳輸功率的變化，當(dāng)光纖耦 合效率達(dá)到最高時(shí)停止拉錐。最后用石英套管作為保護(hù)套管套在連接點(diǎn)外部。實(shí)例一基于懸掛光纖的甲烷氣體吸收參考譜線信號輸出裝置氣體標(biāo)準(zhǔn)譜線的輸出采用雙光路光強(qiáng)補(bǔ)償法，既一條光路為氣體的吸收信號光 路，一條光路為參比光路。光源13采用發(fā)射波長為1. 33 μ m的InGaSP發(fā)光二極管(PIN)。光源3dB光纖耦 合器14(1 1)分光后，一路光作為信號光經(jīng)耦合連接器15、標(biāo)準(zhǔn)光纖11進(jìn)入與之焊接到 一起的懸掛光纖(纖芯直徑10 μ m，光纖外經(jīng)125 μ m)內(nèi)部的纖芯中。光波在纖芯傳輸時(shí)產(chǎn) 生倏逝波，倏逝波場與懸掛光纖吸收池中的甲烷分子產(chǎn)生吸收，經(jīng)另一端焊接的標(biāo)準(zhǔn)光纖 進(jìn)入光電二極管16。另一路光經(jīng)作為參考光延同樣結(jié)構(gòu)的懸掛光纖路徑進(jìn)入相同型號的光 電二極管。電信號經(jīng)鎖相放大器17，進(jìn)入檢測電路18。雙光路光強(qiáng)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄒ鬁y量光路和參考光路具有良好的一致性，包括兩路初 始光強(qiáng)、氣室結(jié)構(gòu)與尺寸、光路布設(shè)等等。解調(diào)的方法是同時(shí)探測兩路透射光，并將二者相 除，消除初始光強(qiáng)IO的影響，并得到甲烷氣體標(biāo)準(zhǔn)吸收譜線。檢測電路具有電信號輸出接 口 19，可以采集甲烷的標(biāo)準(zhǔn)吸收光譜信號，并與其它儀器連接用以譜線校準(zhǔn)或者甲烷氣體 的分析參考。信號光路和參考光路中與懸掛光纖相連的標(biāo)準(zhǔn)光纖端頭裝有光纖連接器，分別與 分光光纖耦合器、光電二極管構(gòu)成活動連接。這樣可以根據(jù)測量參考對象的區(qū)別安裝含有 不同種類氣體的懸掛光纖，獲得不同種類氣體的標(biāo)準(zhǔn)吸收譜線。其中含不同種類氣體的懸 掛光纖的參數(shù)之間及其與參比光路中的懸掛光纖的參數(shù)之間都嚴(yán)格相同。實(shí)例二基于懸掛光纖的氣體吸收參考譜線光譜儀定標(biāo)裝置光源仍采用InGaSP發(fā)光二極管(PIN)，峰值波長為1. 33 μ m。該發(fā)射波長位于CH4 的復(fù)合頻位置(v2+2V3)。氣體吸收參考定標(biāo)裝置采用單光路設(shè)計(jì)，光源、光譜儀、以及光纖 采用光纖連接器連接，整個裝置除了含有甲烷氣體的懸掛光纖以外，還包括一根參考光纖， 其作用是為了扣除背景光，這兩根光纖結(jié)構(gòu)同樣要求完全相同。將不含氣體的懸掛光纖、光 源、待定標(biāo)的光譜儀21進(jìn)行連接，記錄背景信號。然后更換懸掛光纖為參比氣體懸掛光纖， 并記錄下參考?xì)怏w吸收信號，經(jīng)程序處理得出吸收譜線中已知峰位(如1.33μm峰值處) 與光譜儀CCD像元的對應(yīng)譜線關(guān)系，然后用計(jì)算機(jī)22的定標(biāo)程序?qū)庾V儀定標(biāo)，得出定標(biāo)方程。 通過更換含有不同參考?xì)怏w的懸掛光纖，可以獲得不同種類參考?xì)怏w的標(biāo)準(zhǔn)譜線，并使其已知吸收峰位在光譜儀上準(zhǔn)確反映，從而獲得更加明確的光譜儀的波長與CCD 像元之間的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)行不同波長范圍的定標(biāo)。
權(quán)利要求
一種基于懸掛芯光纖的氣體吸收譜線參考裝置，包括光源、耦合連接器、光纖分光耦合器、光電二極管、鎖相放大器、濃度監(jiān)測電路、數(shù)據(jù)接口；其特征是三根標(biāo)準(zhǔn)光纖通過光纖分光耦合器耦合連接，光源發(fā)出的光進(jìn)入一根標(biāo)準(zhǔn)光纖經(jīng)過光纖分光耦合器后被分成兩路，其中一路光通過第一標(biāo)準(zhǔn)光纖進(jìn)入內(nèi)部含有特定濃度氣體的第一懸掛光纖的纖芯，并與第一懸掛光纖孔道內(nèi)的氣體相互作用，然后進(jìn)入第一光電二極管；另一束光為背景光，經(jīng)通過第二標(biāo)準(zhǔn)光纖進(jìn)入第二懸掛光纖后進(jìn)入第二光電二極管；兩個光電二極管產(chǎn)生的電信號進(jìn)入鎖相放大器進(jìn)行放大，最后經(jīng)過檢測電路給出特定溫度、特定濃度下的氣體譜線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于懸掛芯光纖的氣體吸收譜線參考裝置，其特征是所述 的懸掛光纖的纖芯與包層間具有一條延光纖軸向的孔道，所述孔道的形狀為圓形或者“D” 形，纖芯緊貼懸掛于孔道內(nèi)壁或部分嵌于包層內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于懸掛芯光纖的氣體吸收譜線參考裝置，其特征是 所述的懸掛光纖是將懸掛光纖置于由氣體瓶、減壓閥、恒溫恒壓氣室、壓力表、溫度計(jì)和放 氣閥組成的裝置的恒溫氣室中，調(diào)節(jié)減壓閥，使氣室內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)定值，并保持5-7天，使 光纖內(nèi)氣體壓力與氣室達(dá)到一致，載氣過程完成后打開放氣閥，使氣室內(nèi)外壓力平衡完成 載氣；將經(jīng)載氣處理的光纖利用光纖熔接機(jī)兩端與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖連接，使氣體被密封在懸 掛光纖內(nèi)部，然后用熔融拉錐機(jī)進(jìn)行拉錐，使光纖耦合效率達(dá)到最大值，形成的兩端連接標(biāo) 準(zhǔn)光纖的懸掛光纖微型參考?xì)怏w吸收池。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于懸掛芯光纖的氣體吸收譜線參考裝置，其特征是 第一懸掛光纖與第二懸掛光纖的結(jié)構(gòu)及長度一致，在同一根光纖在相鄰位置截取。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于懸掛芯光纖的氣體吸收譜線參考裝置，其特征是第一 懸掛光纖與第二懸掛光纖的結(jié)構(gòu)及長度一致，在同一根光纖在相鄰位置截取。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種基于懸掛芯光纖的氣體吸收譜線參考裝置。三根標(biāo)準(zhǔn)光纖通過光纖分光耦合器耦合連接，光源發(fā)出的光進(jìn)入一根標(biāo)準(zhǔn)光纖經(jīng)過光纖分光耦合器后被分成兩路，其中一路光進(jìn)入內(nèi)部含有特定濃度氣體的第一懸掛光纖的纖芯，并與懸掛光纖孔道內(nèi)的氣體相互作用，然后進(jìn)入一光電二極管；另一束光為背景光，經(jīng)通過懸掛光纖后進(jìn)入另一光電二極管；兩個光電二極管產(chǎn)生的電信號進(jìn)入鎖相放大器進(jìn)行放大，最后經(jīng)過檢測電路給出特定溫度、特定濃度下的氣體譜線。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，可使儀器小型化?？梢酝ㄟ^增加光纖的長度顯著增加倏逝波面積，進(jìn)而提高光纖對參考?xì)怏w的響應(yīng)度。廣泛應(yīng)用于多種場合的譜線標(biāo)定及光譜參照。
文檔編號G01N21/31GK101806725SQ20101014910
公開日2010年8月18日 申請日期2010年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月19日
發(fā)明者楊興華, 田鳳軍, 苑立波 申請人:哈爾濱工程大學(xué)