一种痕量气体光纤微型传感装置的制作方法

1.本实用新型涉及传感器技术领域，具体是一种痕量气体光纤微型传感装置。


背景技术：

2.当前用于氢气浓度测量的传感器主要有电化学传感器、固体气体传感器、热导式氢分析仪、光纤氢气传感器、基于光声光谱法的氢气传感器等。其中光纤氢气传感器由于具有体积小巧、质量轻、机械强度高、灵活性等特点而受到广泛关注。氢气的化学性质活泼、易燃、易爆。在常温常压下，当空气中氢气的含量位于4％～74.5％时，就有可能导致爆炸事故。


技术实现要素：

3.本实用新型要解决的技术问题是提供一种痕量气体光纤微型传感装置，基于光声光谱法的全光纤式的氢气传感器，可测量浓度达到ppm量级，且传感探头结构简单、体积小巧。
4.本实用新型的技术方案为：
5.一种痕量气体光纤微型传感装置，包括有ase光源、环形器、耦合器、激发光源、痕量气体光纤传感探头和解调仪；
6.所述的痕量气体光纤传感探头包括有外毛细管、左端毛细管、右端毛细管、膜片和光纤，所述的左端毛细管、右端毛细管均套装于外毛细管内，右端毛细管的左端固定有膜片，左端毛细管的右端和膜片之间留有间隙即形成fp腔，所述的外毛细管上开设有与fp腔连通的气孔，所述的光纤部分穿设于左端毛细管内，光纤的右端朝向fp腔；
7.所述的ase光源的出射端与环形器的一端口连接，环形器的二端口、激发光源的出射端均与耦合器的一端连接，环形器的三端口与解调仪相连，耦合器的另一端与痕量气体光纤传感探头光纤的左端连接。
8.所述的外毛细管的外径不大于0.7mm。
9.所述的外毛细管选用的外径为0.7mm、内径为0.5mm的毛细管。
10.所述的左端毛细管和右端毛细管均选用外径为0.5mm、内径为0.3mm的毛细管。
11.所述的外毛细管的右端密封连接有堵头。
12.所述的光纤选用单模光纤。
13.所述的环形器的二端口、激发光源的出射端分别通过对应的连接光纤与耦合器的一端连接。
14.本实用新型的优点：
15.本实用新型具有体积小巧、质量轻、机械强度高、灵活性等特点。是基于光声光谱法的全光纤式的氢气传感器，可测量浓度达到ppm量级，并且传感装置具有温度自校正功能，即在气体浓度检测系统中引入一个温度参量，而传探头的温度值与传感探头fp腔的腔长平均值相关，因此只需对传感探头进行温度标定即可完成传感探头的温度自校正。
附图说明
16.图1是本实用新型的结构示意图。
17.图2是本实用新型痕量气体光纤传感探头的结构示意图。
18.图3是本实用新型痕量气体光纤传感探头的原理示意图。
具体实施方式
19.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
20.见图1和图2，一种痕量气体光纤微型传感装置，包括有ase光源1、环形器2、耦合器3、激发光源4、痕量气体光纤传感探头5和解调仪6；
21.痕量气体光纤传感探头5包括有外毛细管51、左端毛细管52、右端毛细管53、膜片54和单模光纤55，左端毛细管52、右端毛细管53均套装于外毛细管51内，右端毛细管53的左端固定有膜片54，外毛细管51的右端密封连接有堵头56，左端毛细管52的右端和膜片54之间留有间隙即形成fp腔57，外毛细管51上开设有与fp腔57连通的气孔58，单模光纤55部分穿设于左端毛细管52内，单模光纤55的右端朝向fp腔57；
22.ase光源1的出射端与环形器2的一端口连接，环形器2的二端口、激发光源的4出射端分别通过对应的连接光纤与耦合器3的一端连接，环形器2的三端口与解调仪6相连，耦合器3的另一端与痕量气体光纤传感探头5单模光纤55的左端连接。
23.其中，外毛细管51选用的外径为0.7mm、内径为0.5mm的毛细管；左端毛细管52和右端毛细管53均选用外径为0.5mm、内径为0.3mm的毛细管。
24.本实用新型的工作原理：
25.ase光源1产生的入射光由环形器2的一端口传入，通过一根连接光纤经环形器2的二端口穿入耦合器3的一端，激发光源4通过另一根连接光纤与耦合器3的一端连接，耦合器3内的光通过耦合器3的另一端入射到痕量气体光纤传感探头5的fp腔57内，符合fp腔57反射条件的光被反射回来，由单模光纤55射出经耦合器3传入环形器2，环形器2的三端口与解调仪6相连，解调仪6通过波长变化可实现氢气浓度的高精度检测。
26.见图3，基于纤维光学技术测量痕量氢气浓度的传感机理，激发光照射到内有待测气体的微型的光声池，氢气气体吸收光能后引起光声池内的压强变化，从而激发出声压波，利用基于傅里叶变换的光纤法布里
‑
珀罗传感器腔长高速解调系统实现快速光谱分析和数据处理技术。采用不同波长的激发光，可测量不同气体。
27.气体吸收光能特性容易受到环境温度波动的影响，当气体温度发生变化时，待测气体吸收线的线强度、吸收线的谱线宽度以及单位体积内的气体分子密度都将发生变化，使得气体的吸收系数发生变化。相同浓度的待测气体在不同的温度状态下，气体检测系统得到的声压波幅值并不相同，直接利用系统输出值进行气体浓度测量存在较大偏差。
28.本实用新型设置有温度自校正方案是在气体浓度检测系统中引入一个温度参量，而传感探头5的温度值与传感探头fp腔57的腔长平均值相关，因此只需对传感探头5进行温度标定即可完成传感探头5的温度自校正。
29.将传感器探头5放入高低温试验箱中，并将传感探头5与解调系统连接，分别测试
‑
20、0、20、40、60℃下解调系统解调出的fp腔光谱峰值，分别用光谱仪测试并记录相邻的5个波峰的峰值波长λ
i
(i＝1，
……
，5)，计算相邻峰值波长对应的频率f
i
(f＝c/λ,c＝299792458m/s),然后计算出相邻峰值频率差δf
i
(δf
i
＝|f
i 1
‑
f
i
|),取平均后得平均频率差δf，并根据公式l＝c/(2*n*δf，取n＝1),计算腔长l。多次的测试结果如下：
30.表2
‑
7不同温度下峰值波长测量值
31.[0032][0033]
3次试验计算后的腔长值如下：
[0034]
表2
‑
8不同温度下腔长值
[0035][0036]
根据上述数据建立fp腔的腔长与温度的曲线图，传感探头5使用中根据实际的温度选用曲线图中对应的fp腔的腔长，通过调节fp腔的腔长至对应的腔长，实现温度自校正。
[0037]
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。