专利名称：一种基于m-z模式干涉的多点挥发性有机物检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于M-Z模式干涉的多点挥发性有机物检测装置。
背景技术：
挥发性有机物(Volatile Organic Compounds, VOCs)是最常见的一类空气污染物，通常指的是沸点在50 250°C，在常温常压下可以形成蒸气的有机物，主要包括苯系物、有机氯化物、氟利昂系列、有机酮类、醇类、胺、醚以及酯类等。VOCs具有毒性、刺激性以及致癌性，会严重破坏环境和人体健康。因此，发展灵敏、快速、准确测定空气中VOCs含量的方法是非常必要的。在现有的检测方法中，由于光纤的独特优点，例如体积小，损耗低，抗电磁干扰，适于远程检测等，基于光纤的挥发性有机物检测越来越受到人们的广泛关注。基于光纤的挥发性有机物检测方法种类很多，常见的有基于光谱分析的方法，对待测气体的特征吸收谱线进行检测分析得到待测气体浓度。这种检测方法灵敏度高，响应快，但是常需要特殊的光源来匹配不同种类待测气体的吸收谱范围，因此成本高，限制了其应用范围。基于倏逝场型的挥发性有机物传感器，在倏逝场区域存在倏逝波与挥发性有机物的能量交换，全反射光能量减少，通过测量光强的衰减程度就可以计算出挥发性有机物的浓度。但是这种传感器一般都需要拉锥或腐蚀技术，降低了光纤的物理特性。基于光纤光栅的挥发性有机物检测也有所报道，待测气体作用于光纤光栅外部，通过影响光纤光栅的纤芯、包层有效折射率引起谐振波长的漂移。但是这种传感器的光纤光栅一般也会经过腐蚀处理，会对光纤造成损害,并且解调成本高。针对上述问题，我们提出了一种基于M-Z模式干涉的多点挥发性有机物检测装置。这种传感器结构紧凑、灵敏度高、可实现多点复用的挥发性有机物测量，并且基于强度解调，极大降低了解调设备的成本。
发明内容本实用新型的目的就是为了解决现有挥发性有机物传感技术中存在的检测成本高、灵敏度低、难于实现在线和多点复用的问题，提出了 一种结构紧凑、灵敏度高、可实现在线和多点复用的基于M-Z模式干涉的多点挥发性有机物检测装置。本实用新型为解决技术问题所采用的技术方案是:—种基于M-Z模式干涉的多点挥发性有机物检测装置，包括一个宽带光源、一个波分阵列光栅(Arrayed Waveguide Grating, AWG)、多个M-Z干涉仪传感头和一个光电探测器阵列；宽带光源与AWG的输入端光连接，AWG的各输出端分别与M-Z干涉仪传感头的一端光连接，干涉仪的另一端与光电探测器阵列光连接。M-Z干涉仪传感头是由一段光子晶体光纤的两端分别与两根单模光纤进行坍塌熔接制成的，并且在光子晶体光纤及空气孔坍塌区域涂覆上一层对挥发性有机物敏感的沸石膜；光电探测器阵列是由和AWG通道数相同的阵列组成。本实用新型所具有的有益效果为:1.光源发出的光经过AWG后被分成多个具有线宽很窄的固定单一波长的光束,可以实现多点测量。2.在光子晶体光纤及空气孔坍塌区域涂覆上一层对挥发物敏感的沸石膜，可以实现对挥发性有机物的选择性吸附；M-Z模式干涉的干涉条纹对相位变化非常敏感，并且VOCs经过沸石膜的吸附作用进入沸石膜后，对光子晶体光纤包层模的有效折射率的作用更为直接，进一步增加测量灵敏度，因此本实用新型设计的传感器具有更高的灵敏度。3.在传感测量装置中引入光电探测器件，不必再使用光谱仪观察波长移动来解调并得到挥发性有机物信息，极大降低了传感设备的成本。4.整个传感测量装置具有结构紧凑，灵敏度高，可选择性，可实现在线和多点复用等优点，可以很好的实现不同种类挥发性有机物的检测。
图1为本实用新型的结构图；图2为本实用新型传感部位的细节图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型进一步描述。
如图1所示，一种基于M-Z模式干涉的多点挥发性有机物检测装置，主要包括宽带光源1、AWG2、M-Z干涉仪传感头3、光电探测器阵列4。宽带光源I与AWG2的输入端光连接，AWG2的各输出端分别与M-Z干涉仪传感头3的一端光连接，干涉仪3的另一端与光电探测器阵列4光连接。M-Z干涉仪传感头3是由一段光子晶体光纤5的两端分别与两根单模光纤6进行坍塌熔接制成的，并且在光子晶体光纤5及空气孔坍塌区域涂覆上一层对挥发性有机物敏感的沸石膜；光电探测器阵列4是由和AWG2通道数相同的阵列组成。本实施方式的工作方式为:宽带光源发出的光经过AWG被分成多个具有线宽很窄的固定单一波长的光束，AWG的各个输出端分别与干涉仪中单模光纤的一端光连接，另一根单模光纤的另一端与光电探测器阵列光连接。将整个传感装置置于待检测的挥发性有机物环境中，光经过熔接处空气孔坍塌区域后，包层模被激发并在光子晶体光纤中传输。当挥发性有机物通过沸石膜的选择性吸附作用进入膜时，会改变沸石膜的折射率，进而改变包层模的有效折射率。当芯模和包层模在第二个空气孔坍塌区域结合后，由于两束光存在相位差，会发生干涉，输出干涉条纹，根据相干光干涉原理，干涉条纹的干涉峰满足:λ = [nco-ncl (C) ] L/k其中Ild(C)为光子晶体光纤包层模的有效折射率，与光子晶体光纤包层中挥发性有机物浓度C有函数关系，L为光子晶体光纤的长度，k为干涉级次。空气中挥发性有机物含量不同时，通过选择性吸附作用进入沸石膜的挥发性有机物含量也不同，从而沸石膜的折射率发生变化，进而改变包层模的有效折射率，使干涉光谱发生漂移。与该干涉仪传感头相连接的AWG通道的光强也会随着干涉谱的左右移动发生线性变化，使通过该装置的输出光强发生变化，因此，可以根据输出光强的大小来确定挥发性有机物的浓度。[0021]本实用新型能够实现挥发性有机物传感测量并且具有较高灵敏度、可实现多点复用检测的关键技术为:1.经过AWG的光被分成多个具有线宽很窄的固定单一波长的光束，可以实现多点测量。2.在光子晶体光纤及空气孔坍塌区域涂覆上一层对挥发物敏感的沸石膜，由于沸石膜具有规整的各向同性的孔道结构，对有机分子可以进行选择性吸附，所以可以实现对挥发性有机物的选择性检测；选用的光子晶体光纤的长度，取决于与该干涉仪连接的AWG通道的中心波长，要使该通道的中心波长位于干涉谱的单调区间内。3.在传感测量装置中引入光电探测器件，不必再使用光谱仪观察波长移动来解调并得到挥发性有机物信息，极大降低了传感设备的成本。本实施例中的宽带光源输出波长为1500nm 1600nm，AffG是由16个具有线宽很窄的固定单一波长的通道组成的，波长范围为1532nm-1545nm，波长间隔为0.8nm ;单模光纤是普通的SMF-28单模光纤；光子晶体光纤的包层直径为125 μ m,纤芯直径为7 μ m，包层空气孔直径为 3.06 μ m,孔间距为5.61 μ m，长度为I 5cm ;坍塌熔接是光子晶体光线和单模光纤熔接时，通过控制电流或放电时间，使光子晶体光纤中的空气孔坍塌，光子晶体光纤两端坍塌区域的长度为 200 μ m和 204 μ m ;光电探测器件是和AWG通道数相同的4X4阵列。
权利要求1.一种基于M-Z模式干涉的多点挥发性有机物检测装置，其特征在于，包括一个宽带光源、一个AWG、多个M-Z干涉仪传感头和一个光电探测器阵列；宽带光源与AWG的输入端光连接，AWG的各输出端分别与M-Z干涉仪传感头的一端光连接，干涉仪的另一端与光电探测器阵列光连接；M-Z干涉仪传感头是由一段光子晶体光纤的两端分别与两根单模光纤进行坍塌熔接制成的，并且在光子晶体光纤及空气孔坍塌区域涂覆上一层对挥发性有机物敏感的沸石膜；光电 探测器阵列是由和AWG通道数相同的阵列组成。
专利摘要本实用新型涉及一种基于M-Z模式干涉的多点挥发性有机物检测装置。其特征在于包括一个宽带光源、一个AWG、多个M-Z干涉仪传感头和一个光电探测器阵列；宽带光源与AWG的输入端光连接，AWG的各输出端分别与M-Z干涉仪传感头的一端光连接，干涉仪的另一端与光电探测器阵列光连接；M-Z干涉仪传感头是由一段光子晶体光纤的两端分别与两根单模光纤进行坍塌熔接制成的，并且在光子晶体光纤及空气孔坍塌区域涂覆上一层对挥发性有机物敏感的沸石膜；光电探测器阵列是由和AWG通道数相同的阵列组成。本实用新型具有结构紧凑、灵敏度高、基于强度解调、可实现在线和多点复用的优点。
文档编号G01N21/45GK203164116SQ201320158399
公开日2013年8月28日 申请日期2013年4月1日 优先权日2013年4月1日
发明者王雪萍, 赵春柳, 倪凯, 金永兴 申请人:中国计量学院