基于光纤倏逝场的挥发性有机物检测装置制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及有机物检测领域，尤其涉及一种基于光纤倏逝场的挥发性有机物检测装置。本实用新型的目的在于：提供一种基于光纤倏逝场的挥发性有机物检测装置，实现通过让空气中的挥发性有机物与光纤倏逝场直接作用的方式对空气中的挥发性有机物进行检测。本实用新型通过在光纤上设置一拉锥区，并在该拉锥区设置一长周期光纤光栅作为待测气体敏感部，大大增强了该敏感部的倏逝场强度，从而实现了通过光纤倏逝场与待测气体直接相互作用来检测待测气体中挥发性有机物浓度的目的。
【专利说明】基于光纤倏逝场的挥发性有机物检测装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及有机物检测领域，尤其涉及一种基于光纤倏逝场的挥发性有机物检测装置。
【背景技术】
[0002]目前大气污染日益严重，其中挥发性有机物(VOCs)是一类重要的大气污染物，具有毒性，刺激性，以及致癌性，不仅会造成环境污染，也会严重损害人体健康。挥发性有机物主要包括苯系物、有机氯化物、有机酮、醇、胺、醚等，其中苯系物已经被确定为致癌物质。1984年，挥发性有机物就被世界卫生组织列出，并引起广泛的关注。近两年来我国北方地区的灰霾天气越来越严重，国家也越来越重视空气中的挥发性有机物污染问题，并出台了相关法律法规，严格控制挥发性有机物排放，防治环境污染，保障生态安全和人体健康。由于挥发性有机物对人体健康的影响与其浓度有直接关系，在许多领域，如化工产业、环境保护、医药、食品安全等，建立灵敏快速、简单可靠的方法检测挥发性有机物浓度非常必要，对环境保护和安全生产具有重要意义。
[0003]气相色谱和质谱分析可以测定有机物浓度，结果可靠准确，但存在着操作繁琐、耗时长、价格昂贵等问题，仅适宜实验室使用，不适合作业现场的实时连续检测。目前，市场上出现的商业便携式挥发性有机物探测器基本都是依据光离子化检测原理，此原理可以检测极低浓度的挥发性有机物，但是紫外灯发出的能量决定了它所能测定的物质种类是有限的，微弱信号检测电路的设计是硬件电路设计中的一大难点，同时价格也比较昂贵。
[0004]挥发性有机物光纤传感器具有许多优异的新颖特性，如体积小，重量轻，低损耗，远距离传感，分布传感，多路传感，免电磁干扰，在线监测、环保耐用等，有望克服上述挥发性有机物气体传感器的缺点和不足，近年来引起人们越来越多的广泛研究和关注。根据光与气体的相互作用可以把挥发性有机物光纤传感分成两类:一类是纤芯模场传感，另一类是倏逝场传感。对于纤芯模场传感，通常是采用标准通信单模光纤(SMF)，将光纤端面切平并镀上化学敏感膜，通过敏感膜的折射率改变来获得不同的反射信号实现气体传感，但这种方式的传感区域是尺寸很小的纤芯，灵敏度受到限制。
[0005]而长周期光纤光栅(LPFG)的周期一般为几十或几百微米，具有制作工艺简单，体积小，插入损耗低，无后向反射等特点，在光通信和光纤传感领域受到人们的重视和研究，特别在传感领域。LPFG是同向传输的纤芯基模和各阶包层模之间的耦合。包层模对外界环境的折射率变化敏感，不同的气体和浓度会导致包层折射率和光栅周期的改变，从而引起LPFG的谐振波长和幅值的改变来实现气体传感。但传统单模光纤LPFG的挥发性有机物传感器是通过在光纤的包层外镀聚合物敏感薄膜材料吸附挥发性有机物目标物来实现的，镀膜这种方式依赖于薄膜对气体分子的吸收，只能对单一的特定挥发性有机物气体进行检测，不能实现挥发性有机物总量检测。而且由于大部分聚合物薄膜的折射率大于光纤包层的折射率，薄膜的厚度比较厚就会导致LPFG的共振峰减弱甚至消失，所以要求聚合物膜的厚度严格控制在纳米量级，这样对薄膜的性能(折射率和厚度)和制备条件要求都比较高。而且传感器的性能如灵敏度、检测下限都需要进一步提高。
实用新型内容
[0006]本实用新型的目的在于:提供一种基于光纤倏逝场的挥发性有机物检测装置，实现通过让空气中的挥发性有机物与光纤倏逝场直接作用的方式对空气中的挥发性有机物进行检测。
[0007]本实用新型提供了一种基于光纤倏逝场的挥发性有机物检测装置，包括:
[0008]单模光纤、连接在所述单模光纤两端的宽带光源和光谱仪；
[0009]所述单模光纤上具有一拉锥区，所述拉锥区设置有长周期光纤光栅；
[0010]所述拉锥区固定在一气室内，所述气室用于通入待检测气体；
[0011]所述光谱仪根据所述宽带光源通过所述气室前后的波长及幅值的变化情况判断所述待检测气体中挥发性有机物浓度。
[0012]进一步地，所述宽带光源为自发辐射光源。
[0013]本实用新型还提供了另一种基于光纤倏逝场的挥发性有机物检测装置，包括:
[0014]光子晶体光纤，其两端分别熔接有第一单模光纤和第二单模光纤；
[0015]所述第一单模光纤连接宽带光源，所述第二单模光纤连接光谱仪；
[0016]所述光子晶体光纤上具有一拉锥区，所述拉锥区设置有长周期光纤光栅；
[0017]所述拉锥区固定在一气室内，所述气室用于通入待检测气体；
[0018]所述光谱仪根据所述宽带光源通过所述气室前后的波长及幅值的变化情况判断所述待检测气体中挥发性有机物的浓度。
[0019]进一步地，所述宽带光源为自发辐射光源。
[0020]与现有技术相比，本实用新型通过在光纤上设置一拉锥区，并在该拉锥区设置一长周期光纤光栅作为待测气体敏感部，大大增强了该敏感部的倏逝场强度，从而实现了通过光纤倏逝场与待测气体直接相互作用来检测待测气体中挥发性有机物浓度的目的。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1:本实用新型实施例1提供的一种基于光纤倏逝场的挥发性有机物检测装置示意图；
[0022]图2:本实用新型实施例1提供的另一种基于光纤倏逝场的挥发性有机物检测装置示意图。
【具体实施方式】
[0023]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0024]图1为本实用新型所提供的一种基于光纤倏逝场的挥发性有机物检测装置示意图。根据图1所示，该检测装置包括:单模光纤1、连接在单模光纤I两端的宽带光源2和光谱仪3 ；
[0025]单模光纤I上具有一拉锥区4，拉锥区4设置有长周期光纤光栅5 ；[0026]拉锥区4固定在一气室6内，气室6用于通入待检测气体；
[0027]气室6上设置一进口阀门7和出口阀门8，用于待检测气体的输入和输出。
[0028]宽带光源2采用自发辐射光源，自发辐射光源可在一定范围内连续改变激光输出波长，通过改变激光输出波长可以检测不同种类的挥发性有机物。
[0029]气室6中，待检测气体中挥发性有机物的浓度的改变会引起长周期光纤光栅的谐振波长及振幅的改变，通过检测该谐振波长与振幅的改变可检测出待检测气体中挥发性有机物的浓度。
[0030]光谱仪3根据宽带光源2通过气室6前后的波长及幅值的变化情况判断待检测气体中挥发性有机物的浓度。
[0031]该检测装置的制造包含如下步骤:
[0032]I)将单模光纤I的一段加热形成一软化区，具体地可采用氢氧焰进行加热。氢氧焰温度高，可熔化石英，而且在软化的过程中不会渗入杂质。
[0033]2)将软化区沿单模光纤I的轴向拉锥形成一拉锥区4 ；
[0034]3)在拉锥区4设置长周期光纤光栅5，具体地可采用飞秒激光器制作长周期光纤光栅5。飞秒激光器焦斑可控制在微米量级，可精确聚焦。将飞秒激光器的焦点精确定位到光纤纤芯，光纤纤芯在焦点区域对激光产生非线性吸收，使吸收区域材料密度变大，从而使折射率变大。沿光纤纤芯轴向逐点对光纤纤芯进行飞秒激光折射率调制就可形成长周期光纤光栅。
[0035]4)将拉锥区4固定在一气室6中，具体地，可通过紫外胶固定在半圆柱形石英基板上。紫外胶不会产生其他挥发性成分对气室6中的待检测气体成分产生影响。
[0036]5)将单模光纤I的两端分别连接宽带光源2和光谱仪3，具体地，宽带光源2可采用自发辐射光源。
[0037]图2为本实用新型所提供的另一种基于光纤倏逝场的挥发性有机物检测装置示意图。根据图1所示，该检测装置包括:光子晶体光纤9，光子晶体光纤9的两端分别熔接有第一单模光纤10和第二单模光纤11 ；
[0038]第一单模光纤10连接宽带光源2，第二单模光纤11连接光谱仪3 ；
[0039]光子晶体光纤9上具有一拉锥区4，拉锥区4设置有长周期光纤光栅5 ；
[0040]拉锥区4固定在一气室6内，气室6用于通入待检测气体；
[0041]气室6上设置一进口阀门7和出口阀门8，用于待检测气体的输入和输出。
[0042]宽带光源2采用自发辐射光源，自发辐射光源可在一定范围内连续改变激光输出波长，通过改变激光输出波长可以检测不同种类的挥发性有机物。
[0043]气室6中，待检测气体中挥发性有机物的浓度的改变会引起长周期光纤光栅的谐振波长及振幅的改变，通过检测该谐振波长与振幅的改变可检测出待检测气体中挥发性有机物的浓度。
[0044]光谱仪3根据宽带光源2通过气室6前后的波长及幅值的变化情况判断待检测气体中挥发性有机物的浓度。
[0045]该检测装置的制造包含如下步骤:
[0046]I)将光子晶体光纤9的一段加热形成一软化区，具体地可采用氢氧焰进行加热。氢氧焰温度高，可熔化石英，而且在软化的过程中不会渗入杂质。[0047]2)将软化区沿光子晶体光纤9的轴向拉锥形成一拉锥区4 ；
[0048]3)在拉锥区4设置长周期光纤光栅5，具体地可采用飞秒激光器制作长周期光纤光栅。飞秒激光器焦斑可控制在微米量级，可精确聚焦。将飞秒激光器的焦点精确定位到光纤纤芯，光纤纤芯在焦点区域对激光产生非线性吸收，使吸收区域材料密度变大，从而使折射率变大。沿光纤纤芯轴向逐点对光纤纤芯进行飞秒激光折射率调制就可形成长周期光纤光栅。
[0049]4)将第一单模光纤10和第二单模光纤11分别熔接在光子晶体光纤9的两端；
[0050]5)将拉锥区4固定在一气室6中。具体地，可通过紫外胶固定在半圆柱形石英基板上。紫外胶不会产生其他挥发性成分对气室6中的待检测气体成分产生影响。
[0051]6)将第一单模光纤10及第二单模光纤11分别连接一宽带光源2及一光谱仪3。具体地，宽带光源2可采用自发辐射光源。
[0052]本实用新型以光纤本身作为敏感部，以拉锥和LPFG作为激发倏逝场的有效手段，不需要镀任何额外的化学敏感膜，实现了高灵敏度的挥发性有机物气体总量检测。
[0053]以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于光纤倏逝场的挥发性有机物检测装置，其特征在于，包括: 单模光纤、连接在所述单模光纤两端的宽带光源和光谱仪； 所述单模光纤上具有一拉锥区，所述拉锥区设置有长周期光纤光栅； 所述拉锥区固定在一气室内，所述气室用于通入待检测气体； 所述光谱仪根据所述宽带光源通过所述气室前后的波长及幅值的变化情况判断所述待检测气体中挥发性有机物浓度。
2.如权利要求1所述的基于光纤倏逝场的挥发性有机物检测装置，其特征在于，所述宽带光源为自发辐射光源。
3.一种基于光纤倏逝场的挥发性有机物检测装置，其特征在于，包括: 光子晶体光纤，其两端分别熔接有第一单模光纤和第二单模光纤； 所述第一单模光纤连接宽带光源，所述第二单模光纤连接光谱仪； 所述光子晶体光纤上具有一拉锥区，所述拉锥区设置有长周期光纤光栅； 所述拉锥区固定在一气室内，所述气室用于通入待检测气体； 所述光谱仪根据所述宽带光源通过所述气室前后的波长及幅值的变化情况判断所述待检测气体中挥发性有机物的浓度。
4.如权利要求3所述的基于光纤倏逝场的挥发性有机物检测装置，其特征在于，所述宽带光源为自发辐射光源。
【文档编号】G01N21/25GK203443888SQ201320422610
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年7月16日 优先权日:2013年7月16日
【发明者】于永芹, 李学金, 欧志龙, 欧召芳, 徐晓梅, 洪学明, 黄权东, 陈雪 申请人:深圳大学