一种基于三角微腔双路F-P干涉补偿的气体传感探头的制作方法

本发明属于光纤技术领域，涉及一种基于三角微腔双路f-p干涉补偿的气体传感探头，可实现对工业环境有毒有害等危险气体浓度的精准监测和微量危险气体的泄漏预警。

背景技术：

气体检测方法有很多种，通常根据监测原理可分为：电化学法、气相色谱法、光学式法、高分子材料气体传感器等。但是上述针对危险气体的检测技术存在响应时间长、所需设备昂贵、难以满足电磁辐射和生化腐蚀环境的需要。光纤传感技术是上个世纪中后期随着光通信的发展而逐步发展起来的，它是一-种以光波为载体，光纤为传输介质，感知和传输被测信号的传感技术。由于光纤传感器是以光纤作为信号传输介质，所以与其它传感器相比，它有着无法比拟的优点：包括抗辐射、耐腐蚀、灵敏度高、可远端遥控检测、易组网、重量轻、体积小、价格低廉等。

光纤气体传感器主要是利用气体的物理、化学及相关的光学现象或特性来检测气体浓度，相应的技术包括吸收型光纤气体传感，即利用比尔朗伯吸收定律，检测由于气体吸收而引起的光强衰减；薄膜透射型光纤气体传感技术，则是将气体敏感的材料制作成透明薄膜，当气体浓度发生变化时，透过薄膜的光强也会随之发生变化；干涉型光纤气体传感是利用待测气体浓度和气体折射率的关系，使用干涉法检测气体折射率的变化，从而间接求得气体的浓度。

以上方法均可实现对气体浓度的检测，但是在很多工业生产生活环境中，易燃易爆等危险气体的检测极为复杂，使得光纤气体传感探头的微型化、高灵敏度和抵抗外界复杂环境的能力要求日见苛刻，也亟需新型结构光纤气体传感结构的出现，解决相关实际应用过程中存在的问题。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于三角微腔双路f-p干涉补偿的气体传感探头，解决了目前光纤气体传感器体积大、灵敏度低、响应时间长、难以满足复杂环境应用需求的问题。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于三角微腔双路f-p干涉补偿的气体传感探头，该探头包括光路腔室和检测腔室，两个腔室被密封板隔离开；光路腔室包括光源，检测腔室由光纤结构、栅隔支架、进气口和出气口构成，光纤结构的一端构建有气体检测室；为了提高反射率，光纤结构的端头涂覆了金膜反射层。

光源发出的光经过分光棱镜后，再经过凸透镜聚焦准直，从检测腔室返回的光信号由光探测器接收。

上述的气体传感探头的外形为圆柱形，长度为50mm，直径为20mm，上述的光源的输出波长为1520-1580nm，上述的光探测器的工作波长为350-2000nm，上述的凸透镜的焦距为5mm，上述的光纤结构的外形为圆柱形，其纤芯直径为20微米，材料为二氧化硅，包层直径为300微米，材料为聚酰亚胺，所述的气体检测室的外形为等腰三角棱柱，其是采用飞秒激光刻蚀技术在光纤上加工得到的空腔，直角边的边长为150微米，该结构的设计可以在光纤轴向和径向分别构建两个f-p腔结构，从而可借助信号差分处理技术消除环境温度对传感结果的影响，所述的金膜反射层的厚度为10微米，所述的栅隔支架为带有多孔栅格结构的亚克力板，以利于气体在检测腔室内的自由流动。

当待测气体浓度变化时，在气体检测室斜边和光线结构纤芯交点位置的多路光信号的干涉条件发生变化，从而导致光探测器接收到的干涉光谱移动，最终可以获得气体浓度的数值。

与现有技术相比，本发明提出的一种基于三角微腔双路f-p干涉补偿的气体传感探头，可以通过双路f-p干涉信号的差分处理实现温度的自补偿，使探头工作时不受环境温度的影响；本发明结构紧凑、体积小，可以实现在狭小空间内的安装和气体泄漏的实时监测。

附图说明

附图1为一种基于三角微腔双路f-p干涉补偿的气体传感探头的示意图。

图中：1光路腔室；2检测腔室；3密封板；4光源；5分光棱镜；6光探测器；7凸透镜；8光纤结构；9气体检测室；10金膜反射层；11栅隔支架；12进气口；13出气口。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的实施例。

本发明提出一种基于三角微腔双路f-p干涉补偿的气体传感探头，其基本原理是借助f-p腔两个反射面光的干涉效应，实现对反射面间距离的精准测量。该探头的外形为圆柱形，长度为50mm，直径为20mm，包括光路腔室1和检测腔室2，两个腔室被密封板3隔离开，防止光路腔室1内器件发热改变监测腔室2内待测气体的性质，并可有效阻绝电磁辐射的串扰。光路腔室1包括输出波长为1520-1580nm的光源4，由其发出的光经过分光棱镜5后，再经过焦距为5mm的凸透镜7聚焦准直进入纤芯直径为20微米，外径为300微米的圆柱形光纤结构8内。短焦距透镜和大纤芯直径光纤，可以保证空间光信号和光纤光信号的高效耦合，并且使整个探头的结构更加紧凑、小巧。进入光纤结构8的光信号在到达气体检测室9的斜边反射面时，一部分光会反射到厚度为10微米的金膜反射层10再回到纤芯，另一部分光则会进入气体检测室9并在金膜反射层10反射，携带上气体浓度信息，两路光信号在各自经过一个f-p腔后，再次到达气体检测室9的斜边反射面时均会与原始光信号干涉，形成两种干涉信号，均通过纤芯反射回光路腔室1，经凸透镜7聚焦和分光棱镜5反射后，由光探测器6接收。经过差分计算即可得到不受温度影响的气体浓度信息。

上述气体传感探头实施过程描述中，所述的气体检测室9的外形为等腰三角棱柱，其是采用飞秒激光刻蚀技术在光纤上加工得到的空腔，直角边的边长为150微米，该结构的设计可以在光纤轴向和径向分别方向构建两个f-p腔结构，从而可借助信号差分处理技术消除环境温度对传感结果的影响，所述的栅隔支架11为带有多孔栅格结构的亚克力板，以利于气体在检测腔室2内的自由流动。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种基于三角微腔双路F‑P干涉补偿的气体传感探头，该探头包括光路腔室和检测腔室，两个腔室被密封板隔离开，其中光路腔室包括光源，由其发出的光经过分光棱镜后，再经过凸透镜聚焦准直，从检测腔室返回的光信号由光探测器接收。检测腔室由光纤结构、栅隔支架、进气口和出气口构成，光纤结构的一端构建了气体检测室，为了提高反射率在光纤结构的端头涂覆了金膜反射层。本发明可以通过双路F‑P干涉信号的差分处理实现温度的自补偿，使探头工作时不受环境温度的影响，该探头结构紧凑、体积小，可以实现在狭小空间内的安装和气体泄漏的实时监测。

技术研发人员：李晋;隋政麒;李周兵
受保护的技术使用者：东北大学
技术研发日：2019.01.25
技术公布日：2019.04.16