专利名称：光纤气体传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种气体浓度检测和气体消光系数测量的光电检测装置，特别是一种光纤气体传感器。
二背景技术：
基于光谱分析构建的气体传感器已成为气体检测的重要手段，并在实验室分析和环境监测中得到广泛应用。在气体传感器中，吸收池或称取样池是一种关键的部件，其性能是检测装置长期可靠性和检测灵敏度的决定性因素。通过改变吸收池内的有效光程，可以改变检测灵敏度。为提高检测的灵敏度，通常增加探测光在吸收池内的有效光程。为此，吸收池的结构一般构造成折叠式和反射式两种。文献1赵海山，CurlR.F，Tittel F.K，探测空气中甲烷的小型气体敏感器，红外与激光工程，Vol.28，No.2，1999，33-38公开了一种折叠式吸收池，它是利用多块反射镜按一定角度放置，使光线经过多次折返达到增加光程的目的，此方案的结构虽简单，但是，光程的调节不便，易受环境温度光学或机械构件形变产生的光束摆动影响；文献2Ronald S.Inman，James J.F.McAndrew，Application of Tunable Diode Laser AbsorptionSpectroscopy To Trace Moisture Measurements in Gases，Anal.Chem.，Vol.66，No.15，1994，2471-2479公开了一种反射式吸收池，其特征是利用两个以上共轭放置的曲面反射镜构成，这种吸收池对光学和机械构件的摆动和横向、纵向形变的影响非常敏感。
三
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种能有效减弱或消除环境温度及构件形变对检测装置长期可靠性的影响，高效调节检测灵敏度，结构紧凑的光纤气体传感器。
实现本实用新型目的的技术解决方案是一种光纤气体传感器，包括基座，其特征在于基座上分别设置支座，支座上设置可上下垂直或水平移动的滑块，支座设置螺钉调节滑块的移动，滑块与支座之间设置保持滑块稳定的弹簧，滑块上连接支承架，大锥体棱镜设置于支承架内，小锥体棱镜被金属箍片锁定在支座上，在锥体棱镜的两个底面上镀以增透膜，平行探测光束在由一个小锥体棱镜和一个大锥体棱镜构成的吸收池内的传播路径中传播。
利用角锥棱镜对光束摆动的不敏感特性而实现的。用两块大小不同的角锥棱镜构成吸收池，它们的底面处于平行状态，它们的中心轴平行但不重合。探测光束在吸收池的入口处被变换为平行细光束，垂直入射到大角锥棱镜的底面上，并在两个角锥棱镜之间多次往返，最后经大角锥棱镜反射离开吸收池。
本实用新型的原理是平行光束垂直锥体棱镜底面入射时，经三个相互垂直的反射面反射后，将沿着关于锥体棱镜的中心轴对称的平行反方向返回，若以一定角度入射时，则沿着平行反方向返回。使两个大小不同的锥体棱镜的底面处于平行状态，它们的中心轴平行但不重合。探测光束在池的入射口处被变换为平行细光束，垂直入射到大锥体棱镜的底面上；经大锥体棱镜返回的出射光束，垂直入射到小锥体棱镜的底面上，小锥体棱镜的出射光束再次垂直入射到大锥体棱镜的底面，如此往复，即将探测光束耦合到吸收池中。若干次往返传输后，从锥体棱镜按与原入射光束平行的反方向出射。出射光的强度与吸收池内待测气体的浓度、吸收池有效长度及光束在吸收池内往返传播的次数等有关。光束在吸收池内往返的次数与两个锥体棱镜的中心轴间距有关。
本实用新型与现有技术相比，其显著优点是使用两块大小不同的角锥棱镜构成吸收池，由于传感器的灵敏度与探测光束在吸收池内的程长有关，改变两个角锥棱镜中心轴的间距，即可改变探测光束在吸收池内往返的次数，从而有效改变光程长度和检测灵敏度。另一方面，由于角锥棱镜对光束的摆动和纵向移动不敏感，所以有效减弱或消除了环境温度、光学和机械构件的形变对传感器装置长期可靠性的影响。
四
图1是本实用新型的光纤气体传感器一种结构示意图。
图2是本实用新型的光纤气体传感器吸收池的一种结构示意图。
图3是本实用新型的单波长光纤气体传感器的一种构成框图。
图4是本实用新型的双波长光纤气体传感器的一种构成框图。
五具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步描述。
实施例1。结合图1、图2、图3，锥体棱镜1置于支承架3内，支承架3与可上下垂直移动的滑块4连接，滑块4装配在支座8上，用螺钉5调节滑块4的上下移动，弹簧6使滑块4的位置保持稳定，螺钉7把支座8固定在基座9上。锥体棱镜11被0.5mm厚的薄金属箍片12锁定在支座15上，13是薄金属箍片12的固定螺钉，螺钉10和14将支座15固定在基座9上。锥体棱镜1的调节方向也可设定在水平方向上。对于固定种类的气体检测，为减小光损耗，在锥体棱镜1、11的两个底面上镀以增透膜。基座9可以是一个整体，也可以是两个独立的单元或位于不同建筑物上的构件。
图2表明了平行探测光束在由一个小锥体棱镜11和一个大锥体棱镜1构成的吸收池内的传播路径。入射光束16垂直入射到锥体棱镜1，先后经锥体棱镜11的三个相互垂直的反射面反射，沿着与入射光束16关于锥体棱镜1的中心轴对称的方向，离开锥体棱镜1，入射到锥体棱镜11，经锥体棱镜11的三个相互垂直的反射面反射后，在关于锥体棱镜11的中心轴对称方向返回到锥体棱镜1，如此往复，最后经锥体棱镜1，沿与入射光束16平行的方向离开吸收池，形成出射光束17。
图3所示装置由光学模块、光电信号处理与数据采集组成。从光源发生器18发出的光束被斩波器19调制，成为一定频率的光脉冲序列，经透镜20耦合到光纤束21并传送到平行光变换器22，被变换为细小的平行光序列，作为探测光束16投射到气体吸收池内、经多次往返后沿着与进入池内时的相反方向出射，接收光纤束23将接收到的出射光17传送到光电探测器24，光电探测器24输出的微弱信号先后经由前置放大器25和主放大器26达到一定的幅度，此信号经带通滤波器27滤波取出所需的有用信号并被送入相关器28的一个输入端，由光电开关29取自斩波器的同步参考信号经相移器30移相送入相关器28的另一个输入端，相关器28输出的直流信号被数据采集模块31采集并按一定规律进行处理，即获得待测气体的浓度或消光系数。
实施例2结合图1、图2、图4，其他同实施例1，其不同之处在于将两个不同波长λ1、λ2的光分别以不同的频率进行调制，用耦合器21将它们变换为一个光束，再耦合到吸收池中。而在主放大器26的输出端接一个功率比为1比1的信号分配器32，将主放大器26的输出信号分别送入中心频率不同的两个窄带滤波器27和27’进行滤波，所得检波信号分别送入两个相关器28和28’，并将两个不同频率的同步参考信号经双路相移器30后，分别进入相关器28和28’，相关器28和28’分别输出与两个波长相对应的直流信号，此二信号被数据采集模块采集并按一定规律进行处理，即获得待测气体的浓度或消光系数。
权利要求1.一种光纤气体传感器，包括基座[9]，其特征在于基座[9]上分别设置支座[8、15]，支座[8]上设置可上下垂直移动的滑块[4]，支座[8]设置螺钉[5]调节滑块[4]的移动，滑块[4]与支座[8]之间设置保持滑块稳定的弹簧[6]，滑块[4]上连接支承架[3]，大锥体棱镜[1]设置于支承架[3]内，小锥体棱镜[11]被金属箍片[12]锁定在支座[15]上，在锥体棱镜[1、11]的两个底面上镀以增透膜，平行探测光束在由一个小锥体棱镜[11]和一个大锥体棱镜[1]构成的吸收池内的传播路径中传播。
2.根据权利要求1所述的光纤气体传感器，其特征在于支座[8]、滑块[4]，支承架[3]、大锥体棱镜[1]可水平设置。
3.根据权利要求1或2所述的光纤气体传感器，其特征在于从光源发生器[18]发出的光束被斩波器[19]调制，成为一定频率的光脉冲序列，经透镜[20]耦合到光纤束[21]并传送到平行光变换器[22]，被变换为细小的平行光序列，作为探测光束[16]投射到气体吸收池内、经多次往返后沿着与进入池内时的相反方向出射，接收光纤束[23]将接收到的出射光[17]传送到光电探测器[24]，光电探测器[24]输出的微弱信号先后经由前置放大器[25]和主放大器[26]达到一定的幅度，此信号经带通滤波器[27]滤波取出所需的有用信号并被送入相关器[28]的一个输入端，由光电开关29取自斩波器的同步参考信号经相移器[30]移相送入相关器[28]的另一个输入端，相关器[28]输出的直流信号被数据采集模块[31]采集并进行处理，即获得待测气体的浓度或消光系数。
4.根据权利要求1或2所述的光纤气体传感器，其特征在于将两个不同波长λ1、λ2的光分别以不同的频率进行调制，用耦合器21将它们变换为一个光束，再耦合到吸收池中，在主放大器[26]的输出端接功率比为1比1的信号分配器32，将主放大器26的输出信号分别送入中心频率不同的两个窄带滤波器27和27’进行滤波，所得检波信号分别送入相关器28和28’，并将两个不同频率的同步参考信号经双路相移器30后，分别进入相关器28和28’，相关器28和28’分别输出与两个波长相对应的直流信号，此信号被数据采集模块采集并按进行处理，即获得待测气体的浓度或消光系数。
专利摘要本实用新型涉及一种光纤气体传感器。包括基座，基座上分别设置支座，支座上设置可上下垂直移动的滑块，支座设置螺钉调节滑块的移动，滑块与支座之间设置保持滑块稳定的弹簧，滑块上连接支承架，大锥体棱镜设置于支承架内，小锥体棱镜被金属箍片锁定在支座上，在锥体棱镜的两个底面上镀以增透膜，平行探测光束在由一个小锥体棱镜和一个大锥体棱镜构成的吸收池内的传播路径中传播。本实用新型使用两块大小不同的角锥棱镜构成吸收池，改变两个角锥棱镜中心轴的间距，即可改变探测光束在吸收池内往返的次数，从而有效改变光程长度和检测灵敏度，可有效减弱或消除了环境温度、光学和机械构件的形变对传感器装置长期可靠性的影响。
文档编号G01N21/25GK2581979SQ0225796
公开日2003年10月22日 申请日期2002年10月24日 优先权日2002年10月24日
发明者肖韶荣, 陈进榜, 高志山, 何勇 申请人:南京气象学院, 南京理工大学