专利名称：新型光纤气体感测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及到光声光谱气体传感的方法和装置，更确切地说，涉及一种利用 光纤弯曲损耗变化检测光声信号的装置。本实用新型属于光纤传感技术领域，主要用于气 态物质的浓度传感检测。
背景技术：
气体的探测，尤其是可燃、易爆、有毒有害气体的探测，对工农业生产、人民生活、 科学研究和国家安全至关重要。在气体传感器中，利用光声光谱特性检测气态分析物浓度的检测方法已经为公众 所周知，如先技术美国专利No. 4740086描述了在光激发气态分析物时用光声气体传感器 把调幅光源的光能转换成声能的情况。当入射到气室的光能被待测气体吸收后，就生成强 度对应于气室内待测气体浓度的声压力波，该声压力波被电容微音器检测。光声气体传感 技术具有灵敏度高、气室所需体积小等一系列优点，得到了广泛研究和应用。光纤传感器由于具有抗电磁干扰、灵敏度高、电绝缘性好、安全可靠、耐腐蚀、便于 复用组网等诸多优点，因而在工业、农业、生物医疗、国防等各领域均有广阔应用前景。为了 将光声气体传感原理和光纤传感技术相结合，集成两者的优点，形成新型光纤光声气体传 感技术，人们已经提出了若干技术方案。在先技术之二 《基于光声光谱法的光纤气体传感 器研究》，中国激光，第31卷，第8期，2004年中，提出了一种采用光纤马赫曾德干涉相位传 感器代替传统的微音器的方案，将光纤马赫曾德干涉仪的一臂缠绕在光声气腔的外壁，当 气体吸收光能产生声压力波，声压力波将使得光声气腔的直径变化，使缠绕在其上的光纤 产生径向应变，引起光波的相位变化，通过测量相位变化来感知声压力波变化，进而得到气 体浓度信息。但是，由于热胀冷缩，环境温度变化也会引起光声气腔直径变化，同时参考臂 光纤会受到光声气腔外气流和温度的影响，而且光纤的缠绕会产生双折射，从而产生较大 的与气体吸收无关的相位噪声，造成测量灵敏度低和测量稳定性差。另外，其激励光源采用 染料激光器，体积大；光强调制采用机械斩波器，频率低。使得光纤传感技术的优点没有得 到充分发挥。中国专利授权公告号CN 201034929Y提出了一种在光声气室一端口放置感应声 压力波的振动膜片，并通过振动膜片与光纤端面构成的法布里-珀罗干涉仪来检测声压力 波信号，由于振动膜片反射信号的微弱使该装置不易实现远距离的监测，另外干涉信号的 解调装置比较复杂，也需要较高的成本才能完成，从而限制了该类传感器的使用范围。
发明内容为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供一种基于光纤弯曲损耗的气体传 感装置，其结构简单、设计合理、加工制作方便且使用方式灵活、灵敏度高、使用效果好，并 且生产、使用、维护成本低。为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是一种新型光纤气体感测装置，包括激光源25和用于接收要检测气体的气室10，其特征在于在气室10的外壁表面上 螺旋缠绕着曲线型壳体4，布设在所述的曲线型壳体4内部相对两侧的多个A侧变形齿4-1 和多个B侧变形齿4-2，所述的A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2呈交错布设，A侧变形齿 4-1和B侧变形齿4-2对应布设在信号光纤6的两侧，信号光纤6的通过延长光纤1接测试 单元5。待测气体如甲烷进入气室10内后，包含有待测气体吸收特征波长的激光源25的 激光也注入到气室10内，甲烷的特征吸收波长可选用1331nm或1651nm，在气室10内，待测 气体会吸收激光源25注入的光束能量，待测气体的温度升高从而使气室10内部的压力增 大，使气室10的圆周周长会增加，导致缠绕在气室10上的曲线型壳体4内部的相对两侧的 变形齿之间的距离改变，这样也会改变夹持在相对两侧变形齿间信号光纤6的弯曲曲率， 测试单元5通过检测信号光纤6内部传输光信号功率的变化获取所述气室10内部压力的 变化，此处是用曲线型壳体4以及信号光纤6为主构成的声波检测元件代替了公众熟知的 微音器元件，然后通过公众所熟知的其余检测流程获取待测气体的浓度。所述的曲线型壳体4内部布设有变形齿的相对A、B两侧是互相平行的，并同时与 待测气室10的轴向平行。所述的A、B两侧中的一侧距离气室10中心轴距离相对另一侧更近。所述的曲线型壳体4的A侧和B侧之间由弹性材料连接。所述的曲线型壳体4的A侧和B侧之间除了在曲线型壳体4的两端处连接外，曲 线型壳体4中间部位的A侧和B侧之间没有连接。位于所述的曲线型壳体4的A侧变形齿4-1和B侧变形齿4_2之间的信号光纤6 的一端安置有光反射装置46，如反射镜或光纤光栅。所述的信号光纤6的另一端与1X2分路器45的1 口连接，1X2分路器45的2 口与 测试单元5的连接。二个或二个以上的缠绕在不同气室10上的曲线型壳体4中的信号光纤6串联在
一根光纤。所述的气室10采用低温度膨胀系数的材料，如石英玻璃、陶瓷或其他复合材料。所述的曲线型壳体4的全部或部分通过胶黏剂、焊接等方法固定于气室10的外表 面上。所述信号光纤6为外部包有多层光纤保护层的光纤，如紧套光纤、碳涂覆光纤、聚 酰亚胺涂覆光纤等；所述信号光纤也可以是塑料光纤、多芯光纤、细径光纤或光子晶体光 纤。本实用新型与现有技术相比具有以下优点1、本实用新型的新型光纤气体感测装置，具有结构简单、设计合理、操作方法方便 且使用方式灵活、灵敏度高；2、本实用新型的新型光纤气体感测装置，因使用光纤型微音器替代了传统的微音 器，使本装置具有抗电磁干扰、灵敏度高、电绝缘性好、安全可靠、耐腐蚀、便于复用组网等 诸多优点；3、本实用新型的新型光纤气体感测装置，由于可以采用的光源-光功率法测试， 从而可以大幅度降低测试单元5的成本，从而使本装置的整体成本大幅度降低，使本装置
4具有广阔的使用范围。综上所述，本实用新型结构简单、设计合理、加工制作方便且使用方式灵活、灵敏 度高、使用效果好，并具有成本低、易组网复用等优点，使本实用新型的装置具有良好的使 用前景。下面通过附图和实施例，对实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本实用新型第一具体实施方式
的结构示意图。图2为本实用新型第一实施方式中曲线型壳体4的横截面结构示意图。图3为本实用新型第二具体实施方式
的结构示意图。附图标记说明
权利要求1.新型光纤气体感测装置，包括激光源0 和用于接收要检测气体的气室(10)，其特 征在于在气室(10)的外壁表面上螺旋缠绕着曲线型壳体G)，布设在所述的曲线型壳体 (4)内部相对两侧的多个A侧变形齿G-1)和多个B侧变形齿G-2)，所述的A侧变形齿 (4-1)和B侧变形齿(4- 呈交错布设，A侧变形齿(4-1)和B侧变形齿(4- 对应布设在 信号光纤(6)的两侧，信号光纤(6)的通过延长光纤(1)接测试单元(5)。
2.按照权利要求1所述的新型光纤气体感测装置，其特征在于所述的曲线型壳体(4) 内部布设有变形齿的相对A、B两侧是互相平行的，并同时与气室(10)的轴向平行。
3.按照权利要求2所述的新型光纤气体感测装置，其特征在于所述的A、B两侧中的 一侧距离气室(10)中心轴距离相对另一侧更近。
4.按照权利要求1所述的新型光纤气体感测装置，其特征在于所述的曲线型壳体(4) 的A侧和B侧之间由弹性材料连接。
5.按照权利要求1所述的新型光纤气体感测装置，其特征在于所述的曲线型壳体(4) 的A侧和B侧之间除了在曲线型壳体(4)的两端处连接外，曲线型壳体⑷中间部位的A 侧和B侧之间没有连接。
6.按照权利要求1所述的新型光纤气体感测装置，其特征在于位于所述的曲线型壳 体的A侧变形齿(4-1)和B侧变形齿(4-2)之间的信号光纤(6)的一端安置有光反射 装置(46)。
7.按照权利要求6所述的新型光纤气体感测装置，其特征在于所述的信号光纤(6) 的另一端与1X2分路器G5)的1 口连接，1X2分路器05)的2 口与测试单元(5)的连接。
8.按照权利要求1所述的新型光纤气体感测装置，其特征在于二个或二个以上的缠 绕在不同气室(10)上的曲线型壳体中的信号光纤(6)串联在一根光纤。
9.按照权利要求1所述的新型光纤气体感测装置，其特征在于所述的气室(10)采用 低温度膨胀系数的材料。
10.按照权利要求1所述的新型光纤气体感测装置，其特征在于所述的曲线型壳体 (4)的全部或部分通过胶黏剂或焊接的方法固定于气室(10)的外表面上。
专利摘要本实用新型公开了一种基于光声光谱技术的新型光纤气体感测装置，包括激光源(25)、气室(10)，控制激光源(25)发光频率的频率发生器(40)、锁定放大器(7)和计算气体浓度的处理单元(50)，其特征是在气室(10)的外表面上缠绕着曲线型壳体(4)，由于气室(10)在待测气体声压力波下的改变而带动曲线型壳体的内部A侧变形齿(4-1)和B侧变形齿(4-2)之间的距离变化，导致夹持在A、B两侧变形齿之间的信号光纤(6)的弯曲曲率变化，从而改变了信号光纤(6)的微弯损耗，通过测试单元(5)得到信号光纤(6)的微弯损耗变化，最后由处理单元(50)计算得到待测气体浓度。本装置精度高、成本低、易于复用组网，具有广阔的应用前景。
文档编号G01N21/31GK201819873SQ20102028091
公开日2011年5月4日 申请日期2010年7月30日 优先权日2010年7月30日
发明者杜兵 申请人:西安金和光学科技有限公司