气体传感器及用于检测氟化氢气体浓度变化的方法与流程

本发明涉及光纤气体传感技术，尤其涉及一种气体传感器及用于检测氟化氢气体浓度变化的方法。

背景技术：

氟化氢是配电设备中绝缘介质六氟化硫的主要分解物之一。通常采用空间光谱吸收法进行测量，为了提高灵敏度需要大体积气室，导致仪器体积庞大，难以实现在线检测。

技术实现要素：

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于此，本发明提供了一种气体传感器及用于检测氟化氢气体浓度变化的方法，以至少解决现有氟化氢检测技术存在仪器体积庞大、难以实现在线检测的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于空芯光纤光热、F-P腔和环形衰荡腔的气体传感器，气体传感器包括第一激光器、第二激光器、偏振器、电光调制器、第一隔离器、第一EDFA、第二隔离器、第一滤波器、F-P腔、环形器、第一耦合器、第二耦合器、第二EDFA、第二滤波器、第三耦合器和探测器；第一耦合器和第二耦合器的分光比均为50：50，第三耦合器的分光比为1：99；F-P腔的空芯光纤纤芯内充有氟化氢气体；其中，第一耦合器、第二耦合器、环形器、F-P腔、第二EDFA、第二滤波器和第三耦合器构成环形腔；第二激光器的输出波长与氟化氢的吸收谱峰重合；第二激光器发出的泵浦光经第一EDFA、第二隔离器和第一滤波器后，再经第二耦合器的第一50％输入端和环形器后进入空芯光纤，并与空芯光纤内的氟化氢相互作用；第一激光器的输出波长与氟化氢的吸收谱最低处重合；第一激光器发出的信号光经偏振器和电光调制器后变为脉冲信号光；从电光调制器输出的脉冲信号光经第一隔离器后经第一耦合器的第一50％输入端和第二耦合器的第二50％输入端后进入环形腔，经环形器后进入F-P腔，并由F-P腔反射后经第二EDFA、第二滤波器后进入第三耦合器，经第三耦合器后的脉冲信号光分成两部分：从第三耦合器的99％输出端输出的脉冲信号光经第一耦合器的50％输入端后在环形腔内完成一次循环，而从第三耦合器的1％输出端输出的脉冲信号光由探测器接收。

进一步地，脉冲信号光的脉宽和周期以及环形腔的长度被设置成：使脉冲信号光在环形腔内循环一周所需的时间t_r在脉冲信号光的脉宽的2-10倍范围内、且在脉冲信号光的周期的1/50-1/20范围内。

进一步地，F-P腔包括长度为第一预设长度的一段空芯光纤；该段空芯光纤的一端与第一单模光纤的一端相熔接，对应的熔接面作为第一反射面；该段空芯光纤的另一端与第二单模光纤的一端相熔接，对应的熔接面作为第二反射面；在空芯光纤的侧面上距离第一反射面第一距离处开有第一孔，第一孔使得空芯光纤内纤芯与外界连通；在空芯光纤的侧面上距离第二反射面第二距离处开有第二孔，第二孔使得空芯光纤内纤芯与外界连通。

进一步地，第一激光器和泵浦激光器均为DFB激光器。

根据本发明的另一方面，还提供了一种用于检测氟化氢气体浓度变化的方法，该方法利用上文所述的基于空芯光纤光热、F-P腔和环形衰荡腔的气体传感器实现，基于空芯光纤光热、F-P腔和环形衰荡腔的气体传感器包括第一激光器、第二激光器、偏振器、电光调制器、第一隔离器、第一EDFA、第二隔离器、第一滤波器、F-P腔、环形器、第一耦合器、第二耦合器、第二EDFA、第二滤波器、第三耦合器和探测器；第一耦合器和第二耦合器的分光比均为50：50，第三耦合器的分光比为1：99；F-P腔的空芯光纤纤芯内充有氟化氢气体；其中，第一耦合器、第二耦合器、环形器、F-P腔、第二EDFA、第二滤波器和第三耦合器构成环形腔；第二激光器的输出波长与氟化氢的吸收谱峰重合；第二激光器发出的泵浦光经第一EDFA、第二隔离器和第一滤波器后，再经第二耦合器的第一50％输入端和环形器后进入空芯光纤，并与空芯光纤内的氟化氢相互作用；第一激光器的输出波长与氟化氢的吸收谱最低处重合；第一激光器发出的信号光经偏振器和电光调制器后变为脉冲信号光；从电光调制器输出的脉冲信号光经第一隔离器后经第一耦合器的第一50％输入端和第二耦合器的第二50％输入端后进入环形腔，经环形器后进入F-P腔，并由F-P腔反射后经第二EDFA、第二滤波器后进入第三耦合器，经第三耦合器后的脉冲信号光分成两部分：从第三耦合器的99％输出端输出的脉冲信号光经第一耦合器的50％输入端后在环形腔内完成一次循环，而从第三耦合器的1％输出端输出的脉冲信号光由探测器接收；用于检测氟化氢气体浓度变化的方法包括：获得探测器16相邻两次接收到脉冲信号光之间的时间差，将该时间差作为脉冲信号光在环形腔中传输一圈所用的时间t_r；获得探测器16所接收的脉冲信号光的衰荡时间的变化量Δτ；根据下式计算空芯光纤内氟化氢气体浓度的变化量ΔC：

其中，k为预设常数，α为氟化氢对泵浦光的吸收系数，l为空芯光纤的长度，P为空芯光纤内泵浦光的平均功率。

进一步地，脉冲信号光的脉宽和周期以及环形腔1的长度被设置成：使脉冲信号光在环形腔1内循环一周所需的时间t_r在脉冲信号光的脉宽的2-10倍范围内、且在脉冲信号光的周期的1/50-1/20范围内。

本发明的基于空芯光纤光热、F-P腔和环形衰荡腔的气体传感器及用于检测氟化氢气体浓度变化的方法，将空芯光纤光热技术、F-P腔干涉技术与环形腔衰荡光谱技术相结合，其中，环形腔由第一耦合器、第二耦合器、环形器、F-P腔、第二EDFA、第二滤波器和第三耦合器构成，F-P腔空芯光纤的纤芯内充有氟化氢气体。泵浦激光器输出波长与氟化氢的吸收谱峰重合，使得泵浦光经第一EDFA、第二隔离器和第一滤波器后，再经第二耦合器和环形器后进入空芯光纤，并与空芯光纤内的氟化氢相互作用。氟化氢吸收泵浦光后温度增加，导致F-P腔的光程增大，进而导致F-P腔的反射谱变化。氟化氢的浓度越高，F-P腔的反射谱变化越大。

如上所述，通过将空芯光纤光热技术、F-P腔干涉技术以及光纤环形腔衰荡光谱技术相结合，大大提高了被测气体的探测灵敏度，降低了光源起伏对测量结果的影响。其中，信号光经F-P腔产生干涉，干涉后信号光的光强随F-P腔光程的变化而变化，导致环形腔的损耗和衰荡时间变化。空芯光纤内氟化氢浓度决定F-P腔光程的变化，可通过测量环形腔的衰荡时间来获得氟化氢的浓度。

相比于现有技术，本发明的基于空芯光纤光热、F-P腔和环形衰荡腔的气体传感器及用于检测氟化氢气体浓度变化的方法，采用空芯光纤作为气室，即实现了被测气体的长距离吸收和在线检测，又实现了气室的小型化。

此外，本发明的基于空芯光纤光热、F-P腔和环形衰荡腔的气体传感器及用于检测氟化氢气体浓度变化的方法，避免了基于法拉第效应电流传感器的双折射问题，解决了基于超磁致伸缩材料电流传感器磁滞回线的问题。本发明的双锥形导磁回路，使被测导线产生的磁场汇聚到传感头上，大大提高了传感头处电流到磁场的转化效率及电流测量灵敏度。

通过以下结合附图对本发明的最佳实施例的详细说明，本发明的这些以及其他优点将更加明显。

附图说明

本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。在附图中：

图1是示意性地示出本发明的基于空芯光纤光热、F-P腔和环形衰荡腔的气体传感器的一个示例的结构图；

图2是示出光纤微腔传感头结构的一个示例的示意图；

图3是探测器接收到的脉冲光信号的衰荡时间示意图。

本领域技术人员应当理解，附图中的元件仅仅是为了简单和清楚起见而示出的，而且不一定是按比例绘制的。例如，附图中某些元件的尺寸可能相对于其他元件放大了，以便有助于提高对本发明实施例的理解。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

本发明的实施例提供了一种基于空芯光纤光热、F-P腔和环形衰荡腔的气体传感器，气体传感器包括第一激光器、第二激光器、偏振器、电光调制器、第一隔离器、第一EDFA、第二隔离器、第一滤波器、F-P腔、环形器、第一耦合器、第二耦合器、第二EDFA、第二滤波器、第三耦合器和探测器；第一耦合器和第二耦合器的分光比均为50：50，第三耦合器的分光比为1：99；F-P腔的空芯光纤纤芯内充有氟化氢气体；其中，第一耦合器、第二耦合器、环形器、F-P腔、第二EDFA、第二滤波器和第三耦合器构成环形腔；第二激光器的输出波长与氟化氢的吸收谱峰重合；第二激光器发出的泵浦光经第一EDFA、第二隔离器和第一滤波器后，再经第二耦合器的第一50％输入端和环形器后进入空芯光纤，并与空芯光纤内的氟化氢相互作用；第一激光器的输出波长与氟化氢的吸收谱最低处重合；第一激光器发出的信号光经偏振器和电光调制器后变为脉冲信号光；从电光调制器输出的脉冲信号光经第一隔离器后经第一耦合器的第一50％输入端和第二耦合器的第二50％输入端后进入环形腔，经环形器后进入F-P腔，并由F-P腔反射后经第二EDFA、第二滤波器后进入第三耦合器，经第三耦合器后的脉冲信号光分成两部分：从第三耦合器的99％输出端输出的脉冲信号光经第一耦合器的50％输入端后在环形腔内完成一次循环，而从第三耦合器的1％输出端输出的脉冲信号光由探测器接收。

图1给出了本发明的基于空芯光纤光热、F-P腔和环形衰荡腔的气体传感器的一个示例的结构图。

如图1所示，在该示例中，基于空芯光纤光热、F-P腔和环形衰荡腔的气体传感器包括第一激光器1、第二激光器2、偏振器3、电光调制器4、第一隔离器5、第一EDFA 6、第二隔离器7、第一滤波器8、F-P腔9、环形器10、第一耦合器11、第二耦合器12、第二EDFA 13、第二滤波器14、第三耦合器15和探测器16。

其中，第一耦合器11和第二耦合器12的分光比均为50：50，而第三耦合器15的分光比为1：99。

F-P腔9例如可以具有如图2所示的结构，也即，F-P腔9可以包括长度为第一预设长度(如5mm－10m)的一段空芯光纤，该段空芯光纤的一端与一段单模光纤(如图2中的第一单模光纤)的一端相熔接(该熔接面作为第一反射面)，该段空芯光纤的另一端与另一段单模光纤(如图2中的第二单模光纤)的一端相熔接(该熔接面作为第二反射面)。在空芯光纤的侧面上距离第一反射面第一距离(如2mm－3mm)处开有第一孔(如图2中的孔A，例如可通过飞秒激光打此孔)，第一孔使得空芯光纤内纤芯与外界连通。此外，在空芯光纤的侧面上距离第二反射面第二距离(如2mm－3mm)处开有第二孔(如图2中的孔B，例如可通过飞秒激光打此孔)，第二孔使得空芯光纤内纤芯与外界连通。其中，第一孔和第二孔所在侧面可以不同，如图2所示，第一孔在空芯光纤图中的上侧，而第二孔在空芯光纤图中的下侧。F-P腔9的空芯光纤纤芯内充有氟化氢气体。采用如图2所示的结构，实现了被测气体的长距离吸收和在线检测，又实现了气室的小型化。

F-P腔的制作流程如下：如图2所示的光纤微腔传感头所示，首先将普通单模光纤与空芯光纤熔接放电的强度是正常情况下熔接两根普通单模光纤强度相同；然后以熔接点为起点截取长度在5mm－10m之间的一段空芯光纤，将此段空芯光纤的自由端与普通单模熔接(空芯光纤的外径与普通光纤尺寸相同，为125um)，是正常情况下熔接两根普通单模光纤强度相同，这样两单模光纤之间的第一反射面(熔接面)和第二反射面(熔接面)就构成了F-P腔；然后在距离两反射面各2mm－3mm处的空芯光纤的侧面上各开一小孔(可飞秒激光打此孔)，使其与空芯光纤的空芯相连通；被测气体通过此两孔进入空芯光纤。

在图1中，第一耦合器11、第二耦合器12、环形器10、F-P腔9、第二EDFA 13、第二滤波器14和第三耦合器15构成环形腔。

第二激光器2例如为DFB激光器，其输出波长与氟化氢的吸收谱峰重合，以使泵浦光能够尽量多地被氟化氢吸收(即使得氟化氢对泵浦光的吸收率最大化)。第二激光器6发出的泵浦光经第一EDFA6、第二隔离器7和第一滤波器8后，再经第二耦合器12的第一50％输入端和环形器10后进入空芯光纤，并与空芯光纤内的氟化氢相互作用。氟化氢吸收泵浦光后温度增加，导致F-P腔9的光程增大，进而导致F-P腔9的反射谱变化。氟化氢的浓度越高，F-P腔9的反射谱变化越大。

第一激光器1例如为DFB激光器，其输出波长与氟化氢的吸收谱最低处重合，以使得信号光能够尽可能不被氟化氢所吸收(即使得氟化氢对信号光的吸收率最小化)。第一激光器1发出的信号光经偏振器3和电光调制器4后变为脉冲信号光；从电光调制器4输出的脉冲信号光经第一隔离器5后经第一耦合器11的第一50％输入端和第二耦合器12的第二50％输入端后进入环形腔10，经环形器10后进入F-P腔9，并由F-P腔9反射后经环形器10、第二EDFA 13、第二滤波器14后进入第三耦合器15，经第三耦合器15后的脉冲信号光分成两部分：从第三耦合器15的99％输出端输出的脉冲信号光经第一耦合器11的50％输入端后在环形腔内完成一次循环，而从第三耦合器15的1％输出端输出的脉冲信号光由光电探测器(即探测器16)接收。脉冲信号光在环形腔内多次循环衰减，因此光电探测器接收的信号光为衰荡的脉冲信号。

信号光经F-P腔9产生干涉，干涉后信号光的光强随F-P腔9光程的变化而变化，导致环形腔的损耗和衰荡时间变化。空芯光纤内氟化氢浓度决定F-P腔光程的变化，可通过测量环形腔的衰荡时间来获得氟化氢的浓度。

其中，上述“从第三耦合器15的99％输出端输出的脉冲信号光经第一耦合器11的50％输入端后在环形腔内完成一次循环”的这部分脉冲信号光通过第一耦合器11的50％输入端后继续在环形腔中进行下一次循环，依旧经第二耦合器12的第二50％输入端后进入环形腔10，经环形器10后进入F-P腔9，并由F-P腔9反射后经环形器10、第二EDFA 13、第二滤波器14后进入第三耦合器15，经第三耦合器15后依旧分为两部分，即被探测器16接收的部分(从第三耦合器15的1％输出端输出)和继续在环形腔中进行下一次循环的部分(从第三耦合器15的99％输出端输出)；依此类推，脉冲信号光在环形腔内多次循环衰减，同样使得探测器16接收的信号光为衰荡的脉冲信号。

第二滤波器14的作用是过滤掉残余的泵浦光。

根据一个实现方式，通过控制脉冲信号光的脉宽和周期以及环形腔的长度，使脉冲信号光在环形衰荡腔(即环形腔)内循环一周所需的时间t_r为脉冲光脉宽的2-10倍、且是脉冲光周期的1/50-1/20。也就是说，将脉冲信号光的脉宽记为W_S，将脉冲信号光的周期记为T_S，则有：2W_S≤tr≤10W_S，且T_S/50≤t_r≤T_S/20。

此外，本发明的实施例还提供了一种用于检测氟化氢气体浓度变化的方法，该方法利用上文所述的基于空芯光纤光热、F-P腔和环形衰荡腔的气体传感器实现，基于空芯光纤光热、F-P腔和环形衰荡腔的气体传感器包括第一激光器、第二激光器、偏振器、电光调制器、第一隔离器、第一EDFA、第二隔离器、第一滤波器、F-P腔、环形器、第一耦合器、第二耦合器、第二EDFA、第二滤波器、第三耦合器和探测器；第一耦合器和第二耦合器的分光比均为50：50，第三耦合器的分光比为1：99；F-P腔的空芯光纤纤芯内充有氟化氢气体；其中，第一耦合器、第二耦合器、环形器、F-P腔、第二EDFA、第二滤波器和第三耦合器构成环形腔；第二激光器的输出波长与氟化氢的吸收谱峰重合；第二激光器发出的泵浦光经第一EDFA、第二隔离器和第一滤波器后，再经第二耦合器的第一50％输入端和环形器后进入空芯光纤，并与空芯光纤内的氟化氢相互作用；第一激光器的输出波长与氟化氢的吸收谱最低处重合；第一激光器发出的信号光经偏振器和电光调制器后变为脉冲信号光；从电光调制器输出的脉冲信号光经第一隔离器后经第一耦合器的第一50％输入端和第二耦合器的第二50％输入端后进入环形腔，经环形器后进入F-P腔，并由F-P腔反射后经第二EDFA、第二滤波器后进入第三耦合器，经第三耦合器后的脉冲信号光分成两部分：从第三耦合器的99％输出端输出的脉冲信号光经第一耦合器的50％输入端后在环形腔内完成一次循环，而从第三耦合器的1％输出端输出的脉冲信号光由探测器接收；用于检测氟化氢气体浓度变化的方法包括：获得探测器16相邻两次接收到脉冲信号光之间的时间差，将该时间差作为脉冲信号光在环形腔中传输一圈所用的时间t_r；获得探测器16所接收的脉冲信号光的衰荡时间的变化量；根据公式一计算空芯光纤内氟化氢气体浓度的变化量。

公式一：

Δτ为衰荡时间τ的变化量(衰荡时间τ定义为当光电探测器探测到的脉冲信号衰减到初始脉冲能量的1/e时所需要的时间)，此量可由探测器测得的脉冲衰荡信号计算获得；t_r为光脉冲信号在环形腔中传输一圈所用的时间，此量可由探测器测得的脉冲衰荡信号计算获得；k为预设常数，可根据经验值来设定；ΔC为氟化氢气体浓度的变化量，此量为待测量；α为氟化氢对泵浦光的吸收系数，此量可测得；l为空芯光纤的长度(如范围为0.01m-10m)；P为空芯光纤内泵浦光的平均功率。基于公式一，由实验测得的脉冲衰荡时间的变化量Δτ，可计算获得氟化氢气体浓度的变化量ΔC。

本发明的用于检测氟化氢气体浓度变化的方法可以利用上文中结合图1和图2所描述的基于空芯光纤光热、F-P腔和环形衰荡腔的气体传感器实现，关于基于空芯光纤光热、F-P腔和环形衰荡腔的气体传感器的描述这里将省略。

如上文所述，打开第一激光器1和第二激光器2，使得二者开始工作，其中，第一激光器1输出的光作为信号光，而第二激光器2输出的光作为泵浦光。

第二激光器2的输出波长与氟化氢的吸收谱峰重合，泵浦光在经过第一EDFA 6、第二隔离器7、第一滤波器8、第二耦合器12和环形器10后进入F-P腔9的空芯光纤，并与空芯光纤内的氟化氢相互作用，使得部分泵浦光被氟化氢吸收。

第一激光器1的输出波长与氟化氢的吸收谱最低处重合，信号光在经过偏振器3和电光调制器4后变为脉冲信号光。

从电光调制器4输出的脉冲信号光经第一隔离器5后经第一耦合器11的第一50％输入端和第二耦合器12的第二50％输入端后进入环形腔，经环形器10后进入F-P腔，并由F-P腔反射后经第二EDFA 13、第二滤波器14后进入第三耦合器15，经第三耦合器15后的脉冲信号光分成两部分：从第三耦合器15的99％输出端输出的脉冲信号光经第一耦合器11的第二50％输入端后在环形腔内完成一次循环，而从第三耦合器15的1％输出端输出的脉冲信号光由探测器16接收。

利用以上气体传感器，可以测得探测器16每次接收到的脉冲信号光的脉冲能量，并可以得到探测器16每次接收到脉冲信号光时的接收时间。

获得探测器16相邻两次接收到脉冲信号光之间的时间差，将该时间差作为脉冲信号光在环形腔中传输一圈所用的时间t_r。例如，探测器16首次接收到脉冲信号光时的接收时间为t₁，而第二次接收到脉冲信号光时的接收时间为t₂，则可以将t₂-t₁作为t_r的值。

获得探测器16所接收的脉冲信号光的衰荡时间的变化量Δτ。图3是探测器接收到的脉冲光信号的衰荡时间示意图，其中，图3中t_r为脉冲信号光在环形腔中传输一圈所用的时间。

如图3所示，将探测器16首次接收到的脉冲信号光的脉冲能量作为初始脉冲能量E₀，探测器16接收到的脉冲信号光的脉冲能量从初始脉冲能量E₀衰减到E₀的1/e时所需的时间即为衰荡时间。这样，测得当前衰荡时间后，利用当前衰荡时间与参考衰荡时间之差，即可作为上述“探测器16所接收的脉冲信号光的衰荡时间的变化量Δτ”。

举例来说，在已知氟化氢气体浓度的情况下，测得探测器16所接收的脉冲信号光的衰荡时间τ1，作为参考衰荡时间，并将该条件下的氟化氢气体浓度作为参考浓度；在未知氟化氢气体浓度的情况下，测得探测器16所接收的脉冲信号光的衰荡时间τ2，作为上述“当前衰荡时间”，则此时得到的探测器16所接收的脉冲信号光的衰荡时间的变化量Δτ＝τ2-τ1。其中，上述参考浓度例如可以为0(即空芯光纤内未充入氟化氢)，也可以为非零值。

这样，根据公式一即可计算空芯光纤内氟化氢气体浓度的变化量ΔC。

例如，已知氟化氢气体浓度条件下的参考浓度为C1，而计算所得空芯光纤内氟化氢气体浓度的变化量ΔC，则可以得到当前空芯光纤内氟化氢气体浓度为C1+ΔC。

根据一个实现方式，脉冲信号光的脉宽和周期以及环形腔的长度可被设置成：使脉冲信号光在环形腔内循环一周所需的时间t_r在脉冲信号光的脉宽的2-10倍范围内、且在脉冲信号光的周期的1/50-1/20范围内。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。