一种强度解调型光纤气体传感装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光纤传感器领域，涉及一种强度解调型光纤气体传感装置。
【背景技术】
[0002]随着人们生活水平的不断提高和对环保的日益重视，人们越来越重视气体传感器的发展。因为不仅在石油、采矿、半导体工业等工矿企业中监测硫化氢、一氧化碳、氯气、甲烷和可燃的碳氢化合物等有毒和可燃性气体的浓度，而且在汽车工业中检测二氧化碳、二氧化硫和一氧化碳等废气浓度中，气体传感器都发挥着重要的作用。目前，传统的气体传感如电化学气体传感器、半导体气体传感器、气相色谱法气体传感器。电化学气体传感器可应用于便携式测量，但其结构复杂，受温度影响较大。半导体气体传感器具有很好的灵敏度，但其稳定性较差，受环境影响较大。气相色谱法气体传感器的选择性好，性质相近的物质也可分离出来，但检测速度慢是其缺陷。所以，传统的气体传感器不能同时兼具便于携带、结构制造简单、灵敏度高、抗外界环境干扰、选择性好，反应速度快等功能。
[0003]随着光纤传感技术的发展，人们开始利用光纤传感器测量气体浓度。光纤气体传感器灵敏度高，频带宽，动态范围大，传输损耗小，适合于长距离的在线测量，适合于测量易燃易爆气体或工作于易燃环境及强电磁干扰环境，传感单元结构简单，造价低，易于组成光纤传感网络，如光谱吸收型、荧光型、瞬逝场型光纤气体传感器等。光谱吸收型光纤传感器克服了传统传感器在测量可燃气体时容易发生爆炸的危险，并且使测量灵敏度得到提高，但光谱吸收型传感器光路复杂，体积大，不适宜搬运，因此在实际运用中受到限制。荧光型光纤气体传感器对被测物质的鉴别性好，但是检测系统复杂，成本较高。瞬逝场型光纤传感器体积小、架构简单，但是瞬逝场内的任何物质都会引起其光功率的减弱，容易引起误测。现有的光纤气体传感器专利，结构复杂，工艺要求高，有些不是全光纤结构，并且其光电处理单元繁复，采用光谱仪进行信息输出也使得传感系统不便于携带，并且提高了成本。公开号为CN101710068A的发明专利“一种基于傅里叶变换光谱术的光纤气体传感器”，气室的结构使得光程增加，但是稳定性变差，且该传感器信号处理的过程要将干涉光谱转化为傅里叶信号，信号处理的复杂过程增加了传感器的成本。公开号为CN2581979Y的实用新型专利“光纤气体传感器”，该结构不是全光纤传感结构，制备工艺复杂，成本高，制造过程中容易出现误差，而且锥形棱镜组的结构不利于在抖动环境下进行测量，使该传感器不便于携带，所以为野外现场测量带来了难度。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种强度解调型光纤气体传感装置，该装置具有信号处理简单，体积小，成本低等优点。
[0005]为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为:一种强度解调型光纤气体传感装置，包括宽带光源(I)、光纤耦合器(2)、空芯光纤(3)、长周期光纤光栅(4)、光环形器(5)、啁啾光纤光栅(6)、第一光电探测器(7)和第二光电探测器(8)、单片机(9);宽带光源(I)的输出端与光纤親合器(2)的输入端(201)连接，光纤親合器(2)的第一输出端(202)与空芯光纤(3)的输入端连接，空芯光纤(3)的输出端与长周期光纤光栅⑷的输入端连接，长周期光纤光栅(4)的输出端与光环形器(5)的输入端(501)连接，光环形器(5)的第一输出端(502)与啁啾光纤光栅(6)的输入端连接，第一光电探测器(7)的输入端与光环行器(5)的第二输出端(503)连接，第二光电探测器(8)的输入端与光纤耦合器(2)的第二输出端(203)连接，第一光电探测器(7)的输出端和第二光电探测器⑶的输出端接入单片机(9)。
[0006]所述的光纤親合器(2)为1*2的親合器，且第一输出端(202)与第二输出端(203)的分光比为90: 10。
[0007]所述的空芯光纤(3)的纤芯(301)直径为50-80 μ m，长度为100-200 μ m ;空芯光纤(3)上均匀分布有小孔(302)，小孔(302)直径为10-20 μ m，间距为30 μ m ;气体通过小孔(302)进入空芯光纤的纤芯(301)，与光发生相互作用。
[0008]所述的纤芯(301)作为F-P腔，产生干涉光谱。
[0009]所述的长周期光纤光栅(4)周期数为40，栅区长度为l-2cm，谐振波长为1554nm，谐振波长处衰减幅度为30dB。
[0010]所述的啁啾光纤光栅(6)栅区长度为l-2cm，中心波长为1556nm，反射带宽为4nm。
[0011]所述的第一光电探测器(7)和第二光电探测器(8)的最小分辨率为0.02 μ W0
[0012]一种强度解调型光纤气体传感装置的传感方法，待测气体经空芯光纤(3)上的小孔(302)进入纤芯(301)，光在纤芯(301)的两侧端面之间多次反射形成F-P干涉，从空芯光纤(3)的输出端输出，并且输出干涉光谱的峰值波长根据气体的浓度会发生不同大小的移动；空芯光纤(3)的输出光经过长周期光纤光栅(4)时，长周期光纤光栅(4)的中心谐振波长1554nm至右肩平坦区的一段波长范围1554_1558nm起到线性边缘滤波器的作用，把波长移动转化为光强的变化；啁啾光纤光栅(6)的反射光谱范围限制在波长范围1554-1558nm内，起到带通滤波器的作用，经啁啾光纤光栅(6)反射的光由光环行器(5)的第二输出端(503)输出，进入第一光电探测器(7)得到光强，通过预先标定的光强-气体浓度线性关系获得待测气体浓度大小。
[0013]本发明的有益之处在于:
[0014]1.采用强度解调的方法测量气体浓度，信号处理简单、快捷，提高了传感装置的实用性。
[0015]2.使用光电探测器代替一般传感系统中的光谱仪，降低了仪器成本，减小了传感装置的体积，便于携带。
[0016]3.采用双光束参考测量的方法，可以补偿光源本身波动的影响，实现精确测量。
[0017]4.采用全光纤传感头结构测量气体浓度，体积小，灵敏度高。
【附图说明】
[0018]下面结合附图及具体的实施方式对本发明作进一步说明。
[0019]图1为本发明的装置图；
[0020]图2为本发明的空芯光纤3的示意图；
[0021]图3为本发明的二氧化碳气体不同浓度下的F-P输出光谱图；
[0022]图4为本发明的波长移动转化为光强变化示意图。
[0023]附图中，1:宽带光源；2:光纤親合器；201:光纤親合器的输入端；202:光纤親合器的第一输出端；203:光纤親合器的第二输出端；3:空芯光纤；301:纤芯；302:小孔；4:长周期光纤光栅；5:光环行器；501:光环行器的输入端；502:光环行器的第一输出端；503:光环行器的第二输出端；6:啁啾光纤光栅；7:第一光电探测器8:第二光电探测器；9:单片机；
[0024]具体实施方法
[0025]图1中，包括宽带光源1、光纤耦合器2、空芯光纤3、长周期光纤光栅4、光环形器
5、啁啾光纤光栅6、第一光电探测器7和第二光电探测器8、单片机9 ;宽带光源I的输出端与光纤親合器2的输入端