一种基于空芯光纤熔球的气体传感器

技术领域

本发明涉及气体检测技术领域，更具体的说是涉及一种基于空芯光纤熔球的气体传感器。

背景技术

激光红外光谱吸收技术除了可用于近海海面、大气环境等区域内气体浓度的遥测感知，还可实现对特定气体浓度和组分的原位检测和分析。通过将光纤传感技术和激光红外激光技术结合实现气体测量，可以极大地简化气体光谱的检测系统。空芯光纤利用光子禁带效应传输光，其空气孔结构可以将95％以上的光能量限制在空芯内传输，为气体激光吸收光谱检测提供了天然气池，可以基于吸收光谱、声光光谱等机理实现气体探测。通过对空芯结构进行气体填充，可以保证气体和入射光充分作用，得到高灵敏的气体传感器件。

目前，基于空芯光纤的高灵敏度气体浓度MZI传感器结构主要集中于单模光纤和空芯光纤的直熔结构。这种结构的高阶模式是通过空芯光纤本身对光的发散以及单模和空芯光纤纤芯模式的不匹配产生，因此光的耦合效率较低、传感器灵敏度不高。

因此，如何激发高阶模式以便于实现高效的光耦合提高传感器灵敏度是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于空芯光纤熔球的气体传感器，采用熔球结构实现激光高阶模的激发的同时提供了相位匹配调节，进而有助于提高光的耦合效率以及传感器灵敏度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于空芯光纤熔球的气体传感器，包括光源、散射组件和分析装置；所述光源发射激光至所述散射组件，与所述散射组件内的待测气体发生散射，所述分析装置接收散射后的光谱，分析待测气体浓度；

所述散射组件包括第一单模光纤、空芯光纤和第二单模光纤；所述第一单模光纤和所述第二单模光纤分别连接于所述空芯光纤的两端；

所述第一单模光纤和所述空芯光纤的连接端具有第一熔球，用于将射向所述第一熔球的激光激发成高阶模式。

进一步的，所述第二单模光纤和所述空芯光纤的连接端具有第二熔球，用于将高阶模激光和基膜激光耦合至所述第二单模光纤。

进一步的，所述第一熔球和所述第二熔球均由不同材料的光纤熔合而成。

进一步的，所述空芯光纤的表面挖设有气孔，用于供待测气体流通。

进一步的，所述气孔设置在与所述第一熔球和/或所述第二熔球相邻接。

进一步的，所述气孔包括进气口和出气口，所述进气口用于通入待测气体，所述出气口用流出待测气体。

一种基于空芯光纤熔球的气体传感器制备方法，包括以下步骤：

将第一单模光纤的一端与光源连接，另一端与空芯光纤对齐；

采用熔接机对第一单模光纤和空芯光纤的对齐位置进行放电，形成第一熔球；

所述空芯光纤通过第二单模光纤与分析装置连接。

进一步的，步骤还包括：采用熔接机对所述空芯光纤和所述第二单模光纤的连接位置进行放电，形成第二熔球。

进一步的，在进行放电时，通过设置放电参数，控制所述第一熔球和/或所述第二熔球的形状大小。

进一步的，所述放电参数包括放电强度范围、放电时间、放电次数和放电位置中的一种或多种。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于空芯光纤熔球的气体传感器，光源输出的入射光通过第一单模光纤进入第一熔球结构后，入射到球体的时候光进行两部分传输，一部分经过球心沿着纤芯方向直线传输；另一部分光由于球体发生散射进入包层，实现高阶模式激发。需要说明的是，由于空芯光纤球心区域折射率小于包层，因此相比于单模光纤纤芯折射率，经过空芯光纤的光其速度更快。因此，相比于传统的花生型单模光纤和单模光纤熔球，本发明的熔球结构由于球型折射率分布不均匀，不仅有利于高阶模的激发，更有利用球心传输的光和包层模传输的光产生大的光程差而发生干涉。此现象解决了在实际应用中，为了保持高灵敏度的情况下，制备体积小传感器的难题。整个过程中，由于基模和高阶模式之间存在光程差，满足相位匹配条件，提高光的耦合效率从而在光谱分析装置上产生干涉光谱，通过光谱上不同干涉谷波长的偏移来实现对甲烷浓度的测量，使灵敏度也随之提升。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的一种基于空芯光纤熔球的气体传感器结构示意图；

图2附图为光谱随甲烷浓度变化的偏移情况示意图；

图3附图为本发明中实施提供的气孔布置示意图；

图4附图为本发明光路传输示意图；

图5附图为透射波长偏移和熔球长度关系图；

图6附图为本发明中熔球结构的制作效果示意图；

其中，1-光源，2-第一单模光纤，3-第一熔球；4-进气口，5-空芯光纤，6-出气口；7-第二熔球，8-第二单模光纤，9-分析装置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明实施例公开了一种基于空芯光纤5熔球的气体传感器，包括光源1、散射组件和分析装置9；光源1发射激光至散射组件，与散射组件内的待测气体发生散射，分析装置9接收散射后的光谱，分析待测气体浓度；散射组件包括第一单模光纤2、空芯光纤5和第二单模光纤8；第一单模光纤2和第二单模光纤8分别连接于空芯光纤5的两端；第一单模光纤2和空芯光纤5的连接端具有第一熔球3，用于将射向第一熔球3的激光激发成高阶模式。

其中，分析装置9为光谱分析仪，光源1可采用宽带光源，保证激光发射的稳定性；第一单模光纤2通过FC/APC接头连接至宽带光源；第二单模光纤8也是通过FC/APC接头与分析装置9连接；从第二单模光纤8输出的光谱特征信号包含模式干涉形成的干涉峰，通过对干涉谷波长随甲烷浓度的变化来检测甲烷浓度的大；分析装置9通过分析光谱计算待测气体浓度，待测气体可以是甲烷。如图2所示，观察光谱仪上波谷的位置，当甲烷浓度发生变化，光谱仪上波谷位置发生左移(蓝移)，因此，通过波谷位置即可得知甲烷的浓度。

在一种实施例中，第二单模光纤8和空芯光纤5的连接端具有第二熔球7，用于将高阶模激光和基膜激光耦合至第二单模光纤8；其中，第一熔球3和第二熔球7均由不同材料的光纤熔合而成。球型的结构不仅激发了更多的高阶模式，而且由于两种类型光纤熔接，使得球心的折射率分布不均匀，使得传输光的传播速度不同。其中，高阶模式对气体传感有着极高的灵敏度，使得灵敏度有了质的提升。光的传播速度不同，使得通过不同途径的光更容易产生光程差而发生干涉。

如图3，在本实施例中，空芯光纤5的表面挖设有气孔，用于供待测气体流通。孔包括进气口4和出气口6，进气口4用于通入待测气体，出气口6用流出待测气体。

其中，对于进气口4和出气口6的布置，进气口4和出气口6可位于空芯关系的同侧或一侧，且应至少包括一个进气口4和一个出气口6。例如，设置两个进气口4和一个出气口6，两个进气口4分别设置于空芯光纤5上侧表面的左端和右端临近熔球结构的位置，出气口6设置于空芯光纤5下册表面的中间位置。

此外，通过改变出气口6的位置，可以使待测气体通入空芯光纤5的浓度分布更加均匀。

图4是本气体传感器光路传输示意图，由图可知，通过单模和空芯光纤5熔球，其球心区域折射率分布不均匀，导致进入球心的光可以产生更大的时延特性(相比于均匀折射率分布的球心)。通过控制球体大小，就可以控制进入球心光场分布的特性，为调节传感器的气体探测灵敏度增加了新的控制条件。

具体的，光源1输出的入射光通过第一单模光纤2进入第一熔球3后，激发部分高阶模式，再通过耦合作用进入空芯光纤5，然后入射光经过第二熔球7耦合回到第二单模光纤8。整个过程中，由于基模和高阶模式之间存在光程差，满足相位匹配条件，从而在分析装置9上产生干涉光谱，通过光谱上不同干涉谷波长的偏移来实现对甲烷浓度的测量。

图5为保持第二球体不变，当改变第一球体长度大小时，传感器波长偏移和长度大小的关系图。由图可知，通过改变球体大小就可以实现对于透射波长的偏移，以此实现传感器灵敏度的可调谐。

本发明的工作原理为：

入射光通过第一单模光纤2穿过第一球型结构时，部分光泄漏到包层中以激发高阶模式，其他光继续在球心中以基模的形式传输。当光进入到空芯光纤5中传输时，由于甲烷气体不同浓度的注入，空芯光纤5内部折射率发生变化，那么入射光由于气体的注入就会产生吸收和传输特性的变化。光到达第二球型结构时，两种光模式互相耦合、分裂，然后光被注入到第二单模光纤8的核心。整个过程中，由于基模和高阶模式之间存在光程差，而不同光纤的熔球更加剧了光程差的变化，使得传感器更容易满足相位匹配条件，从而在光谱分析仪上产生干涉光谱。我们通过光谱上干涉谷波长的偏移来实现对甲烷浓度的测量。

实施例2

本发明实施例公开一种基于空芯光纤5熔球的气体传感器制备方法，该方法可用于对实施例1中所公开的气体传感器，包括以下步骤：

S1：将第一单模光纤2的一端与光源1连接，另一端与空芯光纤5对齐；具体的，第一单模光纤2的左端通过FC/APC接头与宽带光源相连，再使用熔接机将第一单模光纤2的右端和空芯光纤5的左端对齐。

S2：采用熔接机对第一单模光纤2和空芯光纤5的对齐位置进行放电，形成第一熔球3；具体的，熔接机可以选用光纤熔接机(FURUKAWAS178C)，选择手工熔接模式(放电强度范围：130-150，放电时间:750-950ms)。通过放电将单模光纤和空芯光纤5一起熔成球型，其中空芯光纤5长度为0.6cm。球型结构的长半径为230.35μm，短半径为150.50μm。球形结构的直径可以由熔接器的放电强度和放电次数控制，所以本结构是可重复的。

S3：空芯光纤5通过第二单模光纤8与分析装置9连接；第二单模光纤8通过FC/APC接头与光谱分析仪相连，光谱分析仪的分辨率为0.02nm。

在一种实施例中，步骤还包括：

S4：采用熔接机对空芯光纤5和第二单模光纤8的连接位置进行放电，形成第二熔球7。我们S2中的熔接方法，在空芯光纤5的另一端生成第二熔球7。第二熔球76的长半径为234.15μm，短半径为110.05μm。

在本实施例中，在进行放电时，通过设置放电参数，控制第一熔球3和/或第二熔球7的形状和尺寸大小。放电参数包括放电强度范围、放电时间、放电次数和放电位置中的一种或多种。

在本实施例中，利用激光器打孔技术在空芯光纤5两端打孔，孔径为20μm，深度为40μm，左端孔为进气口4，通入甲烷气体，右端孔为出气口6，用于检测气体流出浓度。

本发明通过对不同光纤进行熔球，然后进行熔接，使得球型结构球心区折射率的分布不同，一部分折射率为单模光纤纤芯折射率，另一部分主要为空气，折射率为1。当光从单模光纤入射到球体的时候光进行两部分传输，一部分经过球心沿着纤芯方向直线传输；另一部分光由于球体发生散射进入包层，实现高阶模式激发。由于空芯光纤球心区域折射率小于包层，因此相比于单模光纤纤芯折射率，经过空芯光纤的光其速度更快。因此，相比于传统的花生型单模光纤和单模光纤熔球，本发明的熔球结构由于球型折射率分布不均匀，不仅有利于高阶模的激发，更有利用球心传输的光和包层模传输的光产生大的光程差而发生干涉。此现象解决了在实际应用中，为了保持高灵敏度的情况下，制备体积小传感器的难题。同时，这种结构极大的提高了光纤气体传感器的实用性，在生产中具有极大的应用前景，为高灵敏度、小型化的气体传感器制备提供了思路和方法。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。