CN201885965U - 波纹管型光纤气体感测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于光声光谱技术的波纹管型光纤气体感测装置，包括激光源(25)、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：气室(10)是波纹管型的结构，由于气室(10)在待测气体声压力波下的改变而带动布设在波纹管型气室(10)的管壁的相对两个面上的A侧变形齿(3)和B侧变形齿(4)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)测得该变化，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。
Description
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波纹管型的装置。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：一种波纹管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：气室10是波纹管型的结构，在波纹管型气室10的管壁的下凹处的相对两个面上分别布设有A侧变形齿3和B侧变形齿4，A侧变形齿3和B侧变形齿4相互交错对应，A侧变形齿3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，待测气体的温度会升高从而使气室10内部的压力增大，使波纹管型气室10管壁的下凹处的相对两个面之间的距离增大，从而使分别在所述相对两个面布设的A侧变形齿3和B侧变形齿4之间的距离改变，导致夹持在A侧变形齿3和B侧变形齿4之间的信号光纤6的弯曲曲率变化，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，此处是用分别布设在波纹管型气室10的管壁的下凹处的相对两个面上的A侧变形齿3和B侧变形齿4，以及夹持在两者变形齿间的信号光纤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。
所述的变形齿分布于波纹管型气室10的内壁上。
所述的变形齿分布于波纹管型气室10的外壁上。
所述的气室10是螺旋形结构的波纹管结构。
在所述的信号光纤6的一端安置有光反射装置，如光反射镜、光纤光栅、或在信号光纤的端面镀反射膜，或仅仅是将信号光纤的端面处理为镜面。
所述的信号光纤6的另一端通过延长光纤与1X2光分路器的1口连接，1X2光分路器的2口分别接构成测试单元的稳定光源和光功率计。
二个或二个以上不同的气室10上的信号光纤6串联在一根光纤。
所述的任意二个气室10的共振频率均不相同。
在连接激光源25和气室10之间的传输光纤上安置有1XN光分路器，1XN光分路器N口的一端分别通过传输光纤连接有多个气室10。
在连接激光源25和气室10之间的传输光纤上安置有1XN光开关，1XN光开关N口的一端分别通过传输光纤连接有多个气室10。
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、本实用新型的波纹管型光纤气体感测装置，因使用波纹管型的气室10并集成了光纤型微音器替代了传统的气室加微音器，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、本实用新型的波纹管型光纤气体感测装置，由于可以采用的光源-光功率法测试采集音频信号，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，使本装置具有广阔的使用范围。
4、本实用新型的波纹管型光纤气体感测装置，由于采用了波纹管型气室10，使该气室10的光声共振频率大幅度降低，增加了测试结果的准确性和灵敏性。
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。
附图说明
图1为本实用新型第一具体实施方式的结构示意图。
图2为本实用新型第一具体实施方式中气室10局部放大结构示意图。
图3为本实用新型第二具体实施方式的结构示意图。
图4为图3中气室10局部放大结构示意图。
图5为本实用新型第三具体实施方式的结构示意图。
附图标记说明：
| 1-延长光纤； | 2-波纹管管壁； | 5-测试单元； |
| 6-信号光纤； | 7-锁定放大器； | 8-进口； |
| 9-出口； | 10-气室； | 20-气室窗片； |
| 21-滤波片； | 22-光纤准直器； | 23-传输光纤； |
| 25-激光源； | 30-加热/冷却器； | 31-温度控制器； |
| 40-频率发生器； | 45-1X2光分路器 | 46-光反射装置； |
| 3-A侧变形齿； | 4-B侧变形齿； | 50-处理单元。 |
具体实施方式
实施例1
如图1、图2所示，本实用新型中，包括激光源25和用于接收要检测气体的气室10，特别是：在气室10是由波纹管构成，在波纹管管壁2下凹的相对两侧布设有多个A侧变形齿3和多个B侧变形齿4，所述的A侧变形齿3和B侧变形齿4呈交错布设，A侧变形齿3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。
整个系统的检测流程是：处理单元50通过指令使温度控制器31控制加热/制冷器30使激光源25处于稳定的温度中，稳定的温度使激光源25发出的光信号的波长和功率相对稳定，处理单元50通过指令使频率发生器40控制激光源25以一定的频率发射激光，该频率是气室10及其附着物共同构成的整体的共振频率，待测气体如混有甲烷的空气通过进气口8进入气室10内，并通过出气口9流出气室，这时气室10内就是混合有待测气体的空气，包含有待测气体吸收特征波长的激光源25的激光通过传输光纤23、滤波器21和气室窗片20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，待测气体吸收激光源25注入的光束能量后，待测气体的温度升高使气室10内部的压力增大，使气室10的波纹管管壁相对两侧距离变化，导致布设在管壁上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，并将数据传递给锁定放大器7，锁定放大器7通过频率发生器40给的频率值处理测试单元5的数据并获得气室10的准确的声压力波值，并将该值传递给处理单50，处理单元50计算出待测 气体的浓度。
所述的气室10采用低温度膨胀系数的材料，如石英玻璃、聚四氟乙烯、陶瓷或其他复合材料。
可以将二个或二个以上的不同气室10上的信号光纤6串联在一根光纤上，从而达到多点监测待测气体的目的，进一步的方案是测试单元5选用光时域反射技术(OTDR)可以做到准分布测试、监测的目的。
也可以是将二个或二个以上的不同气室10的共振频率预先设置为不同的频率，处理单元50通过指令使频率发生器40控制激光源25以一定的扫描频率发射激光，使不同的气室在不同的时间上进行探测；也可以是将二个或二个以上的不同气室10的传输光纤23通过1XN的光开关与激光源25连接，这样也可以使不同的气室在不同的时间上进行探测，从而达到多点监测待测气体的目的。
所述传输光纤23、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；所述传输光纤23、信号光纤6也可以是塑料光纤、多芯光纤、细径光纤或光子晶体光纤。
所述传输光纤23、信号光纤6和延长光纤1外部包覆有防水材料，如防水油膏，可进一步防止水分子对传输光纤23、信号光纤6和延长光纤1的侵蚀，延长了传输光纤23、信号光纤6和延长光纤1的使用寿命。
实施例2
如图3、图4所示，本实施例中，与实施例1不同的是：A侧变形齿3和B侧变形齿4布设在波纹管管壁2的外壁下凹处。本实施例中，其余部 分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。
实施例3
如图5所示，本实施例中，与实施例1不同的是：所述的信号光纤6的一端安置有光反射装置46，信号光纤6的另一端通过延长光纤1连接一1X2光分路器45的1口，1X2光分路器45的2口接测试单元5。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.波纹管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：气室(10)是波纹管型的结构，在波纹管型气室(10)的管壁的下凹处的相对两个面上分别布设有A侧变形齿(3)和B侧变形齿(4)，A侧变形齿(3)和B侧变形齿(4)相互交错对应，A侧变形齿(3)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)通过延长光纤(1)接测试单元(5)。
2.按照权利要求1所述的波纹管型光纤气体感测装置，其特征在于：所述的变形齿分布于波纹管型气室(10)的内壁上。
3.按照权利要求1所述的波纹管型光纤气体感测装置，其特征在于：所述的变形齿分布于波纹管型气室(10)的外壁上。
4.按照权利要求1所述的波纹管型光纤气体感测装置，其特征在于：所述的气室(10)是螺旋形结构的波纹管结构。
5.按照权利要求1所述的波纹管型光纤气体感测装置，其特征在于：在所述的信号光纤(6)的一端安置有光反射装置(46)。
6.按照权利要求5所述的波纹管型光纤气体感测装置，其特征在于：所述的信号光纤(6)的另一端通过延长光纤(1)与1X2光分路器(45)的1口连接，1X2光分路器(45)的2口分别接构成测试单元(5)的稳定光源和光 功率计。
7.按照权利要求1所述的波纹管型光纤气体感测装置，其特征在于：二个或二个以上不同的气室(10)上的信号光纤(6)串联在一根光纤。
8.按照权利要求7所述的波纹管型光纤气体感测装置，其特征在于：所述的任意二个气室(10)的共振频率均不相同。
9.按照权利要求7或8所述的波纹管型光纤气体感测装置，其特征在于：在连接激光源(25)和气室(10)之间的传输光纤上安置有1XN光分路器，1XN光分路器N口的一端分别通过传输光纤连接有多个气室(10)。
10.按照权利要求7或8所述的波纹管型光纤气体感测装置，其特征在于：在连接激光源(25)和气室(10)之间的传输光纤上安置有1XN光开关，1XN光开关N口的一端分别通过传输光纤连接有多个气室(10)。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20110629 Termination date: 20110817 |