[发明专利]基于光热光谱技术和Sagnac干涉的气体传感器

说明书

技术领域

本专利涉及光纤气体传感技术，尤其涉及一种基于光热光谱技术和Sagnac干涉的气体传感器。

背景技术

对于气体浓度的测量，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。

光纤气体传感技术在气体检测技术中属于后起之秀，在20世纪70年代才走进人们的视野。光纤气体传感器传输功率损耗小，适合长距离测量，在高温、高压等恶劣环境下有较强优势，结构简单，灵敏度高，稳定可靠。鉴于以上种种独特的优势得到了众多科研工作者的青睐，在实际应用中的地位也逐渐提升。

发明内容

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，本发明提供了一种基于光热光谱技术和Sagnac干涉的气体传感器，以至少解决现有气体浓度检测技术存在仪器体积庞大、难以实现在线检测的问题，以及现有的光纤气体传感器灵敏度偏低的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于光热光谱技术和Sagnac干涉的气体传感器，该基于光热光谱技术和Sagnac干涉的气体传感器包括第一激光器、第一隔离器、耦合器、Sagnac环、环形器、第二隔离器、第二激光器、滤波器和光电探测器；

其中，耦合器的分光比为50:50；Sagnac环内含有一段空芯光子晶体光纤，其包层内部分气孔充入酒精，使其成为双折射光纤，纤芯孔则充入被测气体；第二激光器的输出波长与被检测气体的吸收谱峰重合，第二激光器输出的泵浦光经隔离器和环形器后进入空芯光子晶体光纤，并与空芯光纤芯内的被检测气体相互作用，使得温度发生变化进而改变了空芯光纤的双折射系数；第一激光器的输出波长与被测气体的吸收谱波谷重合，第一激光器输出的窄带信号光经第一隔离器和耦合器后进入Sagnac环内，再经环形器，然后通过滤波器滤掉残余泵浦光后，由光电探测器接收。

进一步地，Sagnac环包括长度为第一预设长度的空芯光纤，该段空芯光纤的一端与第一单模光纤的一段相熔接，称为第一熔接面；该段空芯光纤的另一端与第二单模光纤的一端相熔接，称为第二熔接面；在空芯光纤的侧面上距离第一熔接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熔接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，窄带信号与泵浦光均为DFB激光器，其线宽为0.01pm。

根据本发明的另一方面，还提供了一种用于检测气体浓度变化的方法，该方法利用上文所述的基于光热光谱技术和Sagnac干涉的气体传感器实现，基于光热光谱技术和Sagnac干涉的传感器包括第一激光器、第一隔离器、耦合器、Sagnac环、环形器、第二隔离器、第二激光器、滤波器和光电探测器；耦合器的分光比为50:50；Sagnac内含有一段空芯光子晶体光纤；第二激光器的输出波长与被检测气体的吸收谱峰重合，第二激光器输出的泵浦光经隔离器和环形器后进入Sagnac环，并与空芯光纤芯内的被检测气体相互作用改变了双折射光纤的双折射系，气体浓度不同双折射系数改变大小也不同；第一激光器的输出波长与被测气体的吸收谱波谷重合，第一激光器输出的窄带信号光经第一隔离器和耦合器后进入Sagnac环，由于空芯光纤双折射系数发生变化，所以两次信号光之间会产生相位的变化，出来后的信号光再经环形器，然后通过滤波器滤掉残余泵浦光后，根据相应关系转化为电压的变化，最后由光电探测器接收。

用于检测气体浓度变化的方法包括：获得光电探测器所接收的电压变化量，则可根据下式计算空芯光纤内气体浓度的变化量：

公式一

其中，是电压的变化量，为泵浦光的功率，为空芯光纤的长度，为预设常数，可根据经验值来设定。