[实用新型]一种光纤气体传感器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种光纤气体传感器，光纤气体传感器技术领域。

背景技术

光纤气体传感技术是一种新型的气体检测技术。光纤具有独特的导光特点，因而利用光纤制作的传感器具有一系列传统传感器所不能比拟的优点。光纤具有传输损耗低、直径小、重量轻、可弯曲、耐腐蚀、及抗电磁干扰等优点，因而可以将光纤传感器放置在高温、潮湿、强噪声、易燃、易爆、有毒等恶劣或危险的环境中，用光纤将感知信号引出，在安全地带进行远距离在线遥控测量。此外，光纤传感器还具有稳定性高、测量灵敏度高、响应速度快、易于组成网络等特点。

光纤气体传感器的理论基础是气体光谱理论和比尔-兰伯定律。由于气体分子具有不同的能级，所以气体分子只能吸收能量等于其能级差的光子。不同分子结构的气体只能吸收满足其结构特性的特定频率的光子，即分子选择吸收特定波长的光子。分子吸收能量后，跃迁到激发态。由于激发态的不稳定性，在激发态停留很短的时间后，分子跃迁到稳定状态，并伴随着能量的辐射。由于辐射具有方向任意性，沿特定方向的这个吸收波长的能量将减小，即分子吸收特定波长的光波。由于不同气体分子具有不同的分子结构，其吸收谱线也有差异性，因此可以通过检测分子的吸收谱线来确定气体分子。

光在吸收介质中传播时，其能量沿传播路径不断地衰减。比尔-兰伯定律指出，光沿其传播路径损耗的能量(即介质吸收的能量)与光通过的路径长度成正比。若取初始光强为I₀，则输出光强I满足以下关系：

I＝I₀e^-αLC

C=1αLIn(I0I)]]>

其中，α为摩尔气体分子吸收系数，L为气体分子作用长度(传输距离)，C为待测气体的浓度。当作用长度L固定时，输出光强随着气体浓度的增大呈指数形式衰减。因此，通过测量输出光强就能检测出气体浓度。

由于气体的吸收光谱具有多个吸收峰，为了提高传感的灵敏度，传统的光纤气体传感器一般采用单谱线吸收方法，这就要求所采用的光源必须是窄带光源，而且需要已知被测气体，以及被测气体的吸收频谱范围。为了获得最大吸收，还需要将光源的中心波长锁定在被测气体的吸收峰上。因此，光源波长的稳定性对于测量性能有重要的影响，且不具有通用性。在实际的情况中，由于受到环境影响，光源的波长会发生漂移，从而偏离吸收峰的位置，使测量精度降低。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本实用新型提出一种光纤气体传感器，可以利用宽带光源，而且无需知道待测气体的具体成分和吸收峰位置，使得这种光纤气体传感器具有更高的通用性。

技术方案

一种光纤气体传感器，其特征在于包括光源1，光纤分束器2，2个光纤环形器3，传感头5，光电探测器9；光源1通过单模光纤与光纤分束器2连接，从光纤分束器2中引出的单模光纤分别与两个相同的光纤环行器3的第一个端口连接；两个光纤环行器3的第二个端口通过单模光纤连接传感头5的两个输入端；两个光纤环行器3的第三个端口与两根等长度的单模光纤连接，且两根单模光纤的输出端S₁、S₂平行固定，光电探测器9的接收面平行于两个输出端S₁、S₂形成的平面；光电探测器9的输出端联接信号处理系统10；所述的传感头5包括两个平行的结构相同的气室6，其中一个为开放气室，另一个为密闭的、内部为标准气压的空气气室；所述的气室6的一端固定自聚焦透镜11，自聚焦透镜11的外端连接来自于光纤环行器3的单模光纤；气室6的另一端为平行于自聚焦透镜11端面放置的全反射棱镜12。

所述的气室6的另一端的全反射棱镜12采用高反射率的平面镜13取代。

全反射棱镜12或高反射率的平面镜13后设有调节旋钮14。

所述的光电探测器9在光源为0.4～1.1μm波长时，选用高分辨率线阵CCD探测器。

所述的光电探测器9在光源为1.0～2.5μm波长时，选用InGaAs线性成像探测器。