[实用新型]一种基于微通道保偏光纤Sagnac干涉结构的气体检测装置

说明书

本实用新型公开了一种基于微通道保偏光纤Sagnac干涉结构的气体检测装置。该装置测量气体浓度的稳定性好、灵敏度高、体积小、结构简单、方便携带、成本较低。本实用新型采用的技术方案是，将保偏光纤两端熔接两段单模光纤构成Sagnac环，保偏光纤侧面具有若干微通道，微通道表面镀有石墨烯，用于增强对气体的吸收。将Sagnac环插入激光环形腔内，气体浓度的变化引起Sagnac结构光谱漂移，经内腔系统调制为功率变化，通过光功率计测量系统输出功率实现对气体浓度的测量。本实用新型主要应用于光纤气体浓度检测。

技术领域

本实用新型涉及光纤气体检测技术，尤其是一种基于微通道保偏光纤Sagnac干涉结构的气体检测装置。

背景技术

光纤气体传感器是一种检测气体中特定成分的仪器，用于对有毒、有害气体的检测，对易燃、易爆气体的安全报警。随着经济的迅猛发展，人们对气体传感器的重视度日益提高，传统的气体检测技术一般是基于非光学的检测，虽然能够达到极低的检测限，但其响应较慢，可重复利用率低，使用周期短。通常，理想的气体传感器应该具备灵敏度高、响应速度快、使用寿命长、体积小、方便安装和携带、结构简单、控制检测容易等特点，传统的传感器已经不能够满足人们的需求。

光纤气体传感技术是一项具有广阔应用前景的新型技术，光纤气体传感器由于其传输功率损耗小、测量灵敏度高、抗电磁干扰、响应快、体积小等一系列独特的优势，从问世到现在，一直都在快速发展着。光纤气体传感器中测量信号的载体是光信号，不会影响被测对象，自身独立性好，不会受外部环境的影响，还可以组成光纤传感系统，连接中心计算机，实现智能化传感。随着工业上的需求不断增加，以及人们对环境的关注度的提高，使得光纤气体传感器的发展十分迅速。诸多不可比拟的优势使其在工业生产、环境保护、医学等领域受到广泛的关注与应用。

近年来，随着光纤传感领域的不断研究，人们根据Sagnac效应研究出了Sagnac干涉仪，它早期被用来制作光纤陀螺仪。由于传感器需要具有高灵敏度、易携带、低成本、结构简单等特点，基于Sagnac模间干涉结构的光纤传感器在生物和化学传感领域得到了广泛的研究与应用。在保偏光纤Sagnac干涉仪中，两束光波沿着相反方向传播后在闭合环路绕行一周，保偏光纤(PMF)具有双折射效应，会使两束光波之间产生光程差，因此可以输出稳定的干涉光谱。此外，保偏光子晶体(PM-PCF)的提出，使得集成空芯保偏光纤的Sagnac干涉型传感器得到了广泛的关注。

由于某些材料的折射率具有对气体敏感的特性，目前提出的基于折射率变化型的光纤气体传感器，通过测量折射率变化而导致的光纤波导参数，如有效折射率、双折射以及损耗等发生变化，通过光强检测或干涉测量等方法计算气体浓度。其原理是根据气体的不同折射率或者光程的变化而引起干涉，如应用Michelson干涉仪、Febry-Perot干涉仪、Mach-Zehnder 干涉仪等，根据测量干涉仪输出的光强度变化测量气体的浓度变化。而基于微通道保偏光纤 Sagnac干涉结构的气体传感器鲜有提出。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型提出一种基于微通道保偏光纤Sagnac干涉结构的气体检测装置，采用该传感器装置，可以通过测量系统输出功率来检测气体浓度。与以往的光纤气体传感器比较而言，该装置测量气体浓度的稳定性好、灵敏度高、体积小、结构简单、方便携带。并且省去了传统的光纤气体传感器所需要的光谱分析仪和宽带光源，降低了成本。本实用新型采用的技术方案是，基于微通道保偏光纤Sagnac干涉结构的气体检测装置，将带有微通道的保偏光纤两端熔接两段单模光纤构成Sagnac环，并在微通道表面镀一层石墨烯，增强对气体的吸收，将Sagnac环插入激光环形腔内。激光由泵浦光源发出，依次经过波分复用器(WDM)，掺饵光纤(EDF)，光隔离器(ISO)、光循环器、光耦合器到达Sagnac环，光耦合器输出的光从光循环器的另一端口输出，并与连有光纤布拉格光栅(FBG)的另一光循环器相连接，经过光纤耦合器(coupler)连接到波分复用器形成回路，构成有源内腔传感系统，通过光功率计测量系统输出功率。