[发明专利]一种氧气光学检测装置

说明书

本发明涉及一种氧气光学检测装置，使用激光器作为光源，经过光纤分路器传导，采用光纤双臂马赫曾德尔干涉仪光学系统，包括对应的第一光纤双臂、第二光纤双臂，其中第一光纤双臂通过第一透镜光纤端面出射平行光束，光经过空间传播区传播后经过第二透镜光纤端面耦合到第二光纤双臂，光经过第二光纤双臂传播后Y分支合波进入单根光纤输出；在第一光纤双臂、第二光纤双臂的其中一个对应的臂的空间传播区内装配有磁性材料，光传播经过磁性材料形成的磁场区域，该磁场区域为氧气浓度检测区域，利用光电探测器探测输出光的强度变化得到氧气浓度信息。本发明的检测装置具有结构紧凑、无源、抗电磁干扰等优点。

技术领域

本发明涉及光电子信息技术与光电传感与物联网领域，具体涉及一种氧气光学检测装置。

背景技术

氧气在大自然中分布非常广泛，占大气成分的21％。氧气是工业生产、日常生活、医疗健康、航空航天等领域极其重要的气体。同时作为一种重要的助燃气体，氧气和易燃易爆气体混合容易爆炸。如果氧气浓度不达标或者控制不精确，导致严重的事故。所以氧气的实时检测非常重要。对氧气浓度的检测需要满足准确性、适应性、便携性等多方面的要求。

目前氧气的检测主要是非光学法和光学法两大类。非光学法常采用电化学方法，比如采用基于氧化锆材料的电化学传感器。氧气的浓度差形成氧化锆材料电势差，从而检测浓度信息。该方法成本低、结构简单、使用方便，但是该方法对温度要求高、寿命短等缺点。基于氧气的顺磁性实现浓度检测时氧气检测另一种重要非光学检测法。氧气因顺磁性会在磁场中聚居，形成气体浓度的改变，从而形成气压差，通过机械转动等方式得到氧气的浓度信息。该方法响应时间短、寿命长，但是容易受到震动等影响。

氧气光学法主要基于吸收谱测试。氧气在760nm波长附近具有一系列的光吸收峰。激光发出吸收峰对应的波长，根据气体光吸收量的大小判断氧气的浓度。该方法也常被称为可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)检测技术。这种技术具有非接触式、响应快、与信息系统兼容等优势。该方法需要半导体激光器、探测器、电控系统、光学系统等复杂结构，成本很高。另外因为在760nm波段，氧气对光吸收强度并不高，所以检测误差较大。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于氧气顺磁性结合双臂马赫曾德尔干涉仪的光学检测法，该方法成本低、精度高、传感头无电源、抗干扰强、且和信息网络兼容，适合复杂环境实时在线高精度检测与物联网等传感网络应用。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种氧气光学检测装置，使用激光器作为光源，经过光纤分路器传导，采用光纤双臂马赫曾德尔干涉仪光学系统，包括对应的第一光纤双臂、第二光纤双臂，其中第一光纤双臂通过第一透镜光纤端面出射平行光束，光经过空间传播区传播后经过第二透镜光纤端面耦合到第二光纤双臂，光经过第二光纤双臂传播后Y分支合波进入单根光纤输出；在第一光纤双臂、第二光纤双臂的其中一个对应的臂的空间传播区内装配有磁性材料，光传播经过磁性材料形成的磁场区域，该磁场区域为氧气浓度检测区域，利用光电探测器探测输出光的强度变化得到氧气浓度信息。

进一步的，入射光通过半透半反膜或者分束棱镜进行分束，在其中一束光的传播路径上装配磁性材料，光在经过半透半反膜或者分束棱镜合束输出。

作为其中一个优选的方案，在第一光纤双臂后装配扩束透镜，在第二光纤双臂前装配汇聚透镜，光通过第一光纤双臂出射后经过扩束透镜形成平行光束，再经过汇聚透镜耦合进入第二光纤双臂。

作为另一个优选的方案，在第一光纤双臂、第二光纤双臂的其中一个对应的臂的空间传播区内装配三个平面反射镜和一个凹面反射镜，光经过三次平面反射镜以及一次凹面反射镜耦合到入第二光纤双臂，增加一个臂的光程，该臂的空间传播区装配磁性材料作为氧气浓度检测区域。

进一步的，所述的磁性材料为通过材料镀膜直接生长或者物理机械装配的方式固定在光的空间传播区。