[发明专利]一种单波长红外光纤气体传感器

说明书

本发明公开了一种单波长红外光纤气体传感器，包括光源单元、传感检测单元和检测采集单元，光源单元由单波长窄带光源和光源控制器组成，传感检测单元由传感气室、气体传感通路和光纤传感元件组成，光纤传感元件的输入端与单波长窄带光源相连，光纤传感元件为硫系玻璃光纤，硫系玻璃光纤的中部设有传感区域，传感区域为平板光纤结构，传感区域的表面包覆有氧化石墨烯涂层，传感区域置于传感气室内，检测采集单元由光强探测器和数据采集分析装置组成，光强探测器的输入端与光纤传感元件的输出端相连，光强探测器的输出端与数据采集分析装置相连。本发明传感器具有测量精度高、稳定性好、灵敏度高、可长距离工作、经济性好和体积小等优点。

技术领域

本发明涉及一种光纤传感器，具体是一种单波长红外光纤气体传感器。

背景技术

随着工业生产的发展及社会科学的进步，人们对各类气体污染物引起的安全和环境问题越来越重视，比如挥发性有机化合物(VOCs)和温室气体，有毒有害气体(NH₃、NO₂、NO、甲醛、SO₂等)。因此气体传感器作为能对特定气体做出响应并且将信号进行输出的器件，在各个关乎国家民生的领域具有广泛的应用价值。

中红外定义为3μm至20μm之间的光谱范围，覆盖了化学物的基本振动区域，每种振动模式对每个分子来说都是独一无二的，因此又称为指纹区。准确的气体传感在当今环境和医疗保健领域具有重要应用，中红外光纤传感器能够实时检测工作及居住环境中的有毒有害气体。中红外光纤传感器操作便捷，检测灵敏度高，应用场景灵活，具有检测范围宽、测量精度高、可用于现场监测等优点，并且，与电化学传感器相比，其不易造成金属二次污染，可长时间使用，性能稳定。传统中红外光纤传感器的基本测定光源是便携式中红外宽谱光，采用中红外光谱分析法进行判断，提供可利用警报的信号，而利用中红外宽谱光作为光源需要配备光谱仪收集信号，这意味着传统的基于宽带光源的中红外光纤传感器需要庞大、复杂和高成本的设置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种单波长红外光纤气体传感器，该装置针对气体的红外特征吸收波长，使用响应单波长窄带光源激发且利用光强探测器收集输出信号，能更准确地对待测气体进行检测，避免其他气体分子的干扰，实现对特定气体的高精度测量。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种单波长红外光纤气体传感器，包括光源单元、传感检测单元和检测采集单元，所述的光源单元由单波长窄带光源和光源控制器组成，所述的单波长窄带光源与所述的光源控制器相连，所述的传感检测单元由传感气室、气体传感通路和光纤传感元件组成，所述的传感气室与所述的气体传感通路相通，所述的光纤传感元件的输入端与所述的单波长窄带光源相连，所述的光纤传感元件为硫系玻璃光纤，所述的硫系玻璃光纤的结构包括纤芯和设置在纤芯外侧的涂覆层，所述的硫系玻璃光纤的中部设有传感区域，所述的传感区域的涂覆层被去除，所述的传感区域为平板光纤结构，所述的平板光纤结构的上表面等间隔设置有多个第一凹槽，所述的平板光纤结构的下表面等间隔设置有多个第二凹槽，所述的多个第一凹槽与所述的多个第二凹槽上下一一对应，所述的传感区域的表面包覆有氧化石墨烯涂层，所述的传感区域置于所述的传感气室内，所述的检测采集单元由光强探测器和数据采集分析装置组成，所述的光强探测器的输入端与所述的光纤传感元件的输出端相连，所述的光强探测器的输出端与所述的数据采集分析装置相连，所述的数据采集分析装置用于分析所述的光强探测器传输的传感信号，分别得到空气背景下测得的空白光谱S1和不同气体浓度下收集到的传感光谱S2，通过空白光谱S1除以传感光谱S2并对输出值取对数函数，以得到不同浓度下待测气体特定的红外吸收光谱关系图。