專利名稱：并行纖柵式多種污染氣體遠程傳感系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光傳感技術(shù)領(lǐng)域，更具體的說是應(yīng)用于利用并行纖柵式傳感器實現(xiàn)對
多種氣體的遠程探測。
背景技術(shù)：
傳感技術(shù)是信息產(chǎn)業(yè)的三大基石之一，是社會發(fā)展和人類生活水平提高的主要驅(qū)動力之一。隨著工業(yè)化的進程，污染氣體對氣候變化，人類健康的影響越來越嚴重，因此實時檢測污染氣體是保障我們生活環(huán)境的重要問題之一。傳統(tǒng)氣體污染的測量方法一般都是采用對樣品進行化學(xué)分析得到，這種辦法具有速度慢、成本高、不利于網(wǎng)絡(luò)化，過程復(fù)雜等諸多弊病，特別是工作人員在污染區(qū)進行采樣，存在對其人身造成嚴重危害的潛在威脅。近
年來發(fā)展起來的激光雷達遙感系統(tǒng)在很大程度上提高人類對污染氣體的探測水平，特別是人們可以對高空進行垂直測量。但是受限于大氣吸收和建筑物遮擋、以及地表結(jié)構(gòu)的限制，激光雷達實際上不適合于低空監(jiān)測，特別是激光雷達體積巨大、成本高、可移動性差、不便于組網(wǎng)等缺點限制了其在人類最關(guān)心的生活空間內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測。另外一種近年來被廣泛關(guān)注的方法是光譜吸收法，由于污染氣體，如二氧化硫，甲烷，二氧化氮等主要的吸收峰都在2-3微米的中紅外光譜范圍，這對光源和探測器提出了非常高的要求，成本昂貴。因此發(fā)明一種低成本、可實現(xiàn)遠程、全高精度、便于組網(wǎng)、可同時探測多種污染氣體的傳感系統(tǒng)迫在眉睫。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種并行纖柵式多種污染氣體遠程傳感系統(tǒng)，其可解決多種污染氣體或液體同時遠程快速探測問題。
本發(fā)明提供一種并行纖柵式多種污染氣體遠程傳感系統(tǒng)，包括
—自發(fā)輻射寬帶光源； —環(huán)行器，該環(huán)行器的第一端口與自發(fā)輻射寬帶光源輸出端連接； —遠距離傳輸光纖，該遠距離傳輸光纖與環(huán)行器的第二端口連接； —第一波分復(fù)用器，該第一波分復(fù)用器與遠距離傳輸光纖連接； —長周期光柵陣列，該長周期光柵陣列與第一波分復(fù)用器連接； —鍍膜光纖傳感探頭陣列，該鍍膜光纖傳感探頭陣列與長周期光柵陣列連接； —第二波分復(fù)用器，該第二波分復(fù)用器的輸入端與環(huán)行器的第三端口連接； —光電探測陣列系統(tǒng)，該光電探測陣列系統(tǒng)與第二波分復(fù)用器連接。 其中長周期光柵陣列包括多個并聯(lián)的長周期光柵，該長周期光柵的波長與第一波
分復(fù)用器和第二波分復(fù)用器的波長對準，其中長周期光柵的溫度敏感性是通過加溫控系統(tǒng)避免。 其中多個并聯(lián)的長周期光柵的光路數(shù)為2-32條，其是采用波分復(fù)用技術(shù)，可實現(xiàn)多種氣體同時探測。
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其中鍍膜光纖傳感探頭陣列包括多個鍍膜光纖傳感探頭。 其中多個鍍膜光纖傳感探頭與長周期光柵的數(shù)量對應(yīng)，為2-32個。 其中光電探測陣列系統(tǒng)包括多個光電探測器。 其中多個光電探測器的數(shù)量為2-32個。 其中鍍膜光纖傳感探頭陣列中的探頭為拉錐光纖，該拉錐光纖側(cè)向表面鍍不同的
化學(xué)膜，每種化學(xué)膜吸附一種特定的氣體，通過化學(xué)膜折射率的變化，改變光功率。 其中鍍膜光纖傳感探頭陣列中的探頭不拉錐時為側(cè)面研磨的光纖。 其中拉錐光纖的端面鍍?nèi)瓷淠せ虿诲兡ぃ诲兡r全反射功能利用布拉格光柵
或全反環(huán)實現(xiàn)，從而實現(xiàn)將光場兩次經(jīng)過拉錐光纖，使探測靈敏度增加了一倍。 其中自發(fā)輻射寬帶光源是寬帶自發(fā)輻射源，或是可調(diào)諧激光器，或者是多路并行
激光器。 其中環(huán)行器是由一個隔離器加一個耦合器代替。


為進一步說明本發(fā)明的具體技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實施例及附圖詳細說明如后，其 中 圖1是本發(fā)明并行纖柵式多種污染氣體遠程傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；
圖2是長周期光纖光柵工作原理示意圖；
圖3是拉錐鍍膜光纖工作原理示意圖。
具體實施例方式
請參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種并行纖柵式多種污染氣體遠程傳感系統(tǒng)，包括
—自發(fā)輻射寬帶光源l，該自發(fā)輻射光源1是寬帶自發(fā)輻射源，或可調(diào)諧激光器， 或者是多路并行激光器。本發(fā)明中利用通訊波段的光源代替?zhèn)鹘y(tǒng)吸收光譜法所用的中紅外 特種光源，大幅度的降低了成本。 —環(huán)行器2，該環(huán)行器2的第一端口與自發(fā)輻射寬帶光源1輸出端連接，其中環(huán)行 器2可用一個隔離器加一個耦合器代替。 —遠距離傳輸光纖3，該遠距離傳輸光纖3與環(huán)行器2的第二端口連接；由于單模 光纖的損耗低，并且其損耗對外界環(huán)境不敏感，因此可實現(xiàn)遠程測量，從而避免了污染區(qū)對 監(jiān)測人員的危害。 —第一波分復(fù)用器4，該第一波分復(fù)用器4與遠距離傳輸光纖3連接。第一波分復(fù) 用器4將自發(fā)輻射寬帶光源1發(fā)出的光分成4路，每一路都分別與對特定氣體敏感的傳感 探頭相連(本案例中4個傳感探頭分別對甲烷，二氧化硫，二氧化氮，一氧化碳敏感)。本發(fā) 明采用波分復(fù)用技術(shù)，可實現(xiàn)對多種污染氣體的同時探測。 —長周期光柵陣列5，該長周期光柵陣列5與第一波分復(fù)用器4連接；其中長周期 光柵陣列5包括多個并聯(lián)的長周期光柵，該長周期光柵的波長與第一波分復(fù)用器4和第二 波分復(fù)用器7的波長對準，其中長周期光柵的溫度敏感性是通過加溫控系統(tǒng)避免；其中多 個并聯(lián)的長周期光柵的光路數(shù)為2-32條。長周期光柵的作用不但將光場從纖芯耦合到包 層，增加了光場與外界環(huán)境的作用，提高了靈敏度，而且將反射回來的光場又耦合到纖芯，可實現(xiàn)遠距離傳輸，其工作原理如圖2所示。長周期光柵將從波分復(fù)用器傳輸進來的光耦合到包層中，由于光場在包層中傳輸，與外界有交疊部分，因此其傳輸損耗對外界的折射率非常敏感。 —鍍膜光纖傳感探頭陣列6，該鍍膜光纖傳感探頭陣列6與長周期光柵陣列5連接；其中鍍膜光纖傳感探頭陣列6包括多個鍍膜光纖傳感探頭，其中多個鍍膜光纖傳感探頭與長周期光柵的數(shù)量對應(yīng)，為2-32個(本實施例為4個)；其中鍍膜光纖傳感探頭陣列6中的探頭為拉錐光纖，將光纖拉錐后，使包層光場與外界的交疊積分增大，從而進一步增加了敏感度。在拉錐光纖的側(cè)表面鍍特定的化學(xué)膜膜，使其僅對某一種氣體具有吸附和解析作用，化學(xué)膜的折射率隨特定氣體濃度的變化而變化，從而導(dǎo)致包層光場的損耗變化，進而改變光功率；鍍膜光纖傳感探頭陣列6中的探頭可為側(cè)面研磨的光纖(本案例中為拉錐光纖)；鍍膜光纖傳感探頭陣列6中的探頭的端面鍍?nèi)瓷淠せ虿诲兡ぃ诲兡r的全反射功能利用布拉格光柵或全反環(huán)實現(xiàn)，從而實現(xiàn)將光場兩次經(jīng)過拉錐光纖，使探測靈敏度增加了一倍，拉錐鍍膜光纖如圖3所示。本發(fā)明實現(xiàn)了光源與探測器在長距離光纖的同一側(cè)，便于系統(tǒng)集成。此外，本發(fā)明中系統(tǒng)的探測時間主要取決于化學(xué)薄膜的吸附和解析時間，一般都在分鐘量級，這與傳統(tǒng)的人工相比不但方便，而且探測速度大幅度提高。
—第二波分復(fù)用器7，該第二波分復(fù)用器7的輸入端與環(huán)行器2的第三端口連接；反射的包層光場被長周期光柵耦合回纖芯，再經(jīng)過第一波分復(fù)用器4耦合到一根長距離單模光纖，經(jīng)過環(huán)行器后，被第二波分復(fù)用器7分解成4路，每一路攜帶特定傳感氣體的信息。
—光電探測陣列系統(tǒng)8，該光電探測陣列系統(tǒng)8與第二波分復(fù)用器7連接。光電探測陣列系統(tǒng)8包括多個光電探測器，其中多個光電探測器的數(shù)量為2-32個。通過探測的對應(yīng)通道的光功率的信息變化確定污染氣體的種類和濃度。本發(fā)明的光源、探測器，傳輸介質(zhì)都是通信波段的，不但成本低廉，而且便于組網(wǎng)。 以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種并行纖柵式多種污染氣體遠程傳感系統(tǒng)，包括一自發(fā)輻射寬帶光源；一環(huán)行器，該環(huán)行器的第一端口與自發(fā)輻射寬帶光源輸出端連接；一遠距離傳輸光纖，該遠距離傳輸光纖與環(huán)行器的第二端口連接；一第一波分復(fù)用器，該第一波分復(fù)用器與遠距離傳輸光纖連接；一長周期光柵陣列，該長周期光柵陣列與第一波分復(fù)用器連接；一鍍膜光纖傳感探頭陣列，該鍍膜光纖傳感探頭陣列與長周期光柵陣列連接；一第二波分復(fù)用器，該第二波分復(fù)用器的輸入端與環(huán)行器的第三端口連接；一光電探測陣列系統(tǒng)，該光電探測陣列系統(tǒng)與第二波分復(fù)用器連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的并行纖柵式多種污染氣體遠程傳感系統(tǒng)，其中長周期光柵陣 列包括多個并聯(lián)的長周期光柵，該長周期光柵的波長與第一波分復(fù)用器和第二波分復(fù)用器 的波長對準，其中長周期光柵的溫度敏感性是通過加溫控系統(tǒng)避免。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的并行纖柵式多種污染氣體遠程傳感系統(tǒng)，其中多個并聯(lián)的長 周期光柵的光路數(shù)為2-32條，其是采用波分復(fù)用技術(shù)，可實現(xiàn)多種氣體同時探測。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的并行纖柵式多種污染氣體遠程傳感系統(tǒng)，其中鍍膜光纖傳感 探頭陣列包括多個鍍膜光纖傳感探頭。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的并行纖柵式多種污染氣體遠程傳感系統(tǒng)，其中多個鍍膜光纖 傳感探頭與長周期光柵的數(shù)量對應(yīng)，為2-32個。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的并行纖柵式多種污染氣體遠程傳感系統(tǒng)，其中光電探測陣列 系統(tǒng)包括多個光電探測器。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的并行纖柵式多種污染氣體遠程傳感系統(tǒng)，其中多個光電探測 器的數(shù)量為2-32個。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的并行纖柵式多種污染氣體遠程傳感系統(tǒng)，其中鍍膜光纖 傳感探頭陣列中的探頭為拉錐光纖，該拉錐光纖側(cè)向表面鍍不同的化學(xué)膜，每種化學(xué)膜吸 附一種特定的氣體，通過化學(xué)膜折射率的變化，改變光功率。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的并行纖柵式多種污染氣體遠程傳感系統(tǒng)，其中鍍膜光纖 傳感探頭陣列中的探頭不拉錐時為側(cè)面研磨的光纖。
10. 根據(jù)據(jù)權(quán)利要求8所述的并行纖柵式多種污染氣體遠程傳感系統(tǒng)，其中拉錐光纖 的端面鍍?nèi)瓷淠せ虿诲兡?，不鍍膜時全反射功能利用布拉格光柵或全反環(huán)實現(xiàn)，從而實 現(xiàn)將光場兩次經(jīng)過拉錐光纖，使探測靈敏度增加了一倍。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的并行纖柵式多種污染氣體遠程傳感系統(tǒng)，其中自發(fā)輻射寬 帶光源是寬帶自發(fā)輻射源，或是可調(diào)諧激光器，或者是多路并行激光器。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的并行纖柵式多種污染氣體遠程傳感系統(tǒng)，其中環(huán)行器是由 一個隔離器加一個耦合器代替。
全文摘要
一種并行纖柵式多種污染氣體遠程傳感系統(tǒng)，包括一自發(fā)輻射寬帶光源；一環(huán)行器，該環(huán)行器的第一端口與自發(fā)輻射寬帶光源輸出端連接；一遠距離傳輸光纖，該遠距離傳輸光纖與環(huán)行器的第二端口連接；一第一波分復(fù)用器，該第一波分復(fù)用器與遠距離傳輸光纖連接；一長周期光柵陣列，該長周期光柵陣列與第一波分復(fù)用器連接；一鍍膜光纖傳感探頭陣列，該鍍膜光纖傳感探頭陣列與長周期光柵陣列連接；一第二波分復(fù)用器，該第二波分復(fù)用器的輸入端與環(huán)行器的第三端口連接；一光電探測陣列系統(tǒng)，該光電探測陣列系統(tǒng)與第二波分復(fù)用器連接。
文檔編號G01N21/41GK101762565SQ20101003410
公開日2010年6月30日 申請日期2010年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月13日
發(fā)明者劉建國, 祝寧華, 謝亮, 陳偉 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所