本發(fā)明涉及光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于光纖M-Z干涉儀檢測硫化氫氣體的裝置。

背景技術(shù)：

硫化氫是一種無色、劇毒、強(qiáng)酸性氣體。低濃度硫化氫氣體具有臭雞蛋氣味，燃燒時(shí)帶藍(lán)色火焰，并產(chǎn)生對眼和肺非常有害的二氧化硫氣體。硫化氫氣體不僅對人體的危害很大，對設(shè)備也有很強(qiáng)的腐蝕作用。因此對硫化氫氣體的檢測顯得尤為重要。檢測硫化氫氣體的方法有很多，一般分為電化學(xué)的方法和光學(xué)傳感器的方法。光學(xué)傳感器相對于傳統(tǒng)的電化學(xué)的方法具有更小的體積、質(zhì)量更輕、抗干擾能力更強(qiáng)、抗輻射性更好的優(yōu)點(diǎn)。

光學(xué)氣體傳感器的類型有很多，常用的是光譜吸收型、倏逝波型和折射率改變型等。光譜吸收型硫化氫氣體傳感器的原理是每種氣體都有固有的光吸收譜線，當(dāng)光源的發(fā)射譜與氣體的吸收譜相吻合時(shí)，就會發(fā)生共振吸收，依據(jù)吸收量就可以測量出該氣體的濃度。當(dāng)半導(dǎo)體激光器發(fā)射出的激光束穿過硫化氫氣體后，由光電探測器接收并進(jìn)行檢測。如果激光束的頻率等于硫化氫分子的自然震動頻率，硫化氫分子便會吸收入射光束的能量。通過檢測這種吸收作用，就可以對硫化氫氣體濃度進(jìn)行測量。光譜吸收法的優(yōu)點(diǎn)是檢測范圍廣，很少受雜質(zhì)影響，分析結(jié)果精確，而且綠色環(huán)保，有較大的發(fā)展空間。但缺點(diǎn)是儀器價(jià)格昂貴，操作方法專業(yè)性強(qiáng)，主要在專業(yè)的研究機(jī)構(gòu)和檢測機(jī)構(gòu)應(yīng)用較多。

倏逝場型氣體傳感器的基本原理是：光在波導(dǎo)中傳播時(shí)存在以光軸為中心軸，向兩側(cè)迅速衰減的倏逝波。利用硫化氫氣體作用影響倏逝波的衰減，進(jìn)而影響波導(dǎo)輸出光強(qiáng)度，檢測其輸出光強(qiáng)度的變化便可得到硫化氫氣體的濃度。倏逝波型硫化氫氣體傳感器又可分為以下幾種結(jié)構(gòu)：D型光纖傳感器、錐形光纖傳感器、纖芯裸露型光纖傳感器等。倏逝波光纖硫化氫傳感器具有傳感長度較長，結(jié)構(gòu)簡單，適合分布式及遠(yuǎn)距離測量等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，但存在如何解決表面污染嚴(yán)重的問題，雖然可以用高分子隔離膜防止較大污染物進(jìn)入倏逝場區(qū)域，但仍有一些與硫化氫氣體分子體積相近的分子，同樣可通過隔離膜進(jìn)入倏逝場區(qū)域，從而影響傳感器的靈敏度。

折射率改變型硫化氫氣體傳感器，它的原理是：利用某些材料的折射率對硫化氫氣體敏感的特性，代替光纖包層涂覆于光纖表面，通過測量折射率變化所引起的光纖或者波導(dǎo)參數(shù)(有效折射率、雙折射、或損耗等)的變化，該類傳感器既可用光強(qiáng)檢測，也可用干涉法來測量硫化氫氣體的濃度。折射率改變型硫化氫氣體傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉等特點(diǎn)，尤其是可采用相干測量來獲得高靈敏度，具有極高的研究價(jià)值。目前首要的是解決其相關(guān)的鍍膜技術(shù)以及防止膜層污染的方法。

但是，現(xiàn)有采用的檢測硫化氫氣體的傳感器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，操作專業(yè)性強(qiáng)，存在靈敏度不高的技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明實(shí)施例通過提供一種基于光纖M-Z干涉儀檢測硫化氫氣體的裝置，解決了現(xiàn)有采用的檢測硫化氫氣體的傳感器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，操作專業(yè)性強(qiáng)，存在靈敏度不高的技術(shù)問題。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于光纖M-Z干涉儀檢測硫化氫氣體的裝置，包括：

激光器，用于產(chǎn)生激光光源；

敏感光路結(jié)構(gòu)，設(shè)置于激光器輸出端，包括第一耦合器、充有硫化氫氣體的氣室、第二耦合器，氣室內(nèi)包括兩路光路，一路為全光纖的參考傳輸臂光路，另一路為填充有對硫化氫氣體敏感的有機(jī)化合物的V型槽和兩端的光纖準(zhǔn)直頭構(gòu)成的測量傳輸臂光路，激光光源經(jīng)第一耦合器將光束分為兩束光，一束光通過參考傳輸臂光路輸出，另一束光通過測量傳輸臂光路輸出，并都進(jìn)入第二耦合器，輸出三束光；

信號處理模塊，設(shè)置于第二耦合器輸出端，用于根據(jù)第二耦合器輸出的光束，進(jìn)行光電信號轉(zhuǎn)換，并利用相位解調(diào)算法計(jì)算得到硫化氫氣體濃度。

進(jìn)一步地，所述V型槽內(nèi)設(shè)置有外徑與光纖準(zhǔn)直頭直徑相同且內(nèi)徑與光纖相同的玻璃毛細(xì)管，用于傳輸激光光源，在所述玻璃毛細(xì)管內(nèi)填充有對硫化氫氣體敏感的有機(jī)化合物。

進(jìn)一步地，信號處理器模塊包括光探測器、放大器、A/D采樣模塊以及嵌入式計(jì)算機(jī)，光探測器用于將第二耦合器輸出的光轉(zhuǎn)換成電信號，通過放大器放大、A/D采樣模塊采樣后，輸入嵌入式計(jì)算機(jī)處理，嵌入式計(jì)算機(jī)利用相位解調(diào)算法計(jì)算得到硫化氫氣體濃度。

進(jìn)一步地，所述對硫化氫氣體敏感的有機(jī)化合物具體為：在PMMA溶液中加入有聚乙烯亞胺PEI和丙酮配置成的混合液注入毛細(xì)管而制成的聚合物光纖。

進(jìn)一步地，所述嵌入式計(jì)算機(jī)用于利用相位解調(diào)算法獲得光信號的相位差變化量，并根據(jù)所述相位差變化量，獲得硫化氫氣體的折射率變化量，從而根據(jù)所述硫化氫氣體的折射率變化量獲得硫化氫氣體的濃度。

采用本發(fā)明中的一個(gè)或者多個(gè)技術(shù)方案，具有如下有益效果：

1、采用將硫化氫氣體敏感有機(jī)聚合物充入毛細(xì)管中的方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的將敏感材料涂覆在光纖上的做法，使得硫化氫對傳輸光的作用更明顯，靈敏度更高。

2、采用新的有機(jī)聚合物材料聚乙烯亞胺作為敏感材料，具有抗干擾性好、硫化氫氣體敏感系數(shù)高、損耗低、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中基于光纖M-Z干涉儀檢測硫化氫氣體的裝置的模塊示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中測量傳輸臂光路的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中硫化氫氣室結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明實(shí)施例通過提供一種基于光纖M-Z干涉儀檢測硫化氫氣體的裝置，解決了現(xiàn)有采用的檢測硫化氫氣體的傳感器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，操作專業(yè)性強(qiáng)，存在靈敏度不高的技術(shù)問題。

為了解決上述技術(shù)問題，下面將結(jié)合說明書附圖以及具體的實(shí)施方式對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說明。

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于光纖M-Z干涉儀檢測硫化氫氣體的裝置，如圖1所示，包括：激光器10、敏感光路結(jié)構(gòu)、信號處理模塊，具體地，該激光器10用于產(chǎn)生激光光源，敏感電路結(jié)構(gòu)設(shè)置于激光器10輸出端，包括第一耦合器201、充有硫化氫氣體的氣室、第二耦合器202，該氣室包括兩路光路，一路為全光纖的參考傳輸臂光路203，另一路為測量傳輸臂光路204，如圖2所示，該測量傳輸臂光路204包括V型槽2041和該V型槽2041兩端的光纖準(zhǔn)直頭2042構(gòu)成，具體的，該V型槽內(nèi)設(shè)置有外徑與光纖準(zhǔn)直頭2042直徑相同且內(nèi)徑與光纖相同的玻璃毛細(xì)管2043，該玻璃毛細(xì)管2043用于傳輸激光光源，在玻璃毛細(xì)管2043內(nèi)填充有對硫化氫氣體敏感的有機(jī)化合物。當(dāng)激光光源經(jīng)第一耦合器201將光束分為兩束光，一束光通過參考傳輸臂光路輸出，另一束光通過測量傳輸臂光路輸出，并都進(jìn)入第二耦合器，輸出三束光。

在具體的實(shí)施方式中，該激光器10發(fā)出的激光光源采用相干性好的半導(dǎo)體光源，中心波長為1550nm，光源輸出功率的穩(wěn)定性對測量精度影響很大，為保證測量的精確度必須使用穩(wěn)定性光源，該第一耦合器201為22耦合器，能夠?qū)⒁皇す?分成兩束光3和4，且按照1:1分配，該分成的兩束光中一束光3進(jìn)入測量傳輸臂光路204，另一束光4進(jìn)入?yún)⒖紓鬏敱酃饴?03，然后輸出光束5和7，進(jìn)入第二耦合器202，該第二耦合器為33耦合器，能夠輸出3束光信號。由于參考傳輸臂光路203和測量傳輸臂光路204均置于硫化氫氣室中，該氣室中充有硫化氫氣體，在該測量傳輸臂光路204中的V型槽內(nèi)填充有對硫化氫氣體敏感的有機(jī)聚合物，硫化氫氣體與有機(jī)聚合物發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致折射率發(fā)生變化，使得傳感光的相位發(fā)生變化，進(jìn)而輸出干涉光強(qiáng)發(fā)生變化。具體的氣室結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

該有機(jī)聚合物具體為，在PMMA溶液中加入聚乙烯亞胺PEI和丙酮配置成的混合液制成的薄膜，具體的制作過程為，調(diào)整該聚乙烯亞胺PRI的含量，然后，放置于高濃度硫化氫氣室中，靜置后掃描紫外透光光譜，并與未用硫化氫氣體處理的薄膜紫外透光光譜相比較，從而得到硫化氫氣體比較敏感的PMMA和PEI溶液比例，進(jìn)而將配置好的溶液注入毛細(xì)管，固化后形成聚合物光纖。

光束由第二耦合器202輸出之后，由該信號處理模塊進(jìn)行處理，具體，該信號處理模塊根據(jù)該第二耦合器202輸出的光束，利用相位解調(diào)算法計(jì)算得到硫化氫氣體濃度。在通過相位解調(diào)算法計(jì)算獲得硫化氫氣體濃度之前，如圖1所示，該信號處理模塊包括有光探測器301、放大器、A/D采樣模塊302以及嵌入式計(jì)算機(jī)303，首先第二耦合器202輸出的光束有光探測器301探測并將該光轉(zhuǎn)換成電信號，然后，通過放大器放大、A/D采樣模塊302采樣后，輸入嵌入式計(jì)算機(jī)303處理，該嵌入式計(jì)算機(jī)利用相位解調(diào)算法計(jì)算得硫化氫氣體濃度。具體如下：

由該第二耦合器輸出端8、9、10輸出的光束的功率分別為：

其中，為信號，為噪聲，A為直流項(xiàng)，B為輸入光強(qiáng)。

分別對(1)、(2)、(3)微分后得到(4)、(5)、(6)

其中一個(gè)消除直流量的信號與另外兩個(gè)微分信號之差相乘，即

(7)、(8)、(9)三式相加比上直流分量的平方和得到(10)

積分后即可得到濾波后就可以得到

其中k₀＝2π/λ，Δl為兩臂差，為與初始值之差，由此得到Δn，Δn為折射率的改變量，而折射率的改變量對應(yīng)于硫化氫氣體的濃度，從而得到硫化氫氣體的濃度。

通過上述的技術(shù)方案，能夠獲得操作簡單的裝置，靈敏度更高。

盡管已描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員一旦得知了基本創(chuàng)造性概念，則可對這些實(shí)施例作出另外的變更和修改。所以，所附權(quán)利要求意欲解釋為包括優(yōu)選實(shí)施例以及落入本發(fā)明范圍的所有變更和修改。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。