专利名称：双金属交联结构光纤光谱型微量气体传感单元及传感装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种气体传感器，尤其涉及一种双金属交联结构光声光谱型光纤微量气体传感单元及传感装置。
背景技术：
从以往光学气体传感器的产品开发设计来看，其结构中所存在的最大问题是采用玻璃气室和吸收型结构，主要存在两方面的问题1、背景信号噪声所有测量透过量改变的光学方法有背景信号，检测灵敏度和相关产品的应用都受到极大的限制。2、工艺结构方面同种材料的金属化封装沿用常规模具加工方法，内表面光洁度不易控制，导致气室体积很难进一步减小，在狭小空间内不便于安置。3、提高测量的特异性和灵敏度方面由于不受气池长度的限制，特征谱峰可以选择在气体吸收谱线极弱处进行检测而获得足够的灵敏度，因此可以通过选择谱线滤除其它组分干扰。此外，与在线色谱相比，光声光谱不消耗被测样品，不需要容易污染老化的色谱柱和复杂的气路控制系统，其灵敏度更高，造价也足够低。与傅立叶红外相比，其最突出的特点是可以利用光声效应测出H2的体积分数。
发明内容本实用新型的目的就在于克服现有光声光谱测量技术存在的缺点和不足，提供一种成本更低、性能更优的双金属结构光纤气体传感单元及其传感装置。本实用新型的目的是这样实现的在保障测量精度的前提下，利用气体吸收激光产生的热振动随气体浓度而变化的规律，通过直接探测光声信号功率P (a)，计算得到被测温度。Ρ(α ) = - α LP0(α << 1)式中，Ptl为输入光功率，α (a)为不同浓度对应的吸收系数。经过微音器后，再通过放大、滤波，最后经A/D转换后，输入微处理机计算并显示被测气体浓度。双金属交联结构光纤光谱型微量气体传感单元，包括输入光纤112、二个光纤准直器(111，1 、二个气体缓冲池(11，17)、光声池气室12、微音器18、输出光纤14 ；其特征在于输入光纤112、第一光纤准直器111、光声池气室12、微音器18、第二光纤准直器13和输出光纤14前后依次连接组成一种光-声通道；以光通道为中心轴，由金属材料与第一个有准直固件110围成第一个气体缓冲池11，第一光纤准直器111固定在第一个有准直固件 110上，第一个气体缓冲池11上设有进气口 19 ；由金属材料与第二个准直固件15围成第二个气体缓冲池17，第二光纤准直器13固定在第二个有准直固件15上，第二个气体缓冲池 17上设有出气口 16 ；在微音器18外围用金属材料围成光声池气室12，且光声池气室12两端分别与第一个气体缓冲池11和第二个气体缓冲池17连成一整体。所述的准直固件是一种吸光端盖，内侧带限位槽，中心有光纤准直器通孔。每个气体缓冲池是一种金属材料围成的薄壁管，两端部内侧带有螺纹线。所述的微音器18是一种电容型驻极微音器，长期稳定性号，在常温条件下其灵敏度漂移可保证在200年内小于1 %。所述的光声池气室12是由一种固定热特性的金属材料制成的内面抛光圆管，要求光声池的直径和长度比远小于1，且长度满足设计的最大灵敏度频率要求。一种基于双金属交联结构光纤光谱型微量气体传感单元的传感装置，其特征在于包括传感单元10、宽带光源20、功率控制单元30、光电探测器40、二个后续处理电路 (50，70)和微处理器60 ；宽带光源20和功率控制单元30连接；宽带光源20的输出端与传感单元10的输入端连接；传感单元10的输出端与光电探测器40连接；传感单元10的微音器18依次与第一个后续处理电路70和微处理器60连接；光电探测器40依次与第二个后续处理电路50和微处理器60连接。所述的宽带光源20是一种宽带激光光源，其中有内置温度控制和光电探测器。所述的功率控制单元30包括模数转换器31、微处理器60、正弦信号发生器32和数模转换器33，和宽带光源20组成反馈控制电路；宽带光源20、模数转换器31、微处理器 32、正弦信号发生器32、数模转换器33和宽带光源20前后依次闭环连接。第一个后续处理电路70包括电信号采样71、前置放大器72、DSP控制73和锁相电路74，微音器18与电信号采样71相连，电信号采样71依次与前置放大器72、DSP控制 73和锁相电路74、微处理器60连接。第二个后续处理电路50包括前置放大51和处理电路52，光电探测器40与前置放大51相连，前置放大51与处理电路52相连，处理电路52与微处理器60连接。与其他类型的光纤温度传感器相比，本实用新型具有下列优点和积极效果1、结构简单，体积小，安装方便，成本低廉；2、双金属交联结构，加工方便、成本低；3、系统集成度高，测温精度高，适用范围广。

图1是本实用新型的传感单元的结构示意图。图2是本实用新型的传感装置的结构方框图。图3是本实用新型的传感装置的功率控制单元方框图。图4是本实用新型的传感装置的第二个后续处理电路结构方框图。图5是本实用新型的传感装置的第一个后续处理电路结构方框图。
具体实施方式
结合附图对本实用新型作进一步的描述。如图1所示，双金属交联结构光纤光谱型微量气体传感单元，包括输入光纤112、二个光纤准直器(111，13)、二个气体缓冲池(11，17)、光声池气室12、微音器18、输出光纤 14 ；输入光纤112、第一光纤准直器111、光声池气室12、微音器18、第二光纤准直器13和输出光纤14前后依次连接组成一种光-声通道；以光通道为中心轴，由金属材料与第一个有准直固件110围成第一个气体缓冲池11，第一光纤准直器111固定在第一个有准直固件 110上，第一个气体缓冲池11上设有进气口 19 ；由金属材料与第二个准直固件15围成第二个气体缓冲池17，第二光纤准直器13固定在第二个有准直固件15上，第二个气体缓冲池 17上设有出气口 16 ；在微音器18外围用金属材料围成光声池气室12，且光声池气室12两端分别与第一个气体缓冲池11和第二个气体缓冲池17连成一整体。所述的准直固件是一种吸光端盖，内侧带限位槽，中心有光纤准直器通孔。每个气体缓冲池是一种金属材料围成的薄壁管，两端部内侧带有螺纹线。所述的微音器18是一种电容型驻极微音器，长期稳定性号，在常温条件下其灵敏度漂移可保证在200年内小于1%。所述的光声池气室12是由一种固定热特性的金属材料制成的内面抛光圆管，要求光声池的直径和长度比远小于1，且长度满足设计的最大灵敏度频率要求。如图2所示，一种基于双金属交联结构光纤光谱型微量气体传感单元的传感装置，其特征在于包括传感单元10、宽带光源20、功率控制单元30、光电探测器40、二个后续处理电路(50，70)和微处理器60 ；宽带光源20和功率控制单元30连接；宽带光源20的输出端与传感单元10的输入端连接；传感单元10的输出端与光电探测器40连接；传感单元 10的微音器18依次与第一个后续处理电路70和微处理器60连接；光电探测器40依次与第二个后续处理电路50和微处理器60连接。所述的宽带光源20是一种宽带激光光源，其中有内置温度控制和光电探测器。如图3所示，所述的功率控制单元30包括模数转换器31、微处理器60、正弦信号发生器32和数模转换器33，和宽带光源20组成反馈控制电路；宽带光源20、模数转换器 31、微处理器32、正弦信号发生器32、数模转换器33和宽带光源20前后依次闭环连接。如图4所示，第二个后续处理电路50包括前置放大51和处理电路52，光电探测器40与前置放大51相连，前置放大51与处理电路52相连，处理电路52与微处理器60连接。 如图5所示，第一个后续处理电路70包括电信号采样71、前置放大器72、DSP控制 73和锁相电路74，微音器18与电信号采样71相连，电信号采样71依次与前置放大器72、 DSP控制73和锁相电路74、微处理器60连接。传感单元10工作原理是由于气体吸收激光能量随着气体的浓度变化而变化，导致光声池内所产生的声波发生变化，在气体浓度和声波功率之间表现出一定的相关性。因此，通过测量微音器探测到的声能量，就可以推算出气室内气体吸光的变化量，即可计算出气体浓度的变化，从而达到测量气体浓度的目的。本传感装置的其工作原理是宽带光源20发出光功率为Itl的光，经过传感单元10 中光声池内气体吸收，微音器的输出功率Ρ(α) = α LPtl,其中α为气体的吸收系数。微音器40的输出经第二个后续处理电路50放大和处理，并由微处理器60计算得到α的值，再由吸收系数α与气体浓度的关系即可得到测量的气体浓度值。宽带光源20是一种宽带激光光源，本实用新型选用峰值波长为870nm，FWHM为 26nm的SLED半导体激光器。宽带光源20中有内置光电探测器，内置光电探测器是一种通用光电二极管，完成光信号到电信号的转换，提供电输出引脚。功率控制单元30是一种光功率反馈控制电路，根据光源20监测光功率的变化，实时控制注入电流的大小，以确保光源20输出功率的稳定。功率控制单元30放置在光源20 控制板上。如图3，功率控制单元30包括模数转换器(A/D) 31、微处理器60和数模转换器(D/ A) 33，和光源20组成反馈控制；宽带光源20、模数转换器(A/D)31、微处理器60、正弦信号发生器32、数模转换器(D/A) 33和宽带光源20前后依次闭环连接。其工作原理是当宽带光源20由于温度等因素导致输出光功率变动时，首先经由宽带光源20中的内置光电探测器光电转换，再经由模数转换器(A/D) 31模数转换，后被微处理器60识别，并通过数模转换器(D/A) 33数模转换，控制宽带光源20的供给电流来保持输出光功率的稳定。模数转换器(A/D)31是一种将模拟信号转换为数字信号的通用器件；用于将光电转换来的电信号转换为微处理器60需要的数字信号，供微处理器60处理；选用美国ADI公司的AD7708芯片。微处理器60是一种通用可编程中央处理器；实现对宽带激光器功率变动的判断和控制；选用ARM7系列440DX芯片。数模转换器(D/A) 33是一种将数字信号转换为模拟信号的通用器件；用于将微处理器33的输出控制命令转换为控制激光器20的模拟信号；选用美国ADI公司的AD5663芯片。光电探测器40为PIN光电二极管，是一种常用的光电转换器。
权利要求1.双金属交联结构光纤光谱型微量气体传感单元，包括输入光纤(112)、二个光纤准直器(111，13)、二个气体缓冲池(11，17)、光声池气室(12)、微音器(18)、输出光纤(14)； 其特征在于输入光纤(112)、第一光纤准直器(111)、光声池气室(12)、微音器(18)、第二光纤准直器(1 和输出光纤(14)前后依次连接组成一种光-声通道；以光通道为中心轴，由金属材料与第一个有准直固件(110)围成第一个气体缓冲池(11)，第一光纤准直器 (111)固定在第一个有准直固件(110)上，第一个气体缓冲池(11)上设有进气口(19)；由金属材料与第二个准直固件(1 围成第二个气体缓冲池(17)，第二光纤准直器(1 固定在第二个有准直固件(巧)上，第二个气体缓冲池(17)上设有出气口(16)；在微音器(18) 外围用金属材料围成光声池气室(12)，且光声池气室(1 两端分别与第一个气体缓冲池 (11)和第二个气体缓冲池(17)连成一整体。
2.根据权利要求1所述的双金属交联结构光纤光谱型微量气体传感单元，其特征在于所述的准直固件是一种吸光端盖，内侧带限位槽，中心有光纤准直器通孔。
3.根据权利要求1所述的双金属交联结构光纤光谱型微量气体传感单元，其特征在于每个气体缓冲池是一种金属材料围成的薄壁管，两端部内侧带有螺纹线。
4.根据权利要求1所述的双金属交联结构光纤光谱型微量气体传感单元，其特征在于所述的微音器(18)是一种电容型驻极微音器，长期稳定性号，在常温条件下其灵敏度漂移可保证在200年内小于1 %。
5.根据权利要求1所述的双金属交联结构光纤光谱型微量气体传感单元，其特征在于所述的光声池气室(1 是由一种固定热特性的金属材料制成的内面抛光圆管，要求光声池的直径和长度比远小于1，且长度满足设计的最大灵敏度频率要求。
6.一种基于权利要求1-5之一所述传感单元的传感装置，其特征在于包括传感单元 (10)、宽带光源(20)、功率控制单元(30)、光电探测器(40)、二个后续处理电路(50,70)和微处理器(60)；宽带光源00)和功率控制单元(30)连接；宽带光源00)的输出端与传感单元(10)的输入端连接；传感单元(10)的输出端与光电探测器GO)连接；传感单元(10) 的微音器(18)依次与第一个后续处理电路(70)和微处理器(60)连接；光电探测器00) 依次与第二个后续处理电路(50)和微处理器(60)连接。
7.根据权利要求6所述的传感装置，其特征在于所述的宽带光源00)是一种宽带激光光源，其中有内置温度控制和光电探测器。
8.根据权利要求6所述的传感装置，其特征在于功率控制单元(30)包括模数转换器 (31)、微处理器(60)、正弦信号发生器(32)和数模转换器(33)，和宽带光源Q0)组成反馈控制电路；宽带光源(20)、模数转换器(31)、微处理器(32)、正弦信号发生器(32)、数模转换器(3 和宽带光源00)前后依次闭环连接。
专利摘要本实用新型涉及双金属交联结构光纤光谱型微量气体传感单元及传感装置，传感装置为宽带光源和功率控制单元连接；宽带光源的输出端与传感单元的输入端连接；传感单元的输出端与光电探测器连接；传感单元的微音器依次与第一个后续处理电路和微处理器连接；光电探测器依次与第二个后续处理电路和微处理器连接。本实用新型具有下列优点和积极效果1、结构简单，体积小，安装方便，成本低廉；2、双金属交联结构，加工方便、成本低；3、系统集成度高，测温精度高，适用范围广。
文档编号G01N21/01GK202101928SQ201120114988
公开日2012年1月4日 申请日期2011年4月19日 优先权日2011年4月19日
发明者周想凌, 李玉林, 蒋浩宇, 陈前臣, 黄延成 申请人:恩施土家族苗族自治州电力总公司, 武汉市豪迈电力自动化技术有限责任公司