专利名称：并行纤栅式多种污染气体远程传感系统的制作方法
技术领域：
本发明属于光传感技术领域，更具体的说是应用于利用并行纤栅式传感器实现对
多种气体的远程探测。
背景技术：
传感技术是信息产业的三大基石之一，是社会发展和人类生活水平提高的主要驱动力之一。随着工业化的进程，污染气体对气候变化，人类健康的影响越来越严重，因此实时检测污染气体是保障我们生活环境的重要问题之一。传统气体污染的测量方法一般都是采用对样品进行化学分析得到，这种办法具有速度慢、成本高、不利于网络化，过程复杂等诸多弊病，特别是工作人员在污染区进行采样，存在对其人身造成严重危害的潜在威胁。近
年来发展起来的激光雷达遥感系统在很大程度上提高人类对污染气体的探测水平，特别是人们可以对高空进行垂直测量。但是受限于大气吸收和建筑物遮挡、以及地表结构的限制，激光雷达实际上不适合于低空监测，特别是激光雷达体积巨大、成本高、可移动性差、不便于组网等缺点限制了其在人类最关心的生活空间内的环境监测。另外一种近年来被广泛关注的方法是光谱吸收法，由于污染气体，如二氧化硫，甲烷，二氧化氮等主要的吸收峰都在2-3微米的中红外光谱范围，这对光源和探测器提出了非常高的要求，成本昂贵。因此发明一种低成本、可实现远程、全高精度、便于组网、可同时探测多种污染气体的传感系统迫在眉睫。

发明内容
本发明的目的在于，提供一种并行纤栅式多种污染气体远程传感系统，其可解决多种污染气体或液体同时远程快速探测问题。
本发明提供一种并行纤栅式多种污染气体远程传感系统，包括
—自发辐射宽带光源； —环行器，该环行器的第一端口与自发辐射宽带光源输出端连接； —远距离传输光纤，该远距离传输光纤与环行器的第二端口连接； —第一波分复用器，该第一波分复用器与远距离传输光纤连接； —长周期光栅阵列，该长周期光栅阵列与第一波分复用器连接； —镀膜光纤传感探头阵列，该镀膜光纤传感探头阵列与长周期光栅阵列连接； —第二波分复用器，该第二波分复用器的输入端与环行器的第三端口连接； —光电探测阵列系统，该光电探测阵列系统与第二波分复用器连接。 其中长周期光栅阵列包括多个并联的长周期光栅，该长周期光栅的波长与第一波
分复用器和第二波分复用器的波长对准，其中长周期光栅的温度敏感性是通过加温控系统避免。 其中多个并联的长周期光栅的光路数为2-32条，其是采用波分复用技术，可实现多种气体同时探测。
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其中镀膜光纤传感探头阵列包括多个镀膜光纤传感探头。 其中多个镀膜光纤传感探头与长周期光栅的数量对应，为2-32个。 其中光电探测阵列系统包括多个光电探测器。 其中多个光电探测器的数量为2-32个。 其中镀膜光纤传感探头阵列中的探头为拉锥光纤，该拉锥光纤侧向表面镀不同的
化学膜，每种化学膜吸附一种特定的气体，通过化学膜折射率的变化，改变光功率。 其中镀膜光纤传感探头阵列中的探头不拉锥时为侧面研磨的光纤。 其中拉锥光纤的端面镀全反射膜或不镀膜，不镀膜时全反射功能利用布拉格光栅
或全反环实现，从而实现将光场两次经过拉锥光纤，使探测灵敏度增加了一倍。 其中自发辐射宽带光源是宽带自发辐射源，或是可调谐激光器，或者是多路并行
激光器。 其中环行器是由一个隔离器加一个耦合器代替。


为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其 中 图1是本发明并行纤栅式多种污染气体远程传感系统结构框图；
图2是长周期光纤光栅工作原理示意图；
图3是拉锥镀膜光纤工作原理示意图。
具体实施例方式
请参阅图1所示，本发明提供一种并行纤栅式多种污染气体远程传感系统，包括
—自发辐射宽带光源l，该自发辐射光源1是宽带自发辐射源，或可调谐激光器， 或者是多路并行激光器。本发明中利用通讯波段的光源代替传统吸收光谱法所用的中红外 特种光源，大幅度的降低了成本。 —环行器2，该环行器2的第一端口与自发辐射宽带光源1输出端连接，其中环行 器2可用一个隔离器加一个耦合器代替。 —远距离传输光纤3，该远距离传输光纤3与环行器2的第二端口连接；由于单模 光纤的损耗低，并且其损耗对外界环境不敏感，因此可实现远程测量，从而避免了污染区对 监测人员的危害。 —第一波分复用器4，该第一波分复用器4与远距离传输光纤3连接。第一波分复 用器4将自发辐射宽带光源1发出的光分成4路，每一路都分别与对特定气体敏感的传感 探头相连(本案例中4个传感探头分别对甲烷，二氧化硫，二氧化氮，一氧化碳敏感)。本发 明采用波分复用技术，可实现对多种污染气体的同时探测。 —长周期光栅阵列5，该长周期光栅阵列5与第一波分复用器4连接；其中长周期 光栅阵列5包括多个并联的长周期光栅，该长周期光栅的波长与第一波分复用器4和第二 波分复用器7的波长对准，其中长周期光栅的温度敏感性是通过加温控系统避免；其中多 个并联的长周期光栅的光路数为2-32条。长周期光栅的作用不但将光场从纤芯耦合到包 层，增加了光场与外界环境的作用，提高了灵敏度，而且将反射回来的光场又耦合到纤芯，可实现远距离传输，其工作原理如图2所示。长周期光栅将从波分复用器传输进来的光耦合到包层中，由于光场在包层中传输，与外界有交叠部分，因此其传输损耗对外界的折射率非常敏感。 —镀膜光纤传感探头阵列6，该镀膜光纤传感探头阵列6与长周期光栅阵列5连接；其中镀膜光纤传感探头阵列6包括多个镀膜光纤传感探头，其中多个镀膜光纤传感探头与长周期光栅的数量对应，为2-32个(本实施例为4个)；其中镀膜光纤传感探头阵列6中的探头为拉锥光纤，将光纤拉锥后，使包层光场与外界的交叠积分增大，从而进一步增加了敏感度。在拉锥光纤的侧表面镀特定的化学膜膜，使其仅对某一种气体具有吸附和解析作用，化学膜的折射率随特定气体浓度的变化而变化，从而导致包层光场的损耗变化，进而改变光功率；镀膜光纤传感探头阵列6中的探头可为侧面研磨的光纤(本案例中为拉锥光纤)；镀膜光纤传感探头阵列6中的探头的端面镀全反射膜或不镀膜，不镀膜时的全反射功能利用布拉格光栅或全反环实现，从而实现将光场两次经过拉锥光纤，使探测灵敏度增加了一倍，拉锥镀膜光纤如图3所示。本发明实现了光源与探测器在长距离光纤的同一侧，便于系统集成。此外，本发明中系统的探测时间主要取决于化学薄膜的吸附和解析时间，一般都在分钟量级，这与传统的人工相比不但方便，而且探测速度大幅度提高。
—第二波分复用器7，该第二波分复用器7的输入端与环行器2的第三端口连接；反射的包层光场被长周期光栅耦合回纤芯，再经过第一波分复用器4耦合到一根长距离单模光纤，经过环行器后，被第二波分复用器7分解成4路，每一路携带特定传感气体的信息。
—光电探测阵列系统8，该光电探测阵列系统8与第二波分复用器7连接。光电探测阵列系统8包括多个光电探测器，其中多个光电探测器的数量为2-32个。通过探测的对应通道的光功率的信息变化确定污染气体的种类和浓度。本发明的光源、探测器，传输介质都是通信波段的，不但成本低廉，而且便于组网。 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种并行纤栅式多种污染气体远程传感系统，包括一自发辐射宽带光源；一环行器，该环行器的第一端口与自发辐射宽带光源输出端连接；一远距离传输光纤，该远距离传输光纤与环行器的第二端口连接；一第一波分复用器，该第一波分复用器与远距离传输光纤连接；一长周期光栅阵列，该长周期光栅阵列与第一波分复用器连接；一镀膜光纤传感探头阵列，该镀膜光纤传感探头阵列与长周期光栅阵列连接；一第二波分复用器，该第二波分复用器的输入端与环行器的第三端口连接；一光电探测阵列系统，该光电探测阵列系统与第二波分复用器连接。
2. 根据权利要求1所述的并行纤栅式多种污染气体远程传感系统，其中长周期光栅阵 列包括多个并联的长周期光栅，该长周期光栅的波长与第一波分复用器和第二波分复用器 的波长对准，其中长周期光栅的温度敏感性是通过加温控系统避免。
3. 根据权利要求2所述的并行纤栅式多种污染气体远程传感系统，其中多个并联的长 周期光栅的光路数为2-32条，其是采用波分复用技术，可实现多种气体同时探测。
4. 根据权利要求1所述的并行纤栅式多种污染气体远程传感系统，其中镀膜光纤传感 探头阵列包括多个镀膜光纤传感探头。
5. 根据权利要求4所述的并行纤栅式多种污染气体远程传感系统，其中多个镀膜光纤 传感探头与长周期光栅的数量对应，为2-32个。
6. 根据权利要求1所述的并行纤栅式多种污染气体远程传感系统，其中光电探测阵列 系统包括多个光电探测器。
7. 根据权利要求6所述的并行纤栅式多种污染气体远程传感系统，其中多个光电探测 器的数量为2-32个。
8. 根据权利要求1或7所述的并行纤栅式多种污染气体远程传感系统，其中镀膜光纤 传感探头阵列中的探头为拉锥光纤，该拉锥光纤侧向表面镀不同的化学膜，每种化学膜吸 附一种特定的气体，通过化学膜折射率的变化，改变光功率。
9. 根据权利要求1或7所述的并行纤栅式多种污染气体远程传感系统，其中镀膜光纤 传感探头阵列中的探头不拉锥时为侧面研磨的光纤。
10. 根据据权利要求8所述的并行纤栅式多种污染气体远程传感系统，其中拉锥光纤 的端面镀全反射膜或不镀膜，不镀膜时全反射功能利用布拉格光栅或全反环实现，从而实 现将光场两次经过拉锥光纤，使探测灵敏度增加了一倍。
11. 根据权利要求1所述的并行纤栅式多种污染气体远程传感系统，其中自发辐射宽 带光源是宽带自发辐射源，或是可调谐激光器，或者是多路并行激光器。
12. 根据权利要求1所述的并行纤栅式多种污染气体远程传感系统，其中环行器是由 一个隔离器加一个耦合器代替。
全文摘要
一种并行纤栅式多种污染气体远程传感系统，包括一自发辐射宽带光源；一环行器，该环行器的第一端口与自发辐射宽带光源输出端连接；一远距离传输光纤，该远距离传输光纤与环行器的第二端口连接；一第一波分复用器，该第一波分复用器与远距离传输光纤连接；一长周期光栅阵列，该长周期光栅阵列与第一波分复用器连接；一镀膜光纤传感探头阵列，该镀膜光纤传感探头阵列与长周期光栅阵列连接；一第二波分复用器，该第二波分复用器的输入端与环行器的第三端口连接；一光电探测阵列系统，该光电探测阵列系统与第二波分复用器连接。
文档编号G01N21/41GK101762565SQ20101003410
公开日2010年6月30日 申请日期2010年1月13日 优先权日2010年1月13日
发明者刘建国, 祝宁华, 谢亮, 陈伟 申请人:中国科学院半导体研究所