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              氧氣光學檢測裝置的制作方法

              1454   編輯:中冶有色技術網   來源:南京浦光芯片科技有限公司  
              2023-10-30 15:50:39
              一種氧氣光學檢測裝置的制作方法

              1.本發明涉及光電子信息技術與光電傳感與物聯網領域,具體涉及一種氧氣光學檢測裝置。

              背景技術:

              2.氧氣在大自然中分布非常廣泛,占大氣成分的21%。氧氣是工業生產、日常生活、醫療健康、航空航天等領域極其重要的氣體。同時作為一種重要的助燃氣體,氧氣和易燃易爆氣體混合容易爆炸。如果氧氣濃度不達標或者控制不精確,導致嚴重的事故。所以氧氣的實時檢測非常重要。對氧氣濃度的檢測需要滿足準確性、適應性、便攜性等多方面的要求。

              3.目前氧氣的檢測主要是非光學法和光學法兩大類。非光學法常采用電化學方法,比如采用基于氧化鋯材料的電化學傳感器。氧氣的濃度差形成氧化鋯材料電勢差,從而檢測濃度信息。該方法成本低、結構簡單、使用方便,但是該方法對溫度要求高、壽命短等缺點?;谘鯕獾捻槾判詫崿F濃度檢測時氧氣檢測另一種重要非光學檢測法。氧氣因順磁性會在磁場中聚居,形成氣體濃度的改變,從而形成氣壓差,通過機械轉動等方式得到氧氣的濃度信息。該方法響應時間短、壽命長,但是容易受到震動等影響。

              4.氧氣光學法主要基于吸收譜測試。氧氣在760nm波長附近具有一系列的光吸收峰。激光發出吸收峰對應的波長,根據氣體光吸收量的大小判斷氧氣的濃度。該方法也常被稱為可調諧二極管激光吸收光譜(tdlas)檢測技術。這種技術具有非接觸式、響應快、與信息系統兼容等優勢。該方法需要半導體激光器、探測器、電控系統、光學系統等復雜結構,成本很高。另外因為在760nm波段,氧氣對光吸收強度并不高,所以檢測誤差較大。

              技術實現要素:

              5.本發明的目的是提出一種基于氧氣順磁性結合雙臂馬赫曾德爾干涉儀的光學檢測法,該方法成本低、精度高、傳感頭無電源、抗干擾強、且和信息網絡兼容,適合復雜環境實時在線高精度檢測與物聯網等傳感網絡應用。

              6.為實現上述目的,本發明提供的技術方案是:

              7.一種氧氣光學檢測裝置,使用激光器作為光源,經過光纖分路器傳導,采用光纖雙臂馬赫曾德爾干涉儀光學系統,包括對應的第一光纖雙臂、第二光纖雙臂,其中第一光纖雙臂通過第一透鏡光纖端面出射平行光束,光經過空間傳播區傳播后經過第二透鏡光纖端面耦合到第二光纖雙臂,光經過第二光纖雙臂傳播后y分支合波進入單根光纖輸出;在第一光纖雙臂、第二光纖雙臂的其中一個對應的臂的空間傳播區內裝配有磁性材料,光傳播經過磁性材料形成的磁場區域,該磁場區域為氧氣濃度檢測區域,利用光電探測器探測輸出光的強度變化得到氧氣濃度信息。

              8.進一步的,入射光通過半透半反膜或者分束棱鏡進行分束,在其中一束光的傳播路徑上裝配磁性材料,光在經過半透半反膜或者分束棱鏡合束輸出。

              9.作為其中一個優選的方案,在第一光纖雙臂后裝配擴束透鏡,在第二光纖雙臂前

              裝配匯聚透鏡,光通過第一光纖雙臂出射后經過擴束透鏡形成平行光束,再經過匯聚透鏡耦合進入第二光纖雙臂。

              10.作為另一個優選的方案,在第一光纖雙臂、第二光纖雙臂的其中一個對應的臂的空間傳播區內裝配三個平面反射鏡和一個凹面反射鏡,光經過三次平面反射鏡以及一次凹面反射鏡耦合到入第二光纖雙臂,增加一個臂的光程,該臂的空間傳播區裝配磁性材料作為氧氣濃度檢測區域。

              11.進一步的,所述的磁性材料為通過材料鍍膜直接生長或者物理機械裝配的方式固定在光的空間傳播區。

              12.作為優選的方案,所述的磁性材料直接鍍膜在第一光纖雙臂、第二光纖雙臂的其中一個對應的臂之間的空間傳播區,該區域為氧氣檢測區域。

              13.或者,所述的磁性材料采用通電線圈。

              14.進一步的,在光纖雙臂馬赫曾德爾干涉儀上裝配熱敏電阻,以監控環境溫度,對檢測光信號進行穩定修正。

              15.或者,將氧氣光學檢測裝置裝配在溫度控制器上,以保持溫度穩定,消除溫度的影響。

              16.進一步的,所述的激光器采用可調諧激光器,通過同時檢測輸出光譜的周期以及出光功率的整體變化實現氧氣濃度和溫度的同時檢測。

              17.與現有技術相比,本發明的有益效果是:

              18.本發明的檢測設備在光學雙臂馬赫曾德爾干涉儀的一個光學臂裝配磁性材料,氧氣濃度的改變導致光在雙臂中傳播的光程不同,從而光的干涉狀態發生改變,通過探測馬赫曾德爾干涉儀輸出光功率的大小,實現氧氣濃度的檢測。本發明的檢測裝置具有結構緊湊、無源、抗電磁干擾等優點。

              19.本發明的方案基于光電技術,可以方便地和現有的光電信息系統、傳感網絡、物聯網相兼容,實現氧氣在線信息采集、分析和控制。

              20.本發明的氧氣光學檢測裝置可以應用于氧氣在工業化工、石油天然氣存儲、生物醫療等多種領域內的氧氣高精度檢測。

              附圖說明

              21.圖1:輸出光功率與氧氣濃度的變化示意圖。

              22.圖2:本發明的氧氣光學檢測器的原理結構示意圖。

              23.圖3:溫度改變非對稱馬赫曾德爾干涉儀的透射光譜周期改變示意圖。

              24.圖4:基于擴束透鏡和匯聚透鏡組成空間傳播區圖。

              25.圖5:非對稱雙臂長光程結構圖。

              26.圖6:基于半透半反膜的雙臂馬赫曾德爾干涉儀結構圖。

              27.圖7:基于分束棱鏡的雙臂馬赫曾德爾干涉儀結構圖。

              28.圖8:磁性材料鍍膜在光纖上的示意圖。

              29.圖9:磁性材料鍍膜在載體上的示意圖。

              具體實施方式

              30.以下通過實施例的形式對本發明的上述內容再作進一步的詳細說明,但不應將此理解為本發明上述主題的范圍僅限于以下的實施例,凡基于本發明上述內容所實現的技術均屬于本發明的范圍。

              31.在本發明的描述中,還需要說明的是:術語如“第一、第二或第三”僅用于描述目的,而不能理解為指示或暗示相對重要性。對于本領域的普通技術人員而言,可依據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

              32.本發明提供了一種氧氣光學檢測裝置,使用激光器作為光源,經過光纖分路器傳導,采用光纖雙臂馬赫曾德爾干涉儀光學系統,包括對應的第一光纖雙臂、第二光纖雙臂,其中第一光纖雙臂通過第一透鏡光纖端面出射平行光束,光經過空間傳播區傳播后經過第二透鏡光纖端面耦合到第二光纖雙臂,光經過第二光纖雙臂傳播后y分支合波進入單根光纖輸出;在第一光纖雙臂、第二光纖雙臂的其中一個對應的臂的空間傳播區內裝配有磁性材料,光傳播經過磁性材料形成的磁場區域,該磁場區域為氧氣濃度檢測區域,利用光電探測器探測輸出光的強度變化得到氧氣濃度信息。

              33.入射光通過半透半反膜或者分束棱鏡進行分束,在其中一束光的傳播路徑上裝配磁性材料,光在經過半透半反膜或者分束棱鏡合束輸出。

              34.作為其中一個實施例,在第一光纖雙臂后裝配擴束透鏡,在第二光纖雙臂前裝配匯聚透鏡,光通過第一光纖雙臂出射后經過擴束透鏡形成平行光束,再經過匯聚透鏡耦合進入第二光纖雙臂。

              35.作為另一個實施例,在第一光纖雙臂、第二光纖雙臂的其中一個對應的臂的空間傳播區內裝配三個平面反射鏡和一個凹面反射鏡,光經過三次平面反射鏡以及一次凹面反射鏡耦合到入第二光纖雙臂,增加一個臂的光程,該臂的空間傳播區裝配磁性材料作為氧氣濃度檢測區域。

              36.磁性材料為通過材料鍍膜直接生長或者物理機械裝配的方式固定在光的空間傳播區。其中,磁性材料直接鍍膜在第一光纖雙臂、第二光纖雙臂的其中一個對應的臂之間的空間傳播區,該區域為氧氣檢測區域?;蛘?,磁性材料采用通電線圈。

              37.在光纖雙臂馬赫曾德爾干涉儀上裝配熱敏電阻,以監控環境溫度,對檢測光信號進行穩定修正?;蛘?,將氧氣光學檢測裝置裝配在溫度控制器上,以保持溫度穩定,消除溫度的影響。

              38.實施例中,采用可調諧激光器,通過同時檢測輸出光譜的周期以及出光功率的整體變化實現氧氣濃度和溫度的同時檢測。

              39.如圖1所示,是基于光纖雙臂馬赫曾德爾干涉儀氧氣濃度檢測器原理結構示意圖。入射光通過y分支1:1進入雙臂,即兩根光纖。光在光纖中傳播并在透鏡光纖出射端面近似平行光出射。在空間傳播區進一步傳播后,通過透鏡光纖入射端面耦合再進入光纖。光繼續在光纖中傳播后到y分支合波器,合波器將兩根光纖的光合波到一根光纖輸出。如果光在雙臂中傳輸的光程相同,光纖出射端面相干相漲,輸出光功率為最大值。如果雙臂中光程不同導致具有光相位差180度相位差,y分支合波后光相干相消,最后在光纖出射段沒有光輸出,即輸出光功率為最小值0。如果相位差是其它值,那么輸出光功率介于最大值與0之間。

              40.如果外界環境沒有任何變化,輸出光功率隨時間不會改變。設計雙臂的光程相同,

              那么輸出為最大光功率。如果在一個臂的空間傳播區周圍裝配磁性材料或者采用線圈通電等方式,使得空間傳播區有外加磁場。因為氧分子具有順磁性,氧分子會向磁場方向移動。所以有外加磁場的空間傳播區積聚較多的氧分子,分子濃度增加,空間折射率也增加。這個臂的光程增加,形成雙臂相位差,此時光功率下降,如圖1。當環境氧氣濃度增加,空間傳播區聚集的氧分子濃度也響應增加,雙臂相位差增加,輸出光功率變化?;谶@種結構原理可以實現氧氣濃度的檢測。為了增加檢測靈敏度,可以增加外加磁場強度,或者有外加磁場的空間傳播區長度增加。

              41.環境溫度的改變對雙臂馬赫曾德爾干涉儀中光的干涉造成影響。不同的溫度,外加磁場的空間傳播區氧氣聚集效果不同。所以可以在檢測裝置設置熱敏電阻檢測溫度的改變。通過溫度對檢測輸出光功率影響數據的積累,從而矯正氧氣濃度檢測信號。

              42.對于非對稱雙臂結構,在外界溫度不變的情況下,輸出功率隨著波長改變而呈現周期性的改變,如圖3。雙臂管光程差越大,周期頻率越高。但是當溫度改變后,因為雙臂所在空間的折射率都發生改變,根據雙臂光相位差的公式,

              [0043][0044]

              其中n1和l1,n2和l2是分別兩個臂的折射率與臂長。它們都是溫度的函數,所以溫度的改變相位差也會發生改變。此外,因為氧氣濃度如果發生改變,雙臂光相位差也會改變。溫度和氧氣濃度改變導致的相位差會累加在一起。兩者綜合效應導致輸出光的光譜周期也會發生改變。同時光傳輸不同濃度因為散射損耗導致了光具有不同的傳輸損耗和耦合損耗,所以輸出光功率極大和極小值也會發生變化?;诳烧{諧激光器掃描波長檢測功率的周期性,以及通過光探測器檢測出光功率峰值,從而在同時檢測氧氣濃度信息同時檢測環境溫度信息。當然如果需要避免外界溫度的影響,可以將檢測裝置安裝在溫度控制器上,確保溫度的穩定。

              [0045]

              本發明提出的氧氣檢測裝置基于光纖馬赫曾德爾雙臂結構,在雙臂空間傳播區的光纖出射端面和入射端面可以用透鏡光纖實現,如圖2。此外,也可以采用擴束透鏡和匯聚透鏡組成空間傳播區,如圖4。擴束透鏡的位置進行優化使得出射的光為平行光,匯聚透鏡的位置優化后可以得到很高光到光纖耦合效率。這樣采用透鏡的方法可以更好地減小光的損耗,輸出功率大,探測傳感信號的信噪比高。

              [0046]

              為了增加空間傳播區光傳輸的距離。一個臂上可以采用如圖5所示的3平面反射鏡和一個凹面反射鏡形成長光程結構。氧氣濃度的改變,光程變化大,雙臂的光相位差改變更加明顯,從而增加檢測的靈敏度。

              [0047]

              除開了光纖型結構,也可以采用空間光學的結構實現雙臂馬赫曾德爾干涉儀結構。如圖6所示,采用半透半反膜使光束1:1分成12束,其中1束光通過反射鏡后90度反射,在后續德光路上裝配磁性材料,設置外加磁場。另一束光經過反射鏡90度反射,兩束光通過第二個半透半反膜合束。探測光功率的變化提取氧氣濃度信息。也可以采用分束棱鏡替代半透半反膜,如圖7所示。

              [0048]

              磁性材料可以采用一般永磁材料,包括鋁鎳鈷,鐵氧體等,也可以采用稀土永磁材料,包括釤鈷,釹鐵硼等。利用機械裝配將磁鐵固定在空間傳播區兩側。此外也可以將磁性材料直接鍍膜在光纖或者載體上,如圖8和9。磁性材料的鍍膜方法比如真空蒸發法。即在真

              空狀態下將加熱蒸發的磁性材料沉積在基片上。電沉積法,即將磁性材料和基片做成陽極和陰極,在電解液中通過電化學作用,磁性陽極材料沉積到陰極基片上?;蛘呤菫R射法。即將磁性陽極材料和基片分別作為陰極和陽極,在抽真空后又充入惰性氣體電離成離子并高速轟擊陰極,使陰極表面濺射出的原子附著于陽極基片上。此外,還有外延生長法、化學鍍膜法等。

              [0049]

              以上所述,僅是本發明的較佳實施例,并非對本發明作任何形式上的限制,任何熟悉本專業的技術人員,在不脫離本發明技術方案范圍內,依據本發明的技術實質,對以上實施例所作的任何簡單的修改、等同替換與改進等,均仍屬于本發明技術方案的保護范圍之內。技術特征:

              1.一種氧氣光學檢測裝置,其特征在于:使用激光器作為光源,經過光纖分路器傳導,采用光纖雙臂馬赫曾德爾干涉儀光學系統,包括對應的第一光纖雙臂、第二光纖雙臂,其中第一光纖雙臂通過第一透鏡光纖端面出射平行光束,光經過空間傳播區傳播后經過第二透鏡光纖端面耦合到第二光纖雙臂,光經過第二光纖雙臂傳播后y分支合波進入單根光纖輸出;在第一光纖雙臂、第二光纖雙臂的其中一個對應的臂的空間傳播區內裝配有磁性材料,光傳播經過磁性材料形成的磁場區域,該磁場區域為氧氣濃度檢測區域,利用光電探測器探測輸出光的強度變化得到氧氣濃度信息。2.根據權利要求1所述的氧氣光學檢測裝置,其特征在于:入射光通過半透半反膜或者分束棱鏡進行分束,在其中一束光的傳播路徑上裝配磁性材料,光在經過半透半反膜或者分束棱鏡合束輸出。3.根據權利要求1所述的氧氣光學檢測裝置,其特征在于:在第一光纖雙臂后裝配擴束透鏡,在第二光纖雙臂前裝配匯聚透鏡,光通過第一光纖雙臂出射后經過擴束透鏡形成平行光束,再經過匯聚透鏡耦合進入第二光纖雙臂。4.根據權利要求1所述的氧氣光學檢測裝置,其特征在于:在第一光纖雙臂、第二光纖雙臂的其中一個對應的臂的空間傳播區內裝配三個平面反射鏡和一個凹面反射鏡,光經過三次平面反射鏡以及一次凹面反射鏡耦合到入第二光纖雙臂,增加一個臂的光程,該臂的空間傳播區裝配磁性材料作為氧氣濃度檢測區域。5.根據權利要求1所述的氧氣光學檢測裝置,其特征在于:所述的磁性材料為通過材料鍍膜直接生長或者物理機械裝配的方式固定在光的空間傳播區。6.根據權利要求5所述的氧氣光學檢測裝置,其特征在于:所述的磁性材料直接鍍膜在第一光纖雙臂、第二光纖雙臂的其中一個對應的臂之間的空間傳播區,該區域為氧氣檢測區域。7.根據權利要求5所述的氧氣光學檢測裝置,其特征在于:所述的磁性材料采用通電線圈。8.根據權利要求1所述的氧氣光學檢測裝置,其特征在于:在光纖雙臂馬赫曾德爾干涉儀上裝配熱敏電阻,以監控環境溫度,對檢測光信號進行穩定修正。9.根據權利要求1所述的氧氣光學檢測裝置,其特征在于:將氧氣光學檢測裝置裝配在溫度控制器上,以保持溫度穩定,消除溫度的影響。10.根據權利要求1所述的氧氣光學檢測裝置,其特征在于:所述的激光器采用可調諧激光器,通過同時檢測輸出光譜的周期以及出光功率的整體變化實現氧氣濃度和溫度的同時檢測。

              技術總結

              本發明涉及一種氧氣光學檢測裝置,使用激光器作為光源,經過光纖分路器傳導,采用光纖雙臂馬赫曾德爾干涉儀光學系統,包括對應的第一光纖雙臂、第二光纖雙臂,其中第一光纖雙臂通過第一透鏡光纖端面出射平行光束,光經過空間傳播區傳播后經過第二透鏡光纖端面耦合到第二光纖雙臂,光經過第二光纖雙臂傳播后Y分支合波進入單根光纖輸出;在第一光纖雙臂、第二光纖雙臂的其中一個對應的臂的空間傳播區內裝配有磁性材料,光傳播經過磁性材料形成的磁場區域,該磁場區域為氧氣濃度檢測區域,利用光電探測器探測輸出光的強度變化得到氧氣濃度信息。本發明的檢測裝置具有結構緊湊、無源、抗電磁干擾等優點??闺姶鸥蓴_等優點??闺姶鸥蓴_等優點。

              技術研發人員:楊炳雄 徐洋 施躍春

              受保護的技術使用者:南京浦光芯片科技有限公司

              技術研發日:2021.11.29

              技術公布日:2022/3/18
              聲明:
              “氧氣光學檢測裝置的制作方法” 該技術專利(論文)所有權利歸屬于技術(論文)所有人。僅供學習研究,如用于商業用途,請聯系該技術所有人。
              我是此專利(論文)的發明人(作者)
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