光纤气体传感器实验装置

摘要

一种光纤气体传感器实验装置，在滑轨设置有4个滑座，左端的滑座上设置安装有光纤准直器的入射端子支架，入射端子支架上设置有光纤入射端子，中部的2个滑座上分别设置有顶部安装有V形安装座的气室升降架，V形安装座上设置有玻璃气室，右端的滑座上设置有移动台，移动台上设置上端安装有光纤反射端子的反射端子升降架。本发明具有结构简单、能损耗小、成本低、实验操作简单、安全且易维护等优点，可研究气室长度的变化与气体浓度的关系以及气室直径的变化与气体浓度的关系。可在实验教学和科学研究的开放待测气体环境、以及封闭的待测气体环境中使用。

说明书

技术领域

本发明属于气体传感技术领域，具体涉及到一种光纤吸收式气体传感器实验装置。

背景技术

光纤气体传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的以光波为载体、光纤为媒质感知和传输外界被测信号的新型传感技术，在工业生产、环境监测和医学等多个领域有着广阔的应用前景。与传统的电式传感器相比，光纤气体传感器具有本质安全、灵敏度高、测量精度高、响应速度快、动态范围大、抗电磁干扰能力强并且容易实现遥测等优点，特别适宜在各种有毒、有害、易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下连续在线工作，所以光纤气体传感器的研究在国内外均受到广泛的重视，成为目前气体传感器研究的热点。为了便于吸收式气体传感的特性研究，当前需要解决的技术问题是研制一种光纤气体传感头实验装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种设计合理、结构简单、操作方便的光纤气体传感器实验装置。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：在滑轨设置有4个滑座，左端的滑座上设置安装有光纤准直器的入射端子支架，入射端子支架上设置前端面安装有入射端子玻璃片的光纤入射端子，中部的2个滑座上分别设置有顶部安装有V形安装座的气室升降架，V形安装座上设置有玻璃气室，右端的滑座上设置有移动台，移动台上设置上端安装有光纤反射端子的反射端子升降架。

本发明的光纤入射端子、玻璃气室、光纤反射端子位于同一条水平光轴上。

本发明的光纤反射端子为：壳体的前端面设置有反射端子玻璃片，反射端子玻璃片后面设置有平凹透镜，壳体的后面设置有固定在升降架顶端的固定块，在固定块和壳体之间的中心位置设置有钢珠，壳体后端面和固定块前端面上各向内加工有位置相对应的4个竖直排列在同一直线上的固定槽，在每个固定槽的底部安装有拉簧固定杆，在壳体内的拉簧固定杆和在固定块内的拉簧固定杆之间联接有拉簧，固定块上设置2个端部与壳体搭接的调节螺钉。

本发明的玻璃气室为：在玻璃管两端设置有气嘴，气嘴上设置装有密封管卡的气管，玻璃管的两端设置有相互平行、与竖平面的夹角φ为3°～10°的密封玻璃片。

本发明的平凹透镜的直径为25.4mm、焦距为150～200mm、厚度为4～5mm，玻璃片与平凹透镜的距离为3～8mm。

本发明采用光源经过入射光纤入射到光纤准直器，从光纤准直器出射的光线从玻璃气室的左端进去、右端射出到光纤反射端子，经光纤反射端子反射进入光纤准直器，再进入出射光纤输出。本发明具有结构简单、能损耗小、成本低、实验操作简单、安全且易维护等优点。可在实验教学和科学研究的开放待测气体环境、以及封闭的待测气体环境中使用。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图。

图2为图1中光纤反射端子6的结构示意图。

图3为图1中玻璃气室4端部密封玻璃片的安装示意图。

具体实施方式

下面结合附图和各实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

在图1中，本实施例的光纤气体传感器实验装置由光纤准直器1、光纤入射端子2、气室升降架3、玻璃气室4、V形安装座5、光纤反射端子6、移动台座7、螺杆螺套平动机构8、移动台9、滑座10、反射端子升降架11、标尺12、滑轨13、入射端子支架14、入射端子玻璃片15联接构成。

如图1所示，在矩形长条结构的滑轨13两端的底部各开有一加工有内螺纹的盲孔，盲孔内螺纹联接有升降螺栓，标尺12贴在滑轨13的前侧面上，滑轨13上安装有4个矩形的沿滑轨13移动的滑座10，滑座10的底部加工有与滑轨13宽度相同的的凹槽，滑座10放置在滑轨13上，滑座10可沿着滑轨13左右移动，滑座10的前侧面上刻制有对准刻线。入射端子支架14的底部焊接联接在位于滑轨13最左端的滑座10的中心位置，入射端子支架14的上部为半圆形、下部为矩形，光纤入射端子2的壳体焊接联接在入射端子支架14的上部，光纤入射端子2的前端面上用紧固螺钉固定镀有增透膜的入射端子玻璃片15，增透膜的作用是减少由于玻璃片表面反射而造成的输出光能的损失，本实施例入射端子玻璃片15表面镀的增透膜为氟化镁，真空蒸镀3层，入射端子支架14上部的中心位置安装有穿过光纤入射端子2壳体中心的光纤准直器1。位于滑轨13中部的两个滑座10的中心位置处各焊接联接有一个气室升降架3，气室升降架3为机械设计中常规设计，即由升降杆和升降杆套构成，升降杆可在升降杆套内上下移动，升降杆套外壁上通过螺纹联接安装有紧固螺钉，升降杆在升降杆套内上下移动的位置确定后，用紧固螺钉固定。气室升降架3的顶端焊接联接有V形安装座5，V形安装座5的内侧贴有防滑垫，水平玻璃气室4放置在V形安装座5上。移动台座7的底部用螺纹紧固联接件固定在位于滑轨13最右端的滑座10上，移动台座7与滑轨13等宽，移动台座7的上表面加工有两条与滑轨13相垂直的凹槽，移动台9放置在移动台座7上，移动台9的下表面加工有两条位置与移动台座7上的凹槽相对应的两条凸肋，移动台9下表面的凸肋镶嵌在移动台座7上表面的凹槽内，移动台9的前端安装有螺杆螺套平动机构8，螺杆螺套平动机构8为机械设计中的常规设计，即由位移调节螺纹旋钮和固定在移动台9内部的螺纹套构成，旋转位移调节螺纹旋钮使移动台9沿垂直于滑轨13的方向在移动台座7上前后移动。在移动台9的中心位置上焊接联接反射端子升降架11，反射端子升降架11的顶端焊接联接有光纤反射端子6，光纤入射端子2、玻璃气室4、光纤反射端子6位于同一条水平光轴上。

如图2所示，本实施例的光纤反射端子6由壳体6-1、反射端子玻璃片6-2、平凹透镜6-3、固定块6-4、拉簧6-5、钢珠6-6、固定槽6-7、拉簧固定杆6-8、调节螺钉6-9联接构成。

在壳体6-1的前端面上用紧固螺钉安装有反射端子玻璃片6-2，反射端子玻璃片6-2上真空蒸镀有增透膜，增透膜的作用是减少由于玻璃片表面反射而造成的输出光能的损失，本实施例的增透膜为氟化镁，真空蒸镀3层，反射端子玻璃片6-2的后面安装有平凹透镜6-3，平凹透镜6-3的直径为25.4mm  焦距为150mm、厚度为4.3mm，反射端子玻璃片6-2与平凹透镜6-3的距离为4mm。壳体6-1的后面设置有固定块6-4，固定块6-4为轴线水平的圆柱形，固定块6-4的底部焊接联接在反射端子升降架11的顶端，在固定块6-4和壳体6-1之间的中心位置处设置有钢珠6-6，固定块6-4和壳体6-1之间通过4根拉簧6-5联接。壳体6-1的后端面和固定块6-4的前端面上各向内加工有位置相对应的4个竖直排列在同一直线上的固定槽6-7，在每个固定槽6-7的底部焊接联接有拉簧固定杆6-8，拉簧6-5的一端安装在壳体6-1内的拉簧固定杆6-8上、另一端安装在固定块6-4内的拉簧固定杆6-8上。固定块6-4上加工有2个竖直排列的内安装有螺套的从前到后的通孔，调节螺钉6-9通过螺纹联接安装在通孔内的螺套内，调节螺钉6-9的前端与壳体6-1的后端面搭接，旋转调节螺钉6-9可以调节光纤反射端子6的角度。

如图1和图3所示，本实施例的玻璃气室4由玻璃管4-1、气嘴4-2、密封管卡4-3、气管4-4、密封玻璃片4-5联接构成。在玻璃管4-1的轴向两外侧制作有与玻璃管4-1连为一体的气嘴4-2，气嘴4-2上安装有气管4-4，气管4-4与被测的气体相连通，气管4-4上安装有气管密封管卡4-3，气管密封管卡4-3用于将进入玻璃管4-1内的气体关闭或打开，玻璃管4-1的两端用胶粘接有相互平行、与竖平面的夹角φ为6°的密封玻璃片4-5。本实施例的玻璃管4-1可采用直径相同、长度不同的管子，也可采用长度相同，直径不同的管子，在做不同的实验可选用不同长度不同直径的玻璃管4-1。这种结构的玻璃气室4，可以减小光通过玻璃气室4的损耗。

实施例2

在本实施例中，玻璃气室4两端的密封玻璃片4-5与竖平面的夹角φ为3°，其余零部件以及零部件的联接关系与实施例1的相同。

实施例3

在本实施例中，玻璃气室4两端的密封玻璃片4-5与竖平面的夹角φ为10°，其余零部件以及零部件的联接关系与实施例1的相同。

实施例4

在以上的实施例1～3中，平凹透镜6-3的平凹透镜6-3的直径为25.4mm、焦距为150mm、厚度为5mm，反射端子玻璃片6-2与平凹透镜6-3的距离为3mm。其余零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。

实施例5

在以上的实施例1～3中，平凹透镜6-3的平凹透镜6-3的直径为25.4mm、焦距为200mm、厚度为4mm，反射端子玻璃片6-2与平凹透镜6-3的距离为8mm。其余零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。

本发明的工作过程如下：

实验时，将待测气体充入到玻璃气室4中，用密封管卡4-3密封玻璃气室4上的气管4-4，旋转升降螺栓调整滑轨13至水平，将光纤入射端子2、光纤反射端子6、V形安装座5调整到需要的高度，玻璃气室4放在V形安装座5上，光源经过入射光纤入射到光纤准直器1中，从光纤准直器1出射的光线从玻璃气室4的左端进去、右端出来，射在光纤反射端子6上，调整光纤反射端子6下方的升降杆3和调节螺钉6-9，使光线汇聚并反射进入光纤准直器1，再进入出射光纤，最后通过光谱分析仪探测待测气体经玻璃气室4吸收后光强的变化，得到待测气体的浓度。

本发明可以在开放的待测气体环境中使用，也可放在封闭的待测气体环境中使用，具有机械及光学结构简单、损耗小、成本低、实验操作简单、安全且易维护等优点，适合于实验教学和科学研究，不仅可以研究气室长度的变化与气体浓度的关系，而且可以研究气室直径的变化与气体浓度的关系。只要选择不同波长的激光光源和对该波长耦合效率较高的光纤准直器1，即可方便灵活地研究不同气体的吸收特性；而光纤反射端子6的倾角调节功能，更能够方便地实现光线的汇聚及反射后的光线与光纤准直器1的对准耦合。

为了验证本发明的有益效果，发明人采用本发明实施例1制备的光纤气体传感器实验装置进行实验室研究实验，各种实验情况如下：

实验仪器：分布反馈式半导体激光器，型号为IPDFD1601型光源，由美国InPhenix公司生产；光谱分析仪，型号为MS9710C，由日本Anritsu公司生产。

1、低浓度甲烷气体实验

用本发明的实验装置测定低浓度甲烷气体的浓度与光强相对变化的关系，选取1665.57nm的甲烷吸收谱线作为测量谱线，调节温控装置，将光源的中心波长对准选取的吸收谱线并锁定，用光谱分析仪探测吸收峰的峰值功率相对变化量，以此作为光强的相对变化量。实验数据如表1所示。

表1不同浓度甲烷气体的光强度的变化量

  甲烷气体浓度(％) 0  0.5  1.0  1.5  2.0  2.5  3.0  3.5  4.0  4.5  5.0  5.5  6.0  光强相对变化量(％) 0  1.3  2.4  3.4  4.5  5.6  6.7  7.7  8.8  9.8  10.9  12  13.1

由表1可知，光强的相对变化量与甲烷气体的浓度值呈线性关系。

2、乙炔气体实验

用本发明的实验装置测定乙炔气体的浓度与吸收谱线峰值功率的关系，乙炔气体在1510nm～1540nm之间有50根明显的吸收谱线，本实验选择1533.01nm、1534.27nm和1535.57nm这3根吸收较强的谱线来测定浓度与吸收谱线峰值功率的关系。采用宽带光源，光纤光栅匹配，用光谱仪探测峰值功率的变化。实验结果如表2所示。

表2.乙炔气体浓度与吸收谱线峰值功率的关系表

由表2可知，谱线峰值功率与乙炔气体的浓度呈线性关系。