一种痕量物质浓度测量系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光学检测领域，尤其涉及一种痕量物质浓度测量系统。
【背景技术】
[0002]随着光学技术的发展，越来越多的光学探测手段被运用于大气痕量气体和液体浓度的测量领域。与传统的取样和接触式化学测量方法相比，光谱测量方法抽取方便简单，能够测量痕量气体的绝对浓度而不改变他们的化学性质，并可实现对大范围大气污染的连续、实时、快速的遥感监测。
[0003]大气痕量气体如CO2、CH4、CO、NO、N3O4、NH3、SO2、C2H2、C2H4、C2H6 等，他们在大气中的浓度主要在ppt-ppm量级范围,光谱技术的探测灵敏度高,一般可达到ppbv-pptv等级。
[0004]可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术是利用二极管激光器的波长调谐特性，获得被选定的待测气体特征吸收光谱，从而对污染气体进行定性或定量分析。在大气痕量气体和气体泄漏中，为了提高探测灵敏度，在选用某一种激光调制技术如波长调制，振幅调制，频率或相位调制等的条件下，还需要和长光程吸收池相结合使用，才能发挥出光谱技术高灵敏度的优势。
[0005]传统吸收池的光程一般为光学反射腔，通过腔镜的调节实现测试光在腔内来回反射。此类腔可实现光程有限，一般在几米或几十米范围内。如果要提高吸收池的光程，则需要增加吸收池的体积。而这会降低设备的便携性。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种便携的痕量物质浓度测量系统，可大大提高检测信号光在吸收池里的光程，从而提高检测灵敏度，适用于气体痕量物质和液体痕量物质的测量。
[0007]为达到上述目的，本发明提供的技术方案为:一种痕量物质浓度测量系统，包括依光路设置的光源、分光单元、耦合单元、无芯光纤、第二探测器，以及设于分光单元一侧的第一探测器；所述无芯光纤无叠加并排缠绕在一光纤支架上；所述分光单元将光源发出的光分为参考光和信号光，所述参考光直接入射到第一探测器，所述信号光经耦合单元耦合到无芯光纤内，经无芯光纤入射到第二探测器；所述无芯光纤直径接近信号光基波直径，所述信号光在无芯光纤内传输过程中，信号光趋于光纤表面，可被待测痕量物质吸收。
[0008]进一步的，所述光纤支架为单层支架，或为多个支架嵌套设置。
[0009]进一步的，缠绕于所述嵌套的各个支架上的无芯光纤首尾相互熔接在一起。
[0010]进一步的，所述光纤支架表面涂覆有低折射率膜层，所述低折射率膜层的折射率小于所述无芯光纤的折射率。
[0011]进一步的，所述光纤支架横截面为“一”字型、三角形、方形、菱形、多边形、圆形或椭圆形。
[0012]进一步的，所述缠绕于光纤支架上的无芯光纤总长度在千米数量级。
[0013]进一步的，所述无芯光纤总长度在0.1-100千米。
[0014]进一步的，所述光源为半导体激光器；所述分光单元为一分光镜；所述耦合单元包括一耦合透镜；所述第一探测器和第二探测器均为光电探测器。
[0015]进一步的，所述无芯光纤靠近耦合单元的输入端和靠近第二探测器的输出端均设有光纤连接头。
[0016]本发明的有益效果为:利用激光在直径接近基波直径的无芯光纤内传输时的趋肤效应，使在无芯光纤内传播的信号光可被待测物质吸收，进行痕量物质测量；采用光纤传输可大大提高检测信号光在吸收池里的光程，同时避免了分辨率受分光元件和狭缝宽带的影响，从而可有效提高光谱探测的灵敏度，而且体积小，携带方便，适用于气体痕量物质和液体痕量物质的连续、实时、快速的遥感监测，制作成本低。
【附图说明】
[0017]图1为本发明测量系统实施例一结构示意图；
图2为图1所示实施例一仰视示意图；
图3为本发明测量系统实施例二结构示意图。
[0018]附图标不:10、半导体激光器；20、分光镜；30、稱合透镜；40、光纤连接头；50、无芯光纤；60、光纤支架；61、第一层支架；62、第二层支架；71、第一探测器；72、第二探测器。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图和【具体实施方式】，对本发明做进一步说明。
[0020]本发明的痕量物质浓度测量系统采用接近基波直径的无芯光纤传导检测用信号光，利用长度达千米量级的无芯光纤表面激光的趋肤效应，使在无芯光纤内传播的信号光可被待测物质吸收，进行气体或液体中痕量物质的浓度检测。具体的，该痕量物质浓度测量系统，包括依光路设置的光源、分光单元、耦合单元、无芯光纤、第二探测器，以及设于分光单元一侧的第一探测器。其中，无芯光纤无叠加并排缠绕在一光纤支架上；分光单元将光源发出的光分为参考光和信号光，参考光直接入射到第一探测器，信号光经耦合单元耦合到无芯光纤内，经无芯光纤入射到第二探测器。无芯光纤直径接近信号光基波直径，信号光在无芯光纤内传输过程中，信号光趋于光纤表面，可被待测痕量物质吸收。即无芯光纤直径略小于、等于或略大于信号光基波直径，与基波直径相当，使得信号光在无芯光纤内传播时可产生趋肤效应。
[0021]优选的，缠绕于光纤支架上的无芯光纤总长度在千米数量级，如I千米或10千米，或是0.1-100千米之间。采用光纤传输可大大提高检测信号光在吸收池里的光程，同时避免了分辨率受分光元件和狭缝宽带的影响，从而可有效提高光谱探测的灵敏度，而且体积小，携带方便，适用于气体痕量物质和液体痕量物质的连续、实时、快速的遥感监测，制作成本低。
[0022]如图1和2所示的实施例一，光纤支架60为单层支架，千米量级长度的无芯光纤50无叠加并排缠绕于该光纤支架60上，测量时将该缠绕有无芯光纤50的光纤支架60置于吸收池内。半导体激光器10发出的激光经分光镜20分为参考光和信号光，参考光直接入射到第一探测器71，信号光由耦合透镜30耦合到无芯光纤50内，信号光在无芯光纤50内传输时趋于光纤表面，可被吸收池内的痕量物质吸收，最后由无芯光纤50输出具有吸收光谱信息的信号光，并由第二探测器72接收。通过对第一探测器71和第二探测器72的信号进行处理和数据分析，可得出被测气体或液体中痕量物质的含量。
[0023]如图3所示的实施例二，与实施例一不同的是，光纤支架60包括两个嵌套设置的支架:第一层支架61和第二层支架62，同样千米量级长度的无芯光纤50无叠加并排缠绕于第一层支架61和第二层支架62上，可减少光纤支架60的体积，从而进一步缩小该测量系统的体积。其中，缠绕于嵌套的第一层支架61上的无芯光纤50和第二层支架62上的无芯光纤50首尾相互熔接在一起，即第一层支架61上的无芯光纤50输出端与第二层支架62上的无芯光纤50输入端相互熔接。
[0024]如上，还可以设置第三层支架、第四层支架等，多层支架嵌套。
[0025]上述各实施例中，无芯光纤50的总长度可根据灵敏度要求和光纤损耗等因素，设置为几百米、I千米或几十千米等不同的长度。光纤支架60、第一层支架61和第二层支架62表面均涂覆有低折射率膜层，低折射率膜层的折射率小于所述无芯光纤的折射率，以防止信号光在无芯光纤50传输过程中无芯光纤50与光纤支架60接触处发生漏光。无芯光纤折射率一般在1.5左右，所以该膜层折射率要求小于1.5，越小越好，接近空气折射率为优选。光纤支架60横截面可以为“一”字型、三角形、方形、菱形、多边形、圆形或椭圆形等形状。第一探测器71和第二探测器72均为光电探测器。无芯光纤50靠近耦合透镜30的输入端和靠近第二探测器72的输出端均设有光纤连接头40。
[0026]尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上对本发明做出的各种变化，均为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种痕量物质浓度测量系统，其特征在于:包括依光路设置的光源、分光单元、耦合单元、无芯光纤、第二探测器，以及设于分光单元一侧的第一探测器；所述无芯光纤无叠加并排缠绕在一光纤支架上；所述分光单元将光源发出的光分为参考光和信号光，所述参考光直接入射到第一探测器，所述信号光经耦合单元耦合到无芯光纤内，经无芯光纤入射到第二探测器；所述无芯光纤直径接近信号光基波直径，所述信号光在无芯光纤内传输过程中，信号光趋于光纤表面，可被待测痕量物质吸收。
2.如权利要求1所述痕量物质浓度测量系统，其特征在于:所述光纤支架为单层支架。
3.如权利要求1所述痕量物质浓度测量系统，其特征在于:所述光纤支架为多个支架嵌套设置。
4.如权利要求3所述痕量物质浓度测量系统，其特征在于:缠绕于所述嵌套的各个支架上的无芯光纤首尾相互熔接在一起。
5.如权利要求1-4任一项所述痕量物质浓度测量系统，其特征在于:所述光纤支架表面涂覆有低折射率膜层，所述低折射率膜层的折射率小于所述无芯光纤的折射率。
6.如权利要求1-4任一项所述痕量物质浓度测量系统，其特征在于:所述光纤支架横截面为“一”字型、三角形、方形、菱形、多边形、圆形或椭圆形。
7.如权利要求1-4任一项所述痕量物质浓度测量系统，其特征在于:所述缠绕于光纤支架上的无芯光纤总长度在千米数量级。
8.如权利要求6所述痕量物质浓度测量系统，其特征在于:所述无芯光纤总长度在0.1-100 千米。
9.如权利要求1-4任一项所述痕量物质浓度测量系统，其特征在于:所述光源为半导体激光器；所述分光单元为一分光镜；所述耦合单元包括一耦合透镜；所述第一探测器和第二探测器均为光电探测器。
10.如权利要求1-4任一项所述痕量物质浓度测量系统，其特征在于:所述无芯光纤靠近耦合单元的输入端和靠近第二探测器的输出端均设有光纤连接头。
【专利摘要】本发明公开了一种痕量物质浓度测量系统，包括依光路设置的光源、分光单元、耦合单元、无芯光纤、第二探测器，以及设于分光单元一侧的第一探测器；无芯光纤无叠加并排缠绕在一光纤支架上；分光单元将光源发出的光分为参考光和信号光，参考光直接入射到第一探测器，信号光经耦合单元耦合到无芯光纤内，经无芯光纤入射到第二探测器。利用激光在直径接近基波直径的无芯光纤内传输时的趋肤效应，使在无芯光纤内传播的信号光可被待测物质吸收，进行痕量物质测量，可大大提高检测信号光在吸收池里的光程，同时可有效提高光谱探测的灵敏度，而且体积小，携带方便，适用于气体痕量物质和液体痕量物质的连续、实时、快速的遥感监测，制作成本低。
【IPC分类】G01N21-01
【公开号】CN104749102
【申请号】CN201310731440
【发明人】吴砺, 张新汉, 林志强, 李俊梅, 刘鸿飞, 林磊
【申请人】福州高意光学有限公司
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2013年12月26日