1.本技术涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种用于气体浓度探测的光纤结构和气体浓度探测系统。
背景技术：2.光纤传感技术是上世纪70年代伴随着光纤技术和光通信技术迅猛发展起来的一种新型传感技术。目前光纤型气体浓度传感器处于初步研发阶段。与其他传统的气体浓度传感器相比，光纤型气体浓度传感器具有以下独特的优势：无源性不存在电火花隐患、体积小、柔韧性好、抗电磁干扰、耐腐蚀、强复用能力和高信息传输容量，可实现多参数、多通道的测量，有利于成本的降低。然而，目前的光纤型气体浓度传感器在实际环境气体测量应用过程中，由于其空气型纤芯与环境的气体通道较小，环境气体在纤芯中的扩散较慢，因而传感过程中会产生严重的滞后。实验室环境下多采用将传感光纤部分置于一个相对负压的容器中加速气体扩散，因而该方法不适用于实际生产生活中的环境气体浓度测量。
技术实现要素：3.本技术实施例的目的是提供一种用于气体浓度探测的光纤结构和气体浓度探测系统，以解决相关技术中存在的气体浓度测量过程的无法保障实时性的技术问题。
4.根据本技术实施例的第一方面，提供一种用于气体浓度探测的光纤结构，包括：
5.负压装置，用于产生负压；
6.第一单模光纤，具有第一纤芯和空气孔，所述第一纤芯用于接收和传输光信号，所述空气孔的一端与所述负压装置相连通；
7.空芯光纤，所述空气型纤芯的空芯一端与所述空气孔的另一端相连通，空芯另一端旁具有气体入口；
8.第二单模光纤，具有第二纤芯，所述第二纤芯用于接收和传输通过所述空芯后的光信号。
9.进一步地，所述负压装置为一具有负压的腔体，或为一负压抽气泵。
10.进一步地，所述第一单模光纤包括第一纤芯、空气孔和第一包层，所述第一纤芯用于传输光信号，所述空气孔用于提供气体传输路径。
11.进一步地，所述空芯光纤为光子晶体空芯光纤或者反谐振空芯光纤。
12.进一步地，所述第一单模光纤为边孔光纤或中孔偏芯光纤。
13.进一步地，所述中孔偏芯光纤空气孔位于光纤横截面圆心处。
14.根据本技术实施例的第一方面，提供一种气体浓度探测系统，包括：
15.光源模块，用于产生光信号；
16.第一方面所述的用于气体浓度探测的光纤结构，所述光纤结构的入射端接收所述光信号；
17.光信号采集模块，与所述光纤结构的出射端相连，用于采集出射端射出的光信号，
并将采集的光信号转换为电信号；
18.信号解调模块，与所述光信号采集模块相连，用于接收所述电信号，并根据所述电信号，解调出气体浓度信号。
19.根据本技术实施例的第三方面，提供一种气体浓度探测系统，包括：
20.光源模块，用于产生光信号；
21.光纤环形器，所述光纤环形器具有第一端口、第二端口和第三端口，所述光信号从所述第一端口进入所述光纤环形器，从第二端口射出；
22.第一方面所述的用于气体浓度探测的光纤结构，所述光纤结构的入射端接收所述第二端口射出的光信号；
23.反射装置，布置在所述光纤结构的出射端处，用于将出射端射出的光信号原路反射回所述光纤环形器，再从所述第三端口射出；
24.光信号采集模块，与所述第三端口相连，用于采集第三端口射出的光信号，并将采集的光信号转换为电信号；
25.信号解调模块，与所述光信号采集模块相连，用于接收所述电信号，并根据所述电信号，解调出气体浓度信号。
26.本技术的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
27.现有技术一般采用在探测端额外增加气泵装置来实现将外界待测气体抽进传感器作用区域，这种方案要求探测端能为气泵装置进行供电，而本技术采用具有空气孔的单模光纤与探测气体用的空芯光纤进行连接，克服了现有技术难以远程实现将外界待测气体抽进传感器的作用区域，可以利用具有空气孔的单模光纤在远端提供负压，实现探测端无需供电的技术效果。
28.本技术采用了透射式或反射式的调解方案，采用了透射式的光纤传输方式，能够简单、低损耗地将探测光传输到解调系统；而反射式的调解方案，由于在传感器末端设置了反射装置，可以将探测信号沿光纤原路回到解调系统，整个光纤传输系统只需要一根光纤，节省了布线资源并降低布线成本。
29.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。
附图说明
30.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本技术的实施例，并与说明书一起用于解释本技术的原理。
31.图1是本发明实施例1示出的一种用于气体浓度探测的光纤结构的结构示意图。
32.图2是本发明一实施方式的第一单模光纤的结构示意图。
33.图3是本发明又一实施方式的第一单模光纤的结构示意图。
34.图4是本发明实施例2示出的一种气体浓度探测系统的结构示意图。
35.图5是本发明实施例3示出的一种气体浓度探测系统的结构示意图。
36.图中的附图标记有：
37.100、光纤结构；110、负压装置；120、第一单模光纤；121、第一纤芯；122、空气孔；123、第一包层；130、空芯光纤；140、第二单模光纤；200、光源模块；300、光信号采集模块；
400、信号解调模块；500、光纤环形器；600、反射装置。
具体实施方式
38.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的装置和方法的例子。
39.在本技术使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本技术。在本技术和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
40.实施例1：
41.图1是本发明实施例1示出的一种用于气体浓度探测的光纤结构100的结构示意图。参考图1，本发明实施例提供一种用于气体浓度探测的光纤结构100，包括：负压装置110、第一单模光纤120、空芯光纤130和第二单模光纤140，所述负压装置110用于产生负压；所述第一单模光纤120，具有第一纤芯121和空气孔122，所述第一纤芯121用于接收和传输光信号，所述空气孔122的一端与所述负压装置110相连通；所述空气型纤芯的空芯一端与所述空气孔122的另一端相连通，空芯另一端旁具有气体入口；所述第二单模光纤140具有第二纤芯，所述第二纤芯用于接收和传输通过所述空芯后的光信号。
42.工作时，负压装置110的负压通过第一空气孔122为空芯光纤130的空芯提供一个相对于环境的负压条件，使得环境气体在负压腔的作用下，快速扩散至空芯光纤130的空芯内部，能反映当前空芯光纤130所处环境，以保证环境气体浓度传感的实时性。
43.现有技术一般采用在探测端额外增加气泵装置来实现将外界待测气体抽进传感器作用区域，这种方案要求探测端能为气泵装置进行供电，而本技术采用具有空气孔的单模光纤与探测气体用的空芯光纤进行连接，克服了现有技术难以远程实现将外界待测气体抽进传感器的作用区域，可以利用具有空气孔的单模光纤在远端提供负压，实现探测端无需供电的技术效果。
44.在一种可选的实施方式中，所述负压装置110主要的作用是用于产生负压，从而可以快速将空芯光纤130所处的环境气体扩散至空芯光纤130的空芯内部。具体地，盖负压装置110可以为一具有负压的腔体，或为一负压抽气泵。
45.在一种可选的实施方式中，所述第一单模光纤120包括第一纤芯121、空气孔122和第一包层123，所述第一纤芯121用于传输光信号，所述空气孔122用于提供气体传输路径。所述第一单模光纤120可以作为长距离传输载体进行光信号和气体传输，从而可用于气体浓度的远程传感。所述第二单模光纤140包括第二纤芯和第二包层，所述第二纤芯用于传输光信号。具体地，所述第一单模光纤120为边孔光纤或中孔偏芯光纤。所述第二单模光纤140为边孔光纤或中孔偏芯光纤。所述中孔偏芯光纤空气孔122位于光纤横截面圆心处。
46.在本实施方式中，具有第一单模光纤120为边孔光纤，其截面可以参考图2所示，边孔光纤还包括第一纤芯121、空气孔122和第一包层123。
47.在本实施方式中，第一单模光纤120为中孔偏芯光纤，其截面可以参考图3所示，中
孔偏芯光纤还包括位于光纤横截面圆心处的空气孔122、第一纤芯121和第一包层123。
48.在一种可选的实施方式中，所述空芯光纤130为光子晶体空芯光纤130或者反谐振空芯光纤130。空芯光纤130包括空芯(空气型纤芯)和包层，空芯提供光气共径条件，通过激光吸收光谱实现气体浓度传感。
49.实施例2：
50.图4是本发明实施例2示出的一种气体浓度探测系统的结构示意图。参考图4，本技术实施例提供一种气体浓度探测系统，包括：
51.光源模块200，用于产生光信号；
52.实施例1所述的用于气体浓度探测的光纤结构100，所述光纤结构100的入射端接收所述光信号；
53.光信号采集模块300，与所述光纤结构100的出射端相连，用于采集出射端射出的光信号，并将采集的光信号转换为电信号；
54.信号解调模块400，与所述光信号采集模块300相连，用于接收所述电信号，并根据所述电信号，解调出气体浓度信号。
55.工作时，负压装置110的负压通过第一空气孔122为空芯光纤130的空芯提供一个相对于环境的负压条件，使得环境气体在负压腔的作用下，快速扩散至空芯光纤130的空芯内部，该空芯提供光气共径条件，利用激光吸收光谱技术，通过光信号采集模块300采集气体吸收信号，通过信号解调模块400解调指定待测气体对对应波长的光谱吸收效果，从而反映当前空芯光纤130所处环境的待测气体浓度含量，以保证环境气体浓度传感的实时性。
56.采用了透射式的光纤传输方式，能够简单、低损耗地将探测光传输到解调系统。
57.实施例3：
58.图5是本发明实施例3示出的一种气体浓度探测系统的结构示意图。参考图5，本技术实施例提供一种气体浓度探测系统，包括：
59.光源模块200，用于产生光信号；
60.光纤环形器500，所述光纤环形器500具有第一端口、第二端口和第三端口，所述光信号从所述第一端口进入所述光纤环形器500，从第二端口射出；
61.实施例1所述的用于气体浓度探测的光纤结构100，所述光纤结构100的入射端接收所述第二端口射出的光信号；
62.反射装置600，布置在所述光纤结构100的出射端处，用于将出射端射出的光信号原路反射回所述光纤环形器500，再从所述第三端口射出；
63.光信号采集模块300，与所述第三端口相连，用于采集第三端口射出的光信号，并将采集的光信号转换为电信号；
64.信号解调模块400，与所述光信号采集模块300相连，用于接收所述电信号，并根据所述电信号，解调出气体浓度信号。
65.工作时，负压装置110的负压通过第一空气孔122为空芯光纤130的空芯提供一个相对于环境的负压条件，使得环境气体在负压腔的作用下，快速扩散至空芯光纤130的空芯内部，该空芯提供光气共径条件，利用激光吸收光谱技术，通过光信号采集模块300采集气体吸收信号，通过信号解调模块400解调指定待测气体对对应波长的光谱吸收效果，从而反映当前空芯光纤130所处环境的待测气体浓度含量，以保证环境气体浓度传感的实时性。
66.反射式的调解方案，由于在传感器末端设置了反射装置，可以将探测信号沿光纤原路回到解调系统，整个光纤传输系统只需要一根光纤，节省了布线资源并降低布线成本。
67.光纤之间的连接方式可以为套管拼接方式或熔接方式。套管拼接方式中，空芯光纤130和第二单模光纤140连接处可以留有气体通过的间隙(即为气体入口)。熔接方式中，可在空芯光纤130的端部打孔作为气体入口；使用中孔偏芯光纤作为第二单模光纤140时，由于光纤中的空气孔122位于圆心处，纤芯对准熔接后空气孔122相对于外界会自然留有气体通路。
68.以上所述实施例的各技术特征可以进行组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
技术特征：1.一种用于气体浓度探测的光纤结构，其特征在于，包括：负压装置，用于产生负压；第一单模光纤，具有第一纤芯和空气孔，所述第一纤芯用于接收和传输光信号，所述空气孔的一端与所述负压装置相连通；空芯光纤，所述空气型纤芯的空芯一端与所述空气孔的另一端相连通，空芯另一端旁具有气体入口；第二单模光纤，具有第二纤芯，所述第二纤芯用于接收和传输通过所述空芯后的光信号。2.根据权利要求1所述的一种用于气体浓度探测的光纤结构，其特征在于，所述负压装置为一具有负压的腔体，或为一负压抽气泵。3.根据权利要求1所述的一种用于气体浓度探测的光纤结构，其特征在于，所述第一单模光纤包括第一纤芯、空气孔和第一包层，所述第一纤芯用于传输光信号，所述空气孔用于提供气体传输路径。4.根据权利要求1所述的一种用于气体浓度探测的光纤结构，其特征在于，所述空芯光纤为光子晶体空芯光纤或者反谐振空芯光纤。5.根据权利要求1所述的一种用于气体浓度探测的光纤结构，其特征在于，所述第一单模光纤为边孔光纤或中孔偏芯光纤。6.根据权利要求5所述的一种用于气体浓度探测的光纤结构，其特征在于，所述中孔偏芯光纤空气孔位于光纤横截面圆心处。7.一种气体浓度探测系统，其特征在于，包括：光源模块，用于产生光信号；权利要求1-6任一项所述的用于气体浓度探测的光纤结构，所述光纤结构的入射端接收所述光信号；光信号采集模块，与所述光纤结构的出射端相连，用于采集出射端射出的光信号，并将采集的光信号转换为电信号；信号解调模块，与所述光信号采集模块相连，用于接收所述电信号，并根据所述电信号，解调出气体浓度信号。8.一种气体浓度探测系统，其特征在于，包括：光源模块，用于产生光信号；光纤环形器，所述光纤环形器具有第一端口、第二端口和第三端口，所述光信号从所述第一端口进入所述光纤环形器，从第二端口射出；权利要求1-6任一项所述的用于气体浓度探测的光纤结构，所述光纤结构的入射端接收所述第二端口射出的光信号；反射装置，布置在所述光纤结构的出射端处，用于将出射端射出的光信号原路反射回所述光纤环形器，再从所述第三端口射出；光信号采集模块，与所述第三端口相连，用于采集第三端口射出的光信号，并将采集的光信号转换为电信号；信号解调模块，与所述光信号采集模块相连，用于接收所述电信号，并根据所述电信号，解调出气体浓度信号。
技术总结本发明公开一种用于气体浓度探测的光纤结构和气体浓度探测系统，用于气体浓度探测的光纤结构，包括：负压装置，用于产生负压；第一单模光纤，具有第一纤芯和空气孔，所述第一纤芯用于接收和传输光信号，所述空气孔的一端与所述负压装置相连通；空芯光纤，所述空气型纤芯的空芯一端与所述空气孔的另一端相连通，空芯另一端旁具有气体入口；第二单模光纤，具有第二纤芯，所述第二纤芯用于接收和传输通过所述空芯后的光信号。可以有效缩短环境气体在所述空芯光纤纤芯中的气体扩散时间，提高探测响应速度，并且可以实现远程无源式的气体浓度探测。测。测。
技术研发人员：吴胜楠 何赛灵 耿宇涵
受保护的技术使用者：浙大宁波理工学院
技术研发日：2022.07.07
技术公布日：2022/11/1
