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CN113589426B - 空心光纤、气体检测系统及方法 - Google Patents

空心光纤、气体检测系统及方法 Download PDF

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CN113589426B CN202111066785.9A CN202111066785A CN113589426B CN 113589426 B CN113589426 B CN 113589426B CN 202111066785 A CN202111066785 A CN 202111066785A CN 113589426 B CN113589426 B CN 113589426B
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fiber
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Abstract

本发明提供了一种空心光纤、气体检测系统及方法，气体检测系统可以包括：太赫兹波产生装置、太赫兹波探测装置、耦合装置、光谱信息处理装置和空心光纤；太赫兹波产生装置，用于产生太赫兹波入射至耦合装置中；耦合装置与空心光纤的一端相连，用于将太赫兹波和待测气体分别耦合至空心光纤的纤芯及包层内，以使太赫兹波在纤芯内传输过程中与从包层渗透到纤芯内的待测气体进行反应，并从纤芯的另一端输出；太赫兹波探测装置探测从纤芯输出的太赫兹波，得到待测气体的吸收光谱发送给光谱信息处理装置；光谱信息处理装置，用于根据待测气体的吸收光谱得到分析结果。本方案，能够降低气体检测系统的体积以及提高气体检测效率。

Description

空心光纤、气体检测系统及方法
技术领域
本发明实施例涉及检测技术领域，特别涉及一种空心光纤、气体检测系统及方法。
背景技术
现有技术中，检测混合气体中所包括的气体组分以及各气体组分含量的方法，一般包括比色法、色谱法、分光光度法等。现有检测方法能够检测的气体组分比较单一，且检测系统体积较大。
发明内容
本发明实施例提供了一种空心光纤、气体检测系统及方法，能够降低气体检测系统的体积以及提高气体检测效率。
第一方面，本发明实施例提供了一种空心光纤，包括：纤芯、环绕所述纤芯内壁的包层以及所述包层外部的保护套；所述内壁上包括若干个通气孔。
优选地，所述纤芯为空心，且内充入有干燥空气。
优选地，所述包层采用的材料的折射率大于1。
优选地，所述包层内嵌设有多个有机结构体，所述有机结构体的材料为太赫兹波频段低损耗的热塑性有机聚合物。
优选地，所述有机结构体的横截面形状为条形、环形、圆形中的至少一种；和/或，
所述有机结构体的材料为聚乙烯、环烯烃共聚物和聚合物环脂中的至少一种。
优选地，所述包层内嵌设的所述多个有机结构体之间具有间隙，所述包层内的间隙通过所述内壁上的通气孔与所述纤芯连通。
优选地，所述空心光纤的一端包括纤芯入口和包层入口；所述空心光纤的另一端包括纤芯出口。
第二方面，本发明实施例提供了一种气体检测系统，包括太赫兹波产生装置、太赫兹波探测装置、耦合装置、光谱信息处理装置和如上述任一所述的空心光纤；
所述太赫兹波产生装置，用于产生太赫兹波，产生的太赫兹波入射至所述耦合装置中；
所述耦合装置与所述空心光纤的一端相连，用于将入射的太赫兹波和收集的待测气体分别耦合至所述空心光纤的纤芯及包层内，以使太赫兹波在所述纤芯内传输过程中与从包层渗透到纤芯内的所述待测气体进行反应，并从所述纤芯的另一端输出；
所述太赫兹波探测装置，用于探测从所述纤芯输出的太赫兹波，得到所述待测气体的吸收光谱，并将所述待测气体的吸收光谱发送给所述光谱信息处理装置；
所述光谱信息处理装置，用于根据所述待测气体的吸收光谱得到分析结果。
优选地，所述耦合装置包括用于接收太赫兹波的入射端口和用于接收待测气体的吸气端口，所述入射端口与所述空心光纤的纤芯入口连通，所述吸气端口与所述空心光纤的包层入口连通。
第三方面，本发明实施例提供了一种基于上述任一所述气体检测系统的气体检测方法，包括：
利用太赫兹产生装置产生太赫兹波，产生的太赫兹波入射至耦合装置中；
利用所述耦合装置将所述太赫兹波和待测气体分别耦合至所述空心光纤的纤芯及包层内，以使太赫兹波在所述内传输过程中与从包层渗透到纤芯内的所述待测气体进行反应，并从所述纤芯的另一端输出；
利用太赫兹波探测装置探测从所述纤芯输出的太赫兹波，得到所述待测气体的吸收光谱，并将所述待测气体的吸收光谱发送给所述光谱信息处理装置；
利用所述光谱信息处理装置根据所述待测气体的吸收光谱得到分析结果。
本发明实施例提供了一种空心光纤、气体检测系统及方法，利用空心光纤作为太赫兹波和待测气体的反应腔，可以使得太赫兹波在空心光纤的传输过程中能够与待测气体充分反应，且空心光纤能够弯曲，因此即使空心光纤长度较长，也可以通过弯曲使得空心光纤占用较小的空间，从而可以降低气体检测系统的体积。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例提供的一种空心光纤结构示意图；
图2是本发明一实施例提供的一种气体检测系统结构示意图；
图3是本发明一实施例提供的另一种气体检测系统结构示意图；
图4是本发明一实施例提供的一种时间延迟线结构示意图；
图5是本发明一实施例提供的气体检测方法流程图；
附图标记为：
1-纤芯；11-内壁；2-包层；21-结构体；3-保护套；201-太赫兹波产生装置；202-太赫兹波探测装置；203-耦合装置；204-光谱信息处理装置；205-空心光纤；206-气体收集箱；207-气体循环泵；208-报警单元；209-显示器；2011-飞秒激光器；2012-分束器；2013-时间延迟线；2014-保偏光纤；2015-光电导天线；2021-光电导探测天线；A1-脉冲输入口；A2～A4-反光镜；A5-脉冲输出口；A6-轮滑导轨。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如前所述，检测混合气体中所包括的气体组分以及各气体组分含量的方法，一般包括比色法、色谱法、分光光度法等。太赫兹(Terahertz，简称THz)波是指频率在0.1-10THz，波长在0.03-3mm范围内的电磁波，波段介于微波与远红外之间，处于传统电子学和光子学研究的边缘频谱区域，也是经典宏观理论向量子微观理论的过渡区域。太赫兹波段处于多数大分子的旋转频率和振动能级范围，太赫兹波与物质相互作用，可以反映出物质丰富的物理、化学信息，因此，太赫兹波在物质检测和识别方面有着巨大的发展前景和应用潜力。近年来，随着科学技术的发展，太赫兹波对大气环境中有害气体的检测、识别和传感等方面取得了重要进展。利用太赫兹波检测气体组分时，一般是将待测气体充入到一个球形反应腔内，利用太赫兹波与待测气体在球形反应腔内进行反应。但是反应腔体积较大，现有的气体检测系统便携性较差。考虑到太赫兹波能够在空心光纤中传输，可以自由的弯曲折叠，如果能够将待测气体充入到空心光纤中，使得太赫兹波在空心光纤的传输过程中与待测气体进行反应，即将空心光纤作为反应腔，在空心光纤的长度与现有反应腔直径相同时，将空心光纤弯曲，从而可以降低反应腔的体积，进而降低气体检测系统的体积，提高了气体检测系统的便携性。
下面描述以上构思的具体实现方式。
请参考图1，本发明实施例提供了一种空心光纤，包括纤芯1、环绕所述纤芯1内壁11的包层2以及所述包层2外部的保护套3；所述内壁11上包括若干个通气孔。
本发明实施例中，该纤芯用于传输太赫兹波，待测气体可以通过包层进入到空心光纤中，然后通过内壁上的通气孔渗透入纤芯中，随着太赫兹波在纤芯中传输距离的增加，与渗透入纤芯中的待测气体充分反应，然后从空心光纤的另一端输出，从而可以利用一个太赫兹波探测装置探测得到输出的太赫兹波，实现了对待测气体组分的检测。
在本发明一个实施例中，保护套不仅可以起到对空心光纤的保护作用，还可以对待测气体起到阻挡作用，使待测气体能够被充入到包层内，而不会散发到空心光纤的外部，使得待测气体在压力作用下通过纤芯内壁上的通气孔渗透入纤芯内。
在本发明一个实施例中，由于太赫兹波在大气环境中传输时，由于大气环境湿度较大等原因，容易被大气吸收，因此为了减少太赫兹波被大气的吸收，纤芯内充入有干燥空气，太赫兹波在纤芯中传输时，由于纤芯中的空气是干燥的，因此，相比于在大气环境中传输，可以降低被吸收的量，从而使得太赫兹波探测装置在空心光纤另一端探测得到的太赫兹波的光谱信息的准确性较高，进而提高检测结果的准确性。
在本发明一个实施例中，包层的等效折射率大于纤芯内的折射率。为了防止太赫兹波在传输过程中泄露到纤芯外部，通过将包层的等效折射率大于纤芯的折射率，从而可以将太赫兹波局限在纤芯内部。
当纤芯内的气体是空气时，那么纤芯内的折射率为1。如此，需要将包层内的等效折射率大于1。即包层材料的等效折射率大于1。
考虑到包层也会对太赫兹波进行吸收，为了降低包层对太赫兹波的吸收量，包层的材料可以为太赫兹波频段低损耗的热塑性有机聚合物。
另外，考虑到如果包层材料将包层填满，即将纤芯内壁与保护套之间的空隙填满包层材料，那么不仅空心光纤的重量较大，且较多的包层材料对太赫兹波的吸收也大，因此，为了进一步降低包层对太赫兹波的吸收，在本发明一个实施例中，包层2内嵌设有多个有机结构体21，所述有机结构体21的材料为太赫兹波频段低损耗的热塑性有机聚合物。
由于有机聚合物的折射率大于1，因此，通过将多个有机结构体嵌设在包层内，从而可以使得包层内的等效折射率大于1，即比纤芯内空气的折射率大，从而包层能够起到对太赫兹波的局限作用。
在本发明一个实施例中，该有机结构体的材料可以为聚乙烯、环烯烃共聚物和聚合物环脂中的至少一种。再比如，还可以为聚四氟乙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯等。
在本发明一个实施例中，该有机结构体的横截面形状为条形、环形、圆形中的至少一种。请参考图1，有机结构体为圆环内嵌椭圆环的结构，其中有机结构体的圆环直径为保护套半径与纤芯半径的差值，即圆环一端与与纤芯的内壁相接触，圆环另一端与保护套相接触，从而能够将圆环固定在纤芯与保护套之间。另外，有机结构体的椭圆环的一端与圆环内壁相接触，从而将椭圆环进行固定设置。
需要说明的是，图1所示的有机结构体的横截面形状为本发明优选实施例，除此之外，还可以为其它形状，只需能够满足包层在空心光纤中所起的作用即可。
在本发明一个实施例中，多个有机结构体在包层内均匀设置，从而将太赫兹波被很好的局域在纤芯内。
在本发明一个实施例中，由于有机结构体透气性相对较差，因此，该包层内嵌设的多个有机结构体之间具有间隙，包层内的间隙通过内壁上的通气孔与纤芯连通。从而可以使得充入到包层内的待测气体能够通过该通气孔渗透入纤芯内。比如图1中，相邻的两个有机结构体之间留有间隙，充入到该间隙的待测气体可以通过内壁上的通气孔渗透入纤芯内。
在本发明一个实施例中，为了能够便于空心光纤实现反应腔的功能，该空心光纤的一端包括纤芯入口和包层入口；该空心光纤的另一端包括纤芯出口。如此，该空心光纤可以通过纤芯入口接收太赫兹波，通过包层入口接收待测气体，然后太赫兹波从空心光纤另一端的纤芯出口处输出与待测气体反应后的太赫兹波。
为利用上述空心光纤实现对待测气体组分的检测，请参考图2，本发明实施例提供了一种气体检测系统，包括：太赫兹波产生装置201、太赫兹波探测装置202、耦合装置203、光谱信息处理装置204和如上述任一实施例所述的空心光纤205；
所述太赫兹波产生装置，用于产生太赫兹波，产生的太赫兹波入射至所述耦合装置中；
所述耦合装置与所述空心光纤的一端相连，用于将入射的太赫兹波和收集的待测气体分别耦合至所述空心光纤的纤芯及包层内，以使太赫兹波在所述纤芯内传输过程中与从包层渗透到纤芯内的所述待测气体进行反应，并从所述纤芯的另一端输出；
所述太赫兹波探测装置，用于探测从所述纤芯输出的太赫兹波，得到所述待测气体的吸收光谱，并将所述待测气体的吸收光谱发送给所述光谱信息处理装置；
所述光谱信息处理装置，用于根据所述待测气体的吸收光谱得到分析结果。
本发明实施例中，由于空心光纤能够被弯曲、被折叠，通过将空心光纤作为太赫兹波与待测气体的反应腔，该反应腔体积较小，占用空间小，因此，可以降低气体检测系统的体积，进而提高气体检测系统的便携性。
在本发明一个实施例中，为了保证太赫兹波与待测气体同时耦合到空心光纤中时耦合过程相互不受影响，该耦合装置可以包括用于接收太赫兹波的入射端口和用于接收待测气体的吸气端口，所述入射端口与所述空心光纤的纤芯入口连通，所述吸气端口与所述空心光纤的包层入口连通。如此，耦合装置可以从入射端口接收太赫兹波并通过空心光纤的纤芯入口耦合到纤芯内，以及耦合装置从吸气端口接收待测气体，并通过空心光纤的包层入口耦合到包层内，从而可以实现太赫兹波和待测气体的单独耦合，降低两者耦合过程中相互的影响。
接下来以图3所示的气体检测气体为例，对气体检测系统中各部件进行说明。
首先，太赫兹波产生装置201可以包括飞秒激光器2011、分束器2012、时间延迟线2013、保偏光纤2014和光电导天线2015。
飞秒激光器输出的激光脉冲经分束器将激光脉冲分为泵浦脉冲和探测脉冲。其中，泵浦脉冲经保偏光纤入射到光电导产生天线上产生太赫兹波；探测脉冲由时间延时线延时后经保偏光纤入射到太赫兹探测装置上。
其中，紧凑型、小型化飞秒激光器作为泵浦源，其参数可以为：中心波长1550nm、脉冲宽度80fs、重复频率80MHz、最大输出功率50mW。飞秒激光器输出的超短激光脉冲经分束器可以按1：1比例分成两束，一束为泵浦脉冲，另一束为探测脉冲。泵浦脉冲在经保偏光纤入射到光电导产生天线上时，由于泵浦脉冲的单光子能量大于光电导天线上半导体材料的能隙宽度，因此，半导体材料表面产生电子空穴对，在外加70V偏置电压的作用下，电子空穴对发生定向移动，形成瞬间变化的光生电流，向外辐射出频率范围为0.1-2.5THz的太赫兹波。探测脉冲经时间延迟线延迟之后经保偏光纤入射到太赫兹探测装置202上。优选地，由于光电导探测天线体积较小，因此，可以选用光电导探测天线2021作为太赫兹探测装置202。
请参考图4，为本发明一个实施例的时间延迟线的结构示意图。图中虚线为探测脉冲的光路，其中，A1为脉冲输入口，A2～A4为反光镜，A5为脉冲输出口，A6为轮滑导轨，轮滑导轨A6可以调节反光镜A3的水平位置，从而实现对探测脉冲延时时长的调整。
需要说明的是，该时间延迟线需要保证探测脉冲和太赫兹波到达光电导探测天线时的相位一致。
然后，针对耦合装置203，其入射端口与光电导天线2015发射太赫兹波的方向相对应，发射出的太赫兹波能够直接通过入射端口进入到耦合装置内。
为了能够将待测气体输入到耦合装置203的吸气端口，该气体检测系统还可以包括气体收集箱206和气体循环泵207，气体收集箱用于收集待测气体，然后经气体循环泵将气体收集箱内的待测气体输入到耦合装置的吸气端口。
耦合装置将太赫兹波通过空心光纤的纤芯入口耦合到纤芯内，通过空心光纤的包层入口耦合到包层内。耦合到包层内的待测气体通过纤芯内壁上的通气孔渗透入纤芯内，随着太赫兹波传输距离的增长，与待测气体充分反应，从而在空心光纤的另一端输出。
接下来针对太赫兹探测装置202，光电导探测天线2021是基于光电导采样原理来探测太赫兹波辐射，当探测脉冲入射到光电导探测天线上，由于超短激光脉冲的单光子能量大于半导体材料的能隙宽度，因此在光电导表面激发电子空穴对，在没有外加电场作用下，电子空穴对无规则运动并快速复合湮灭。但是，当探测脉冲和太赫兹波辐射电场同时存在时，这些电子空穴对会在太赫兹波辐射电场的驱动下定向运动，形成光生电流，光电流的大小正比于太赫兹波辐射电场的大小，从而可以探测得到从空心光纤另一端输出的太赫兹波，得到所述待测气体的吸收光谱。
最后，针对光谱信息处理装置204，可以预先获取不同气体在太赫兹波频段光谱吸收峰的位置以及强度作为参考，然后根据太赫兹波探测装置得到的待测气体的吸收光谱，分析该吸收光谱对应各光谱吸收峰的位置，进而与参考的气体对应的吸收峰位置进行比较，从而可以得到待测气体中包含的各气体组分，以及根据吸收峰强度可以计算出各气体组分的浓度。
在本发明一个实施例中，为了能够及时获知该检测结果，该气体检测系统还可以包括报警单元208和显示器209，若所检测气体浓度超标，则利用报警单元报警，并将待测气体中所检测的各气体组分及对应浓度显示在显示器上，从而实现数据的数字化呈现。
请参考图5，本发明实施例还提供了一种基于上述任一所述气体检测系统的气体检测方法，包括：
步骤501：利用太赫兹产生装置产生太赫兹波，产生的太赫兹波入射至耦合装置中；
步骤502：利用所述耦合装置将所述太赫兹波和待测气体分别耦合至所述空心光纤的纤芯及包层内，以使太赫兹波在所述纤芯内传输过程中与从包层渗透到纤芯内的所述待测气体进行反应，并从所述纤芯的另一端输出；
步骤503：利用太赫兹波探测装置探测从所述纤芯输出的太赫兹波，得到所述待测气体的吸收光谱，并将所述待测气体的吸收光谱发送给所述光谱信息处理装置；
步骤504：利用所述光谱信息处理装置根据所述待测气体的吸收光谱得到分析结果。
本发明实施例中，利用该方法可以实现多种气体组分、浓度的检测，有效提高气体检测效率。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个…”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同因素。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储在计算机可读取的存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质中。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种气体检测系统，其特征在于，包括太赫兹波产生装置、太赫兹波探测装置、耦合装置、光谱信息处理装置和空心光纤；所述空心光纤包括纤芯、环绕所述纤芯内壁的包层以及所述包层外部的保护套；
所述太赫兹波产生装置，用于产生太赫兹波，产生的太赫兹波入射至所述耦合装置中；所述包层内嵌设有多个有机结构体，且所述包层内嵌设的所述多个有机结构体之间具有间隙，所述包层内的间隙通过所述内壁上的通气孔与所述纤芯连通；所述空心光纤的一端包括纤芯入口和包层入口；所述空心光纤的另一端包括纤芯出口；所述耦合装置包括用于接收太赫兹波的入射端口和用于接收待测气体的吸气端口，所述入射端口与所述空心光纤的纤芯入口连通，所述吸气端口与所述空心光纤的包层入口连通；
所述耦合装置与所述空心光纤的一端相连，用于将入射的太赫兹波和收集的待测气体分别耦合至所述空心光纤的纤芯及包层内，以使太赫兹波在所述纤芯内传输过程中与从包层渗透到纤芯内的所述待测气体进行反应，并从所述纤芯的另一端输出；
所述太赫兹波探测装置，用于探测从所述纤芯输出的太赫兹波，得到所述待测气体的吸收光谱，并将所述待测气体的吸收光谱发送给所述光谱信息处理装置；
所述光谱信息处理装置，用于根据所述待测气体的吸收光谱得到分析结果；
所述纤芯为空心，且内充入有干燥空气；所述包层采用的材料的折射率大于1；所述有机结构体的材料为太赫兹波频段低损耗的热塑性有机聚合物；所述多个有机结构体在包层内均匀设置，以将太赫兹波被局域在纤芯内。
2.根据权利要求1所述的气体检测系统，其特征在于，
所述有机结构体的横截面形状为条形、环形、圆形中的至少一种；和/或，
所述有机结构体的材料为聚乙烯、环烯烃共聚物和聚合物环脂中的至少一种。
3.一种基于上述权利要求1-2中任一所述的气体检测系统的气体检测方法，其特征在于，包括：
利用太赫兹产生装置产生太赫兹波，产生的太赫兹波入射至耦合装置中；
利用所述耦合装置将所述太赫兹波和待测气体分别耦合至所述空心光纤的纤芯及包层内，以使太赫兹波在所述纤芯内传输过程中与从包层渗透到纤芯内的所述待测气体进行反应，并从所述纤芯的另一端输出；
利用太赫兹波探测装置探测从所述纤芯输出的太赫兹波，得到所述待测气体的吸收光谱，并将所述待测气体的吸收光谱发送给所述光谱信息处理装置；
利用所述光谱信息处理装置根据所述待测气体的吸收光谱得到分析结果。
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