1.本发明涉及光电子信息技术与光电传感与物联网领域，具体涉及一种氧气光学检测装置。
背景技术：
2.氧气在大自然中分布非常广泛，占大气成分的21％。氧气是工业生产、日常生活、医疗健康、航空航天等领域极其重要的气体。同时作为一种重要的助燃气体，氧气和易燃易爆气体混合容易爆炸。如果氧气浓度不达标或者控制不精确，导致严重的事故。所以氧气的实时检测非常重要。对氧气浓度的检测需要满足准确性、适应性、便携性等多方面的要求。
3.目前氧气的检测主要是非光学法和光学法两大类。非光学法常采用
电化学方法，比如采用基于氧化锆材料的电化学传感器。氧气的浓度差形成氧化锆材料电势差，从而检测浓度信息。该方法成本低、结构简单、使用方便，但是该方法对温度要求高、寿命短等缺点。基于氧气的顺磁性实现浓度检测时氧气检测另一种重要非光学检测法。氧气因顺磁性会在磁场中聚居，形成气体浓度的改变，从而形成气压差，通过机械转动等方式得到氧气的浓度信息。该方法响应时间短、寿命长，但是容易受到震动等影响。
4.氧气光学法主要基于吸收谱测试。氧气在760nm波长附近具有一系列的光吸收峰。激光发出吸收峰对应的波长，根据气体光吸收量的大小判断氧气的浓度。该方法也常被称为可调谐二极管激光吸收光谱(tdlas)检测技术。这种技术具有非接触式、响应快、与信息系统兼容等优势。该方法需要半导体激光器、探测器、电控系统、光学系统等复杂结构，成本很高。另外因为在760nm波段，氧气对光吸收强度并不高，所以检测误差较大。
技术实现要素：
5.本发明的目的是提出一种基于氧气顺磁性结合双臂马赫曾德尔干涉仪的光学检测法，该方法成本低、精度高、传感头无电源、抗干扰强、且和信息网络兼容，适合复杂环境实时在线高精度检测与物联网等传感网络应用。
6.为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
7.一种氧气光学检测装置，使用激光器作为光源，经过光纤分路器传导，采用光纤双臂马赫曾德尔干涉仪光学系统，包括对应的第一光纤双臂、第二光纤双臂，其中第一光纤双臂通过第一透镜光纤端面出射平行光束，光经过空间传播区传播后经过第二透镜光纤端面耦合到第二光纤双臂，光经过第二光纤双臂传播后y分支合波进入单根光纤输出；在第一光纤双臂、第二光纤双臂的其中一个对应的臂的空间传播区内装配有磁性材料，光传播经过磁性材料形成的磁场区域，该磁场区域为氧气浓度检测区域，利用光电探测器探测输出光的强度变化得到氧气浓度信息。
8.进一步的，入射光通过半透半反膜或者分束棱镜进行分束，在其中一束光的传播路径上装配磁性材料，光在经过半透半反膜或者分束棱镜合束输出。
9.作为其中一个优选的方案，在第一光纤双臂后装配扩束透镜，在第二光纤双臂前
装配汇聚透镜，光通过第一光纤双臂出射后经过扩束透镜形成平行光束，再经过汇聚透镜耦合进入第二光纤双臂。
10.作为另一个优选的方案，在第一光纤双臂、第二光纤双臂的其中一个对应的臂的空间传播区内装配三个平面反射镜和一个凹面反射镜，光经过三次平面反射镜以及一次凹面反射镜耦合到入第二光纤双臂，增加一个臂的光程，该臂的空间传播区装配磁性材料作为氧气浓度检测区域。
11.进一步的，所述的磁性材料为通过材料镀膜直接生长或者物理机械装配的方式固定在光的空间传播区。
12.作为优选的方案，所述的磁性材料直接镀膜在第一光纤双臂、第二光纤双臂的其中一个对应的臂之间的空间传播区，该区域为氧气检测区域。
13.或者，所述的磁性材料采用通电线圈。
14.进一步的，在光纤双臂马赫曾德尔干涉仪上装配热敏电阻，以监控环境温度，对检测光信号进行稳定修正。
15.或者，将氧气光学检测装置装配在温度控制器上，以保持温度稳定，消除温度的影响。
16.进一步的，所述的激光器采用可调谐激光器，通过同时检测输出光谱的周期以及出光功率的整体变化实现氧气浓度和温度的同时检测。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
18.本发明的检测设备在光学双臂马赫曾德尔干涉仪的一个光学臂装配磁性材料，氧气浓度的改变导致光在双臂中传播的光程不同，从而光的干涉状态发生改变，通过探测马赫曾德尔干涉仪输出光功率的大小，实现氧气浓度的检测。本发明的检测装置具有结构紧凑、无源、抗电磁干扰等优点。
19.本发明的方案基于光电技术，可以方便地和现有的光电信息系统、传感网络、物联网相兼容，实现氧气在线信息采集、分析和控制。
20.本发明的氧气光学检测装置可以应用于氧气在工业化工、石油天然气存储、生物医疗等多种领域内的氧气高精度检测。
附图说明
21.图1：输出光功率与氧气浓度的变化示意图。
22.图2：本发明的氧气光学检测器的原理结构示意图。
23.图3：温度改变非对称马赫曾德尔干涉仪的透射光谱周期改变示意图。
24.图4：基于扩束透镜和汇聚透镜组成空间传播区图。
25.图5：非对称双臂长光程结构图。
26.图6：基于半透半反膜的双臂马赫曾德尔干涉仪结构图。
27.图7：基于分束棱镜的双臂马赫曾德尔干涉仪结构图。
28.图8：磁性材料镀膜在光纤上的示意图。
29.图9：磁性材料镀膜在载体上的示意图。
具体实施方式
30.以下通过实施例的形式对本发明的上述内容再作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
31.在本发明的描述中，还需要说明的是：术语如“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。对于本领域的普通技术人员而言，可依据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
32.本发明提供了一种氧气光学检测装置，使用激光器作为光源，经过光纤分路器传导，采用光纤双臂马赫曾德尔干涉仪光学系统，包括对应的第一光纤双臂、第二光纤双臂，其中第一光纤双臂通过第一透镜光纤端面出射平行光束，光经过空间传播区传播后经过第二透镜光纤端面耦合到第二光纤双臂，光经过第二光纤双臂传播后y分支合波进入单根光纤输出；在第一光纤双臂、第二光纤双臂的其中一个对应的臂的空间传播区内装配有磁性材料，光传播经过磁性材料形成的磁场区域，该磁场区域为氧气浓度检测区域，利用光电探测器探测输出光的强度变化得到氧气浓度信息。
33.入射光通过半透半反膜或者分束棱镜进行分束，在其中一束光的传播路径上装配磁性材料，光在经过半透半反膜或者分束棱镜合束输出。
34.作为其中一个实施例，在第一光纤双臂后装配扩束透镜，在第二光纤双臂前装配汇聚透镜，光通过第一光纤双臂出射后经过扩束透镜形成平行光束，再经过汇聚透镜耦合进入第二光纤双臂。
35.作为另一个实施例，在第一光纤双臂、第二光纤双臂的其中一个对应的臂的空间传播区内装配三个平面反射镜和一个凹面反射镜，光经过三次平面反射镜以及一次凹面反射镜耦合到入第二光纤双臂，增加一个臂的光程，该臂的空间传播区装配磁性材料作为氧气浓度检测区域。
36.磁性材料为通过材料镀膜直接生长或者物理机械装配的方式固定在光的空间传播区。其中，磁性材料直接镀膜在第一光纤双臂、第二光纤双臂的其中一个对应的臂之间的空间传播区，该区域为氧气检测区域。或者，磁性材料采用通电线圈。
37.在光纤双臂马赫曾德尔干涉仪上装配热敏电阻，以监控环境温度，对检测光信号进行稳定修正。或者，将氧气光学检测装置装配在温度控制器上，以保持温度稳定，消除温度的影响。
38.实施例中，采用可调谐激光器，通过同时检测输出光谱的周期以及出光功率的整体变化实现氧气浓度和温度的同时检测。
39.如图1所示，是基于光纤双臂马赫曾德尔干涉仪氧气浓度检测器原理结构示意图。入射光通过y分支1：1进入双臂，即两根光纤。光在光纤中传播并在透镜光纤出射端面近似平行光出射。在空间传播区进一步传播后，通过透镜光纤入射端面耦合再进入光纤。光继续在光纤中传播后到y分支合波器，合波器将两根光纤的光合波到一根光纤输出。如果光在双臂中传输的光程相同，光纤出射端面相干相涨，输出光功率为最大值。如果双臂中光程不同导致具有光相位差180度相位差，y分支合波后光相干相消，最后在光纤出射段没有光输出，即输出光功率为最小值0。如果相位差是其它值，那么输出光功率介于最大值与0之间。
40.如果外界环境没有任何变化，输出光功率随时间不会改变。设计双臂的光程相同，
那么输出为最大光功率。如果在一个臂的空间传播区周围装配磁性材料或者采用线圈通电等方式，使得空间传播区有外加磁场。因为氧分子具有顺磁性，氧分子会向磁场方向移动。所以有外加磁场的空间传播区积聚较多的氧分子，分子浓度增加，空间折射率也增加。这个臂的光程增加，形成双臂相位差，此时光功率下降，如图1。当环境氧气浓度增加，空间传播区聚集的氧分子浓度也响应增加，双臂相位差增加，输出光功率变化。基于这种结构原理可以实现氧气浓度的检测。为了增加检测灵敏度，可以增加外加磁场强度，或者有外加磁场的空间传播区长度增加。
41.环境温度的改变对双臂马赫曾德尔干涉仪中光的干涉造成影响。不同的温度，外加磁场的空间传播区氧气聚集效果不同。所以可以在检测装置设置热敏电阻检测温度的改变。通过温度对检测输出光功率影响数据的积累，从而矫正氧气浓度检测信号。
42.对于非对称双臂结构，在外界温度不变的情况下，输出功率随着波长改变而呈现周期性的改变，如图3。双臂管光程差越大，周期频率越高。但是当温度改变后，因为双臂所在空间的折射率都发生改变，根据双臂光相位差的公式，
[0043][0044]
其中n1和l1，n2和l2是分别两个臂的折射率与臂长。它们都是温度的函数，所以温度的改变相位差也会发生改变。此外，因为氧气浓度如果发生改变，双臂光相位差也会改变。温度和氧气浓度改变导致的相位差会累加在一起。两者综合效应导致输出光的光谱周期也会发生改变。同时光传输不同浓度因为散射损耗导致了光具有不同的传输损耗和耦合损耗，所以输出光功率极大和极小值也会发生变化。基于可调谐激光器扫描波长检测功率的周期性，以及通过光探测器检测出光功率峰值，从而在同时检测氧气浓度信息同时检测环境温度信息。当然如果需要避免外界温度的影响，可以将检测装置安装在温度控制器上，确保温度的稳定。
[0045]
本发明提出的氧气检测装置基于光纤马赫曾德尔双臂结构，在双臂空间传播区的光纤出射端面和入射端面可以用透镜光纤实现，如图2。此外，也可以采用扩束透镜和汇聚透镜组成空间传播区，如图4。扩束透镜的位置进行优化使得出射的光为平行光，汇聚透镜的位置优化后可以得到很高光到光纤耦合效率。这样采用透镜的方法可以更好地减小光的损耗，输出功率大，探测传感信号的信噪比高。
[0046]
为了增加空间传播区光传输的距离。一个臂上可以采用如图5所示的3平面反射镜和一个凹面反射镜形成长光程结构。氧气浓度的改变，光程变化大，双臂的光相位差改变更加明显，从而增加检测的灵敏度。
[0047]
除开了光纤型结构，也可以采用空间光学的结构实现双臂马赫曾德尔干涉仪结构。如图6所示，采用半透半反膜使光束1：1分成12束，其中1束光通过反射镜后90度反射，在后续德光路上装配磁性材料，设置外加磁场。另一束光经过反射镜90度反射，两束光通过第二个半透半反膜合束。探测光功率的变化提取氧气浓度信息。也可以采用分束棱镜替代半透半反膜，如图7所示。
[0048]
磁性材料可以采用一般永磁材料，包括铝镍钴，铁氧体等，也可以采用
稀土永磁材料，包括钐钴，钕铁硼等。利用机械装配将磁铁固定在空间传播区两侧。此外也可以将磁性材料直接镀膜在光纤或者载体上，如图8和9。磁性材料的镀膜方法比如真空蒸发法。即在真
空状态下将加热蒸发的磁性材料沉积在基片上。电沉积法，即将磁性材料和基片做成阳极和阴极，在电解液中通过电化学作用，磁性阳极材料沉积到阴极基片上。或者是溅射法。即将磁性阳极材料和基片分别作为阴极和阳极，在抽真空后又充入惰性气体电离成离子并高速轰击阴极，使阴极表面溅射出的原子附着于阳极基片上。此外，还有外延生长法、化学镀膜法等。
[0049]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。技术特征：
1.一种氧气光学检测装置，其特征在于：使用激光器作为光源，经过光纤分路器传导，采用光纤双臂马赫曾德尔干涉仪光学系统，包括对应的第一光纤双臂、第二光纤双臂，其中第一光纤双臂通过第一透镜光纤端面出射平行光束，光经过空间传播区传播后经过第二透镜光纤端面耦合到第二光纤双臂，光经过第二光纤双臂传播后y分支合波进入单根光纤输出；在第一光纤双臂、第二光纤双臂的其中一个对应的臂的空间传播区内装配有磁性材料，光传播经过磁性材料形成的磁场区域，该磁场区域为氧气浓度检测区域，利用光电探测器探测输出光的强度变化得到氧气浓度信息。2.根据权利要求1所述的氧气光学检测装置，其特征在于：入射光通过半透半反膜或者分束棱镜进行分束，在其中一束光的传播路径上装配磁性材料，光在经过半透半反膜或者分束棱镜合束输出。3.根据权利要求1所述的氧气光学检测装置，其特征在于：在第一光纤双臂后装配扩束透镜，在第二光纤双臂前装配汇聚透镜，光通过第一光纤双臂出射后经过扩束透镜形成平行光束，再经过汇聚透镜耦合进入第二光纤双臂。4.根据权利要求1所述的氧气光学检测装置，其特征在于：在第一光纤双臂、第二光纤双臂的其中一个对应的臂的空间传播区内装配三个平面反射镜和一个凹面反射镜，光经过三次平面反射镜以及一次凹面反射镜耦合到入第二光纤双臂，增加一个臂的光程，该臂的空间传播区装配磁性材料作为氧气浓度检测区域。5.根据权利要求1所述的氧气光学检测装置，其特征在于：所述的磁性材料为通过材料镀膜直接生长或者物理机械装配的方式固定在光的空间传播区。6.根据权利要求5所述的氧气光学检测装置，其特征在于：所述的磁性材料直接镀膜在第一光纤双臂、第二光纤双臂的其中一个对应的臂之间的空间传播区，该区域为氧气检测区域。7.根据权利要求5所述的氧气光学检测装置，其特征在于：所述的磁性材料采用通电线圈。8.根据权利要求1所述的氧气光学检测装置，其特征在于：在光纤双臂马赫曾德尔干涉仪上装配热敏电阻，以监控环境温度，对检测光信号进行稳定修正。9.根据权利要求1所述的氧气光学检测装置，其特征在于：将氧气光学检测装置装配在温度控制器上，以保持温度稳定，消除温度的影响。10.根据权利要求1所述的氧气光学检测装置，其特征在于：所述的激光器采用可调谐激光器，通过同时检测输出光谱的周期以及出光功率的整体变化实现氧气浓度和温度的同时检测。
技术总结
本发明涉及一种氧气光学检测装置，使用激光器作为光源，经过光纤分路器传导，采用光纤双臂马赫曾德尔干涉仪光学系统，包括对应的第一光纤双臂、第二光纤双臂，其中第一光纤双臂通过第一透镜光纤端面出射平行光束，光经过空间传播区传播后经过第二透镜光纤端面耦合到第二光纤双臂，光经过第二光纤双臂传播后Y分支合波进入单根光纤输出；在第一光纤双臂、第二光纤双臂的其中一个对应的臂的空间传播区内装配有磁性材料，光传播经过磁性材料形成的磁场区域，该磁场区域为氧气浓度检测区域，利用光电探测器探测输出光的强度变化得到氧气浓度信息。本发明的检测装置具有结构紧凑、无源、抗电磁干扰等优点。抗电磁干扰等优点。抗电磁干扰等优点。
技术研发人员：杨炳雄 徐洋 施跃春
受保护的技术使用者：南京浦光
芯片科技有限公司
技术研发日：2021.11.29
技术公布日：2022/3/18
声明：
“氧气光学检测装置的制作方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：南京浦光芯片科技有限公司
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2024年05月17日 ~ 19日 
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