一種快速響應的光纖氣體傳感探頭的制作方法
【專利摘要】一種快速響應的光纖氣體傳感探頭，包括多芯光纜、傳感探頭外殼、光纖準直器、金屬套管、氣室、金屬網(wǎng)和單模光纖；所述的金屬套管套在光纖準直器外邊錫焊連接；兩個金屬套管部分地插入到氣室的兩端孔中，金屬套管和氣室的一端激光焊接；傳感探頭外殼上有安裝孔，氣室通過螺釘和螺母固連于傳感探頭外殼內(nèi)表面；所述的金屬網(wǎng)夾在氣室進氣口和傳感探頭外殼內(nèi)壁之間，傳感探頭外殼的左側(cè)面開有安裝光纜接頭的安裝孔，將多芯光纜引入探頭，單模光纖從氣室兩端接入多芯光纜。本光纖氣體傳感探頭的光耦合效率80%以上，氣室淺而窄，可靠性和穩(wěn)定性高。該探頭縮短了環(huán)境氣體與氣室內(nèi)成分置換的時間，提高了響應速度，滿足實時在線監(jiān)測需要，結(jié)構(gòu)簡單。
【專利說明】一種快速響應的光纖氣體傳感探頭
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及光纖傳感器及其檢測技術，尤其涉及光譜吸收法測量氣體濃度的傳感器探頭技術。
【背景技術】
[0002]在煤礦安全事故中，瓦斯爆炸造成的傷亡約占所有重大事故傷亡人數(shù)的50%以上，我國煤礦發(fā)生的重大事故相對較多，給國民經(jīng)濟和人身安全造成了巨大損失。瓦斯爆炸成為安全生產(chǎn)的最大障礙和困擾煤礦安全生產(chǎn)的重大難題。
[0003]瓦斯氣體在開采過程中緩慢的釋放出來與空氣中的氧氣混合，一旦遇到明火就會發(fā)生猛烈的爆炸或者燃燒。及時檢測瓦斯氣體的產(chǎn)生源、泄露源及濃度，對煤礦安全運行，人身安全及環(huán)境保護有著十分重要的作用。
[0004]我國人口眾多，每年需要從國外進口大量原油，原油到岸后都會儲備到國家油庫。油庫里一旦由于瓦斯?jié)舛瘸瑯税l(fā)生險情，如果處理不及時，后果不堪設想。因此，有必要對石化行業(yè)環(huán)境中瓦斯氣體濃度進行及時準確的在線監(jiān)測。
[0005]隨著光纖傳感技術的發(fā)展，光纖傳感技術越來越多的用于氣體濃度的監(jiān)測。在光纖氣體傳感系統(tǒng)中，氣體探頭直接決定著光纖氣體傳感系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應速度。目前，氣體探頭里面的氣室多成管狀，這種氣室容積大，環(huán)境氣體擴散進氣室的路程長，使得氣體更新緩慢，導致系統(tǒng)響應速度慢，實時性差。
[0006]現(xiàn)階段雖然國內(nèi)外都有大量的研究機構(gòu)和公司在開展光纖瓦斯氣體傳感器的開發(fā)，但是它們很少對探頭部分作深入的研究，導致在工程應用中出現(xiàn)氣體傳感系統(tǒng)不穩(wěn)定、易失效、響應速度慢、調(diào)校頻繁的問題，或者探頭結(jié)構(gòu)復雜，不適合工程應用。
實用新型內(nèi)容
[0007]本實用新型目的鑒于上述現(xiàn)有工程化過程中出現(xiàn)的問題，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、快速響應的光纖氣體傳感探頭。
[0008]本實用新型采用以下技術方案來實現(xiàn):
[0009]一種光纖氣體傳感探頭，它包括多芯光纜、傳感探頭外殼、光纖準直器、金屬套管、氣室、金屬網(wǎng)和單模光纖；所述的金屬套管套在光纖準直器外邊通過錫焊連接；兩個金屬套管部分地插入到氣室的兩端孔中，所述的金屬套管和氣室的一端沿著金屬套管激光焊接連接；傳感探頭外殼上有安裝孔，氣室通過螺釘和螺母固連于傳感探頭外殼內(nèi)表面；金屬網(wǎng)夾在氣室進氣口和傳感探頭外殼內(nèi)壁之間，傳感探頭外殼的左側(cè)面開有安裝光纜接頭的安裝孔，將多芯光纜引入探頭，單模光纖從氣室兩端接入多芯光纜。
[0010]其中，所述的氣室為透射型氣室，選用不銹鋼材料加工而成。這種氣室是由它所應用的場合決定的；而且可以提高金屬套管和氣室的焊接性能。
[0011 ] 所述的光纖準直器前端有自聚焦透鏡，透鏡上鍍有增透膜。
[0012]所述的金屬套管為圓筒薄壁型，在一端每相隔90°開有定位小孔，方便錫焊定位。[0013]所述的金屬網(wǎng)為不銹鋼材料，金屬網(wǎng)的目數(shù)可以更換。金屬網(wǎng)為不銹鋼材料，作用是隔離粉塵和大的液滴，保護光纖準直器。根據(jù)粉塵的大小和液滴的尺寸選用相應目數(shù)的金屬網(wǎng)，提高過濾效果。金屬網(wǎng)可以更換，且易于更換。
[0014]本實用新型中，氣室通過螺釘固連于傳感探頭外殼上，為了避免安裝氣室和由于環(huán)境溫度變化時的應力集中對光路準直度的影響在螺釘連接耳朵處都設計有圓角。
[0015]氣體傳感系統(tǒng)的響應時間是指環(huán)境中的氣體擴散進氣室，并均勻分布所需時間。當所測氣體確定時，氣體擴散系數(shù)也隨之確定。此時可通過縮短環(huán)境中瓦斯氣體擴散的路程和減小氣室的容積來縮短瓦斯傳感系統(tǒng)的響應時間，以此有效提高瓦斯傳感系統(tǒng)的響應速度。
[0016]本實用新型優(yōu)點:
[0017]1、探頭中的氣室屬于透射型氣室，不僅結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，并且穩(wěn)定可靠，探頭易于現(xiàn)場安裝；更重要的是這種光纖氣體傳感探頭能極大提高光纖瓦斯傳感系統(tǒng)的響應速度。
[0018]2、本實用新型采用激光焊接和錫焊結(jié)合，并利用金屬套管對光纖準直器進行固定，實現(xiàn)一對光纖準直器的高效對接耦合。該固定方式使得氣室可以做得淺而窄，而且可靠性、穩(wěn)定性高。這樣縮短了環(huán)境氣體與氣室內(nèi)成分置換的時間，提高了系統(tǒng)的響應速度，滿足了系統(tǒng)實時在線監(jiān)測的需要。
[0019]3、由于氣室與傳感探頭外殼連接固定耳朵處設計成圓角，可以避免安裝氣室和由于環(huán)境溫度變化時的應力集中對光路準直度的影響。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1為本光纖氣體傳感探頭的三維立體圖；
[0021]圖2為本光纖氣體傳感探頭氣室結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖3為圖2氣室在A處局部放大圖；
[0023]圖中:1-多芯光纜、2-傳感探頭外殼、3-光纖準直器、4-金屬套管、5-氣室、6-螺釘、7-螺母、8-金屬網(wǎng)、9-單模光纖、10-氣室與金屬套管間的激光焊，11-金屬套管與光纖準直器間的錫焊、12-金屬套管定位孔與光纖準直器之間的錫焊。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對本實用新型實施方式做進一步詳細說明。
[0025]圖1所示光纖氣體傳感探頭包括一種光纖氣體傳感探頭，其特征在于，該探頭包括多芯光纜1、傳感探頭外殼2、光纖準直器3、金屬套管4、氣室5、金屬網(wǎng)8和單模光纖9;所述的金屬套管套在光纖準直器外邊通過錫焊連接；兩個金屬套管4部分地插入到氣室5的兩端孔中，所述的金屬套管和氣室的一端沿著金屬套管激光焊接連接；傳感探頭外殼2上有安裝孔，氣室(5)通過螺釘6和螺母7固連于傳感探頭外殼2內(nèi)表面；金屬網(wǎng)8夾在氣室進氣口和傳感探頭外殼2內(nèi)壁之間，傳感探頭外殼2的左側(cè)面開有安裝光纜接頭的安裝孔，將多芯光纜I引入探頭，單模光纖9從氣室5兩端接入多芯光纜I。
[0026]所述的氣室為透射型氣室，選用不銹鋼材料加工而成。所述光纖準直器3前端有自聚焦透鏡，透鏡上鍍有增透膜。所述金屬套管4為圓筒薄壁型，在一端每相隔90°開有小孔，方便錫焊定位。金屬網(wǎng)8為不銹鋼材料，作用是隔離粉塵和大的液滴，保護光纖準直器。根據(jù)粉塵的大小和液滴的尺寸選用相應目數(shù)的金屬網(wǎng)，提高過濾效果。金屬網(wǎng)8可以更換，且易于更換。傳感探頭外殼2的左側(cè)面開有安裝光纜接頭的安裝孔，用于將多芯光纜I引入探頭。
[0027]當環(huán)境中的氣體擴散進氣室5時，由于不同氣體對特征光譜的吸收作用，導致光強的衰減，并且光強的衰減程度與氣體的濃度成正比。氣室5通過一對光纖準直器3實現(xiàn)光在氣室中的傳播，光纖準直器3是探頭的核心部件，其固定方式直接決定了光纖準直器的耦合效率，具體實現(xiàn)方法如圖2所示。金屬套管4的外徑設計為比氣室5兩端的孔徑略小。把兩個金屬套管部分地插入到氣室5的兩端孔中，在10處沿著金屬套管進行激光焊接，將金屬套管4和氣室5可靠的固定在一起。將兩個光纖準直器分別插入金屬套管中，對準光路并在光纖準直器與金屬套管之間(11及定位孔12處)加涂焊錫，使得光纖準直器3和金屬套管4可靠連接。要求傳感探頭的光耦合效率達到80%以上。
[0028]為了延長光纖氣體傳感系統(tǒng)的免調(diào)校周期，最有效的方法是保護光纖準直器不被外界環(huán)境污染，本實用新型的方法是用不銹鋼金屬網(wǎng)8，把光纖準直器3與粉塵、大的液滴隔離開。根據(jù)瓦斯探頭工程應用場合的不同，金屬網(wǎng)8的目數(shù)可以做調(diào)整，在煤礦這樣惡劣的環(huán)境下，在保證環(huán)境中的氣體能順暢擴散進去的同時，盡可能選擇多目數(shù)的金屬網(wǎng)8 ;而在石化行業(yè)，由于環(huán)境并不像煤礦那么惡劣，可以選擇少目數(shù)的金屬網(wǎng)8。根據(jù)使用需要，也可以疊放多層金屬網(wǎng)8。
[0029]為了避免環(huán)境中的氣體進入氣室5后擴散到傳感探頭外殼2中，造成瓦斯氣體殘留，使光纖氣體(瓦斯)傳感系統(tǒng)對環(huán)境中瓦斯氣體反應的遲滯，本實用新型在氣室四周涂膠或者使用O型橡膠墊圈，有效密封。
【權(quán)利要求】
1.一種光纖氣體傳感探頭，其特征在于，該探頭包括多芯光纜(I)、傳感探頭外殼(2)、光纖準直器(3)、金屬套管(4)、氣室(5)、金屬網(wǎng)(8)和單模光纖(9);所述的金屬套管套在光纖準直器外邊通過錫焊連接；兩個金屬套管(4)部分地插入到氣室(5)的兩端孔中，所述的金屬套管和氣室的一端沿著金屬套管激光焊接連接；傳感探頭外殼(2)上有安裝孔，氣室(5)通過螺釘(6)和螺母(7)固連于傳感探頭外殼(2)內(nèi)表面；金屬網(wǎng)(8)夾在氣室進氣口和傳感探頭外殼(2)內(nèi)壁之間，傳感探頭外殼(2)的左側(cè)面開有安裝光纜接頭的安裝孔，將多芯光纜(I)引入探頭，單模光纖(9)從氣室(5)兩端接入多芯光纜(I)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖氣體傳感探頭，其特征在于，所述的氣室為透射型氣室，選用不銹鋼材料加工而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖氣體傳感探頭，其特征在于，所述的光纖準直器前端有自聚焦透鏡，透鏡上鍍有增透膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖氣體傳感探頭，其特征在于，所述的金屬套管為圓筒薄壁型，在一端每相隔90°開有錫焊定位小孔。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖氣體傳感探頭，其特征在于，所述的金屬網(wǎng)(8)為不銹鋼材料，金屬網(wǎng)的目數(shù)可以更換。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖氣體傳感探頭，其特征在于，氣室與傳感探頭外殼連接耳朵處都設計有圓角。
【文檔編號】G01N21/31GK203479694SQ201320239652
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年5月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月7日
【發(fā)明者】姜寧, 李政穎, 王洪海, 魏凱 申請人:武漢理工大學