本发明涉及一种基于激光干涉的光纤探头。涉及专利分类号：g物理g01测量；测试g01n借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料g01n21/00利用光学手段，即利用红外光、可见光或紫外光来测试或分析材料g01n21/17入射光根据所测试的材料性质而改变的系统g01n21/41折射率；影响相位的性质，例如光程长度。
背景技术：
干涉探头的核心功能是对入射光进行分束并汇聚得到干涉光，将干涉光通过光纤输出。我们通过特殊的结构设计，使得激光“分束-干涉-汇聚”在光纤系统中完成，并集成到气体检测探头中，实现无源气体检测。
由光源发出的散射光经聚光镜聚焦的光束到达平面镜，其中一部分光束通过平面镜反射，经气室的空气到达折光棱镜，折光棱镜将其折射回另一侧的空气室后回到平面镜并折射到后表面的反射膜上，通过反射膜反射到棱镜后经偏折进入望远镜系统。另一部分光束折射入平面镜后，在其后表面反射膜反射，穿过气室的甲烷经折光棱镜反射又回经甲烷室到平面镜，经平面镜的反射后与上述部分光束一同进入反射棱镜，经偏折进入望远镜系统。由于光程差的结果，在物镜的焦平面上产生干涉条纹，通过目镜既能观察到干涉条纹。当甲烷室与空气室都充满相同的气体时，干涉条纹位置不移动，但当甲烷抽进甲烷室，由于光束通过的介质发生改变，干涉条纹相对原位置移动一段距离。测量这个位移量，便可知甲烷在空气中的含量。
现有技术中，较为常见的铌酸锂(linbo3)如下表所示，相位调制器通过对铌酸锂晶体施加电场来改变晶体折射率，进而改变通过晶体激光的相位，干涉光的相长相消状态随之改变，最终实现光强调制，特别适用于高速光通讯调制。本设计如果使用相位调制器的话可以取消对激光器的电流扫描，从而回避激光器波长扫描范围的限制。但是因为铌酸锂晶体需要施加外部电场，不可避免要对光纤探头进行带电操作。
技术实现要素：
本发明针对以上技术问题，提出的一种基于激光干涉的光纤探头，包括：
光纤分路器，外部入射光源经由该光纤分路器1，分为至少2束，进入气体检测回路和参考回路；
在所述的气体检测回路和参考回路；
所述的检测回路，至少包括发射准直器、接收准直器、以及位于两准直器之间的开放型气体检测区域；
所述的参考回路，至少包括发射准直器、接收准直器、以及位于所述发射准直器和接收准直器之间的开放型参考区域。
作为优选的实施方式，
所述的检测回路中还具有回路光纤分路器，将输入的光纤分为检测光纤和对照光纤；
所述的检测光纤与一发射准直器连接，发射准直器照射所述的开放型气体检测区域，由一接收准直器接收后，由一接收光纤传到至检测回路的末端光纤分路器；
所述的回路光纤分路器通过对照光纤与所述的末端光纤分路器连接。
作为优选的实施方式，
所述的参考回路中还具有回路光纤分路器，将输入的光纤分为参考光纤和对照光纤；
所述的参考光纤与一发射准直器连接，发射准直器照射所述的开放型参考区域，由一接收准直器接收后经光纤传递至参考回路的末端光纤分路器；
所述的参考回路中的回路光纤分路器
更进一步的，作为优选的实施方式，
所述的开放型气体检测区域和开放型参考区域为气室。
一种气体检测装置，包括：
所述的气体检测回路和参考回路的末端分别设有光电二极管和与光电二极管连接的处理单元；
所述处理单元接收光电二极管获得的所述开放型检测区域、开放型参考区域的回路波形/光程变化量，即所述两区域内介质折射率变化，标定计算得出当前检测气体的浓度。
通过采用上述技术方案，本发明公开的一种基于激光干涉的光纤探头及气体检测装置，通过光纤分路器实现了全光纤无源的探头结构，同时通过划分参考回路与检测回路的差分，去除光纤结构的噪声干扰，差分的结果为气体检测区域的广成变化量，即区域内介质折射率变化，通过标定转化为浓度变化。整体结构除能够检测特定气体浓度外，还可兼容检测光纤光栅温度和水分子检测。整体结构简单，零部件体积小，重量轻。
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，下面描述中的附图仅仅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示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明探头结构原理图
图2为本发明探头的结构图
具体实施方式
为了使本发明的发明目的、技术方案及其技术效果更加清晰，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
如图1-图2所示，一种基于激光干涉的光纤探头，主要包括：
主机激光器、
与该激光器连接的光纤分路器1，由主激光器发出的激光经由光纤分路器1，被分为两束，分别进入气体检测回路和参考回路。
在所述的气体检测回路和参考回路的末端分别设有主机光电二极管1和主机光电二极管2，分别接受检测回路和参考回路的波形，通过计算干涉波形。光电二极管接收到的光电流的波形，也就是回路波形，处理单元对波形进行分析，得出光程变化量。
作为优选的实施方式，探头外部铠装光纤形状、长度、应力等变化对干涉光路没有影响，让工程应用成为可能。
如图1所示：
作为优选的实施方式，所述的检测回路包括：光纤分路器2、外部光纤1、发射准直器1、接收准直器1、光纤2、光纤分路器4、光纤3。
所述的参考回路包括：光纤分路器3、光纤4、发射准直器2、接收准直器2、光纤5、光纤分路器5、光纤6；检测回路的光程差l1由光纤1、光纤2和光纤3的长度以及检测区域长度la决定。参考回路的光程差l2由光纤4、光纤5和光纤6的长度以及参考区域长度lb决定。
详细结构如图2所示：
图中，光纤1a对应前述图中的外部光纤1，光纤1a、分路器封装钢管2a(对应光纤分路器2)、光纤3a和光纤11a形成所述的光纤分路器1，将外部光源射入的激光分成2路。
光纤7a，分路器封装钢管8a，光纤9a，光纤17a形成所述的分路器4和5。
准直镜头4a和6a的两个准直镜头分别固定在参考气室5a两端；准直镜头12a和准直镜头16a分别固定在检测气室14a的两端；通过4个卡箍将分路器的封装钢管和2个气室固定到探头外壳19a上，使得所有光纤和钢管都悬空到探头平台上的凹槽里，然后在凹槽中灌胶固定。
为提高检测精度，la、lb的差值应尽可能大，现设计la＝10cm，lb＝0.1em。
光电二极管分别接收到检测回路和参考回路波形，理想干涉波形为正弦波，频率w与光程差l和激光器扫描电流范围i成正比；
相位差θ与l1-l2的变化量成正比。为了计算相位差θ，两列正弦波应频率一致，所以应调节光纤3、6的长度使初始状态l1≈l2。干涉波形分别为：u1＝asinwt，u2＝bsin(wt θ)
相位差计算：
δu＝asinwt-bsin(wt θ)
＝asinwt-b(sinwt*cosθ coswt*sinθ)
＝sinwt*(a-b*cosθ)-b*coswt*sinθ
u3＝δu*u1＝(sinwt*(a-b*cosθ)-b*coswt*sinθ)
*asinwt＝a*(a-b*cosθ)*sinwt*sinwt-a*b*coswt*sinwt*sinθ
＝a*(a-b*cosθ)*1/2*(1-cos2wt)-a*b*1/2*sin2wt*sinθ
滤除得到直流
u4＝a*(a-b*cosθ)*1/2
通过对u4进行标定计算出气体浓度。
作为优选的实施方式，探头实测标准气体浓度为1000ppm，测量得出u4a＝500mv；再已知空气中气体浓度为0时u4b＝0。根据这两点确定标定基准，气体的实时浓度p＝u4*1000/(u4a-u4b)单位ppm。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
1.一种基于激光干涉的光纤探头，其特征在于包括：
光纤分路器，外部入射光源经由该光纤分路器1，分为至少2束，进入气体检测回路和参考回路；
所述的检测回路，至少包括发射准直器、接收准直器、以及位于两准直器之间的开放型气体检测区域；
所述的参考回路，至少包括发射准直器、接收准直器、以及位于所述发射准直器和接收准直器之间的开放型参考区域。
2.根据权利要求1所述的基于激光干涉的光纤探头，其特征还在于：
所述的检测回路中还具有回路光纤分路器，将输入的光纤分为检测光纤和对照光纤；
所述的检测光纤与一发射准直器连接，发射准直器照射所述的开放型气体检测区域，由一接收准直器接收后，由一接收光纤传到至检测回路的末端光纤分路器；
所述的回路光纤分路器通过对照光纤与所述的末端光纤分路器连接。
3.根据权利要求1所述的基于激光干涉的光纤探头，其特征还在于：所述的参考回路中还具有回路光纤分路器，将输入的光纤分为参考光纤和对照光纤；
所述的参考光纤与一发射准直器连接，发射准直器照射所述的开放型参考区域，由一接收准直器接收后经光纤传递至参考回路的末端光纤分路器；
所述的参考回路中的回路光纤分路器。
4.根据权利要求2或3所述的基于激光干涉的光纤探头，其特征还在于：
所述的开放型气体检测区域和开放型参考区域为气室。
5.一种气体检测装置，其特征在于包括如权利要求2或3所述的基于激光干涉的光纤探头，其特征在于包括：
所述的气体检测回路和参考回路的末端分别设有光电二极管和与光电二极管连接的处理单元；
所述处理单元接收光电二极管获得的所述开放型检测区域、开放型参考区域的回路波形/光程变化量，即所述两区域内介质折射率变化，标定计算得出当前检测气体的浓度。
技术总结