CN100392454C - 基于光纤布拉格光栅的甲烷浓度传感的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光纤布拉格光栅应用于甲烷浓度传感的方法以及实现该方法的设备。本发明中FBG传感器通过光纤环形器与宽带光源连接，反射光通过光纤环形器与光纤耦合器连接；光电二极管的输入端与3-dB光纤耦合器的一端连接，光电二极管的输出端与数据采集卡电连接；采集卡与FFT分析仪电连接；3-dB光纤耦合器的另一端分别与两个光纤准直器连接，对应两个光纤准直器位置设有两个反射镜，其中一个反射镜通过步进电机控制其位置移动。本发明适用于多点的甲烷浓度高精度测量，并解决了易受电磁干扰、存在电火火安全隐患的问题。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及了一种光纤布拉格光栅应用于甲烷浓度传感的方法以及实现该方法的设备。
背景技术
在光纤传感领域，光纤布拉格光栅(fiber bragg grating，FBG)由于其对温度、应力、折射率变化非常敏感，而成为业内一个非常重要的传感器件。FBG反射光谱的中心波长与光纤芯层的有效折射率成正比，而光纤芯层的有效折射率受外界的温度、应力影响，因此测量出FBG反射光谱的中心波长的变化就可以得到外界温度的变化。
传统催化氧化法利用甲烷催化氧化元件催化甲烷和氧气的氧化反应，将化学能转化为热能，由热敏电阻测出温度的变化，从而得到甲烷浓度值。该方法测量精度较高，但处理电路较复杂，容易受外界电磁干扰，影响测量准确度；而且处理电路需要电源供电，存在产生电火花的安全隐患。另外，该方法不利于实现分布式传感。
发明内容
本发明就是针对现有技术的不足，在传统催化氧化甲烷传感法的基础上，提出了一种基于光纤布拉格光栅的甲烷浓度传感的解决方案，同时提供了实现该方法的设备。
本发明的方法包括以下步骤：
1、选用波长范围覆盖光纤布拉格光栅反射中心波长的宽带光源，光源带宽范围20～60nm；光源发出的光通过环形器打到n(n≥2)个不同反射中心波长的FBG传感器串联的FBG阵列上，FBG传感器贴近甲烷催化氧化元件放置，甲烷催化氧化元件的作用是将甲烷浓度变化转变为温度变化，当FBG所处环境甲烷浓度发生变化时，环境温度随之发生同方向变化，光纤芯层的有效折射率因此发生变化，导致FBG的反射中心波长发生漂移。FBG的反射中心波长为：
λ＝2n ·Λ (1)
其中n表示光纤芯层的有效折射率，Λ表示FBG传感器光栅常数。
2、FBG反射回来的传感信号经过一个环形器进入一个3-dB光纤耦合器，3-dB光纤耦合器将光信号分成等光强的两束；两束等光强的信号光分别通过光纤准直器入射到反射镜上并反射耦合回光纤；通过控制其中一个反射镜的位置移动，改变两路信号光之间的相对光程。由于反射镜的移动而产生的多普勒频移为：
f＝2v/λ0 (2)
其中v表示反射镜移动的速率，λ0表示信号光的波长。
3、两路信号光在3-dB耦合器中汇合干涉，干涉信号经3-dB耦合器的一臂，由光电二极管转化为电信号，由数据采集卡采集，进入快速傅立叶变换分析仪(Fast Fourier Transform，FFT)。通过FFT分析仪可以读出(2)式中的f，由此可以得到信号光的波长λ0。
实现上述方案的设备为：FBG传感器通过光纤环形器与宽带光源光信号连接，反射光通过光纤环形器与光纤耦合器光信号连接。光电二极管的输入端与3-dB光纤耦合器的一端光信号连接，光电二极管的输出端与数据采集卡电连接。采集卡与FFT分析仪电连接。3-dB光纤耦合器的另一端分别与两个光纤准直器光信号连接，对应两个光纤准直器位置设有两个反射镜，其中一个反射镜通过步进电机控制其位置移动。甲烷催化氧化元件采用成熟的现有产品。
本发明适用于多点的甲烷浓度高精度测量。采用多个不同反射中心波长的FBG传感器可以实现多个传感器的复用，实现准分布式传感。另外，由于光信号由光纤传输到远程解调机构，故解决了原来电学处理系统的易受电磁干扰、存在电火火安全隐患的问题。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，宽带光源1与光纤环形器2的①端光信号连接，光纤环形器2的②端与FBG传感器3光信号连接。甲烷催化氧化元件4与FBG传感器3位置配合连接。光纤环形器2的③端与光纤耦合器5光信号连接。光电二极管9的输入端与3-dB光纤耦合器5的一端光信号连接，光电二极管9的输出端与数据采集卡10电连接。数据采集卡10与FFT分析仪11电连接。3-dB光纤耦合器5的另一端分别与两个光纤准直器6光信号连接，对应两个光纤准直器6位置设有两个反射镜7，其中一个反射镜通过步进电机8控制其位置移动。将上述FBG传感器3作为甲烷浓度传感器放置在被测点，宽带光源1和信号解调部分都在监测中心，宽带光通过单模光纤进入FBG传感器3，再由单模光纤将信号光传回监测中心进行信号解调与处理。
选用波长范围为60nm(可以覆盖光纤布拉格光栅反射中心波长的宽带)光源，光源发出的光通过光纤环形器打到FBG传感器阵列上，FBG传感器贴近甲烷催化氧化元件放置，甲烷催化氧化元件的作用是将甲烷浓度变化转变为温度变化，当FBG所处环境甲烷浓度发生变化时，环境温度随之发生同方向变化，光纤芯层的有效折射率因此发生变化，导致FBG的反射中心波长发生漂移。FBG的反射中心波长为：
λ＝2n·Λ (1)
其中n表示光纤芯层的有效折射率，Λ表示FBG传感器光栅常数。
FBG反射回来的传感信号经过一个环形器进入一个3-dB光纤耦合器，3-dB光纤耦合器将光信号分成等光强的两束；两束等光强的信号光分别通过光纤准直器入射到反射镜上并反射耦合回光纤；通过控制其中一个反射镜的位置移动，改变两路信号光之间的相对光程。由于反射镜的移动而产生的多普勒频移为：
f＝2v/λ0 (2)
其中v表示反射镜移动的速率，λ0表示信号光的波长。
两路信号光在3-dB耦合器中汇合干涉，干涉信号经3-dB耦合器的一臂，由光电二极管转化为电信号，由数据采集卡采集，进入FFT(FastFourier Transform)分析仪。通过FFT分析仪可以读出(2)式中的f，由此可以得到信号光的波长λ0。
Claims (2)
1.基于光纤布拉格光栅的甲烷浓度传感的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)选用波长范围覆盖光纤布拉格光栅FBG反射中心波长的宽带光源，光源带宽范围20～60nm；光源发出的光通过环形器打到n个不同反射中心波长的FBG传感器串联的FBG阵列上，n≥2；FBG传感器贴近甲烷催化氧化元件放置，甲烷催化氧化元件的作用是将甲烷浓度变化转变为温度变化，当FBG所处环境甲烷浓度发生变化时，环境温度随之发生同方向变化，光纤芯层的有效折射率因此发生变化，导致FBG的反射中心波长发生漂移，FBG的反射中心波长为：
λ＝2n·Λ (1)
其中n表示光纤芯层的有效折射率，Λ表示FBG传感器光栅常数；(2)FBG反射回来的传感信号经过一个环形器进入一个3-dB光纤耦合器，3-dB光纤耦合器将光信号分成等光强的两束；两束等光强的信号光分别通过光纤准直器入射到反射镜上并反射耦合回光纤；通过控制其中一个反射镜的位置移动，改变两路信号光之间的相对光程，由于反射镜的移动而产生的多普勒频移为：
f＝2v/λ0 (2)
其中v表示反射镜移动的速率，λ0表示信号光的波长；
(3)两路信号光在3-dB耦合器中汇合干涉，干涉信号经3-dB耦合器的一臂，由光电二极管转化为电信号，由数据采集卡采集，进入快速傅立叶变换分析仪；通过傅立叶变换分析仪读出(2)式中的f，由此得到信号光的波长λ0。
2.采用权利要求1方法所使用的设备，其特征在于该设备中光纤布拉格光栅FBG传感器通过光纤环形器与宽带光源光信号连接，反射光通过光纤环形器与光纤耦合器光信号连接；光电二极管的输入端与3-dB光纤耦合器的一端光信号连接，光电二极管的输出端与数据采集卡电连接；采集卡与快速傅立叶变换分析仪电连接；3-dB光纤耦合器的另一端分别与两个光纤准直器光信号连接，对应两个光纤准直器位置设有两个反射镜，其中一个反射镜通过步进电机控制其位置移动。
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