CN100507518C - 高性能光纤瓦斯传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高性能光纤瓦斯传感器，其特征在于：SLD发出的光，经过第一个环行器和一段光缆到达气室，被气体波长选择性吸收后又被末端反射镜反射返回到气室二次吸收，光再经过此光缆、第二个环行器和第三环行器到达带宽为1.1nm带宽FBG，反射回一个带宽为1.1nm的光，光经过第二个环行器和第三个环行器到达0.5nm带宽FBG，在0.5nm带宽FBG作用下，一路0.5nm带宽携带吸收信息的光返回至信号接收电路，另一路透射作为参考光到达参考接收电路，两路光信号通过探测器转化成交流调制电信号，再由A/D采集卡采集到计算机，在计算机内对数据相除消除光路损耗影响，计算出实际瓦斯浓度。由于使用了两个光栅，消除了温度对仪器的影响，从而使仪器更加稳定，可靠性良好。
Description
技术领域：本发明属于矿井瓦斯浓度监测技术，具体而言是应用于矿井的高性能光纤瓦斯传感器。
背景技术：由于煤炭是我国最主要的一次能源，煤炭的安全生产直接影响着国计民生的大事，造成煤炭安全事故的最主要因素之一是瓦斯事故，所以近几年来一直深受国家和社会关注。
目前到2006年为止广泛用于瓦斯监测的传感器基本上全部是黑白催化元件和热导元件。黑白元件的量程在4％以下，每个两周必须调试一次；热导元件误差比较大；催化元件和热导元件组成的混合型传感器尽管可以实现大量程，但是对瓦斯的突出响应不够迅速。对于监测易燃易爆的瓦斯气体来说，具有光纤瓦斯传感器具有许多优点。
首先，传感器由玻璃纤维制成，通过光信号工作，不涉及电信号，具有本征安全性能；
其次，测量范围大，理论上可以达到任意大的浓度范围；灵敏度高；响应速度快等。
光纤瓦斯气体传感器的研究与应用国内外都有出现，许多方法都得到了实验应用。
一，1987年J.P.Dakin和C.A.Wade等人报道了一种利用梳状滤波器和宽带光源(LED)测量甲烷气体浓度的方法；采用宽带光源的差分吸收光谱式气体传感器[1，2]，这种方案精度可达400ppm，完全可以满足煤矿瓦斯检测的精度，它的最大优点在于成本低、技术简单、环境适应性好，但由于目前所用的发光管功率低，因此只用于单点检测。
二，1990年H.Tai和K.Yamamoto等利用1.66um单模分布反馈式(DFBLD)半导体激光器，采用了波长
频率)调制的谐波检测方法，室温下检测甲烷浓度达到了20ppm最小探测灵敏度：基于分布反馈激光器谐波检测的光纤多点甲烷检测系统，这种方案精度高，但分布反馈激光器价格昂贵，谐波检测技术复杂，单色性强容易产生干涉，因此这种技术很难在我国推广应用。
三，便携式遥感瓦斯探测器[3，4]，它采用正弦波调制技术对瓦斯进行遥感测量，优点是携带方便，但成本高、技术复杂且只能单点测量，无法组成多点监测网络
四，参考文献[5]，这种方案我们在长期实验过程中发现，驱动电流和光源温度的改变等因素会导致光源光谱发生改变，致使零点飘移，从而影响长期稳定性.
发明内容：本发明的目的是提供一种简单稳定的高性能光纤瓦斯传感器设计，这种设计带有防温度漂移性能，提高了系统受光路损耗的干扰能力。本发明的技术方案如下：光纤瓦斯传感器原理如图1所示，从超辐射发光二极管(SLD)发出的光满足Lambert定律：
I＝I0exp(-αLC) (1)
式中：I0、I为吸收前和吸收后光强度 α为被测气体吸收系数
L为被测气体吸收腔长度 C为被测气体浓度
K为损耗系数
I(λ1)＝K(λ1)*Io(λ1)*exp(-α(λ1)*C*L) (2)
I(λ2)＝K(λ2)*Io(λ2)*exp(-α(λ2)*C*L) (3)
利用差分方式[K(λ1)*Io(λ1)]/[K(λ2)*Io(λ2)]＝常数 (4)
由于瓦斯在1.331μm处有较强的吸收，如图2所示，所以本发明选择1.331μm为瓦斯吸收段，采用带宽为1.1nm的光纤布拉格光栅(FBG)滤掉光源其他部分光，一个带宽为0.5nm的光纤布拉格光栅(FBG)将光分成受瓦斯吸收影响的信号光和不受瓦斯吸收影响的参考光，通过两路信号对比相除消除光路损耗对测量结果带来的影响。
被1KHz调制的光源超辐射发光二极管(SLD)发出的光，光源驱动电路如图8，经过第一个环行器(circulator)和一段光缆到达气室，被气体波长选择性吸收后又被末端反射镜反射返回到气室二次吸收，光再经过此光缆、第二个环行器和第三环行器到达带宽为1.1nm带宽光纤布拉格光栅，反射回一个带宽为1.1nm的光，光经过第二个环行器和第三个环行器到达0.5nm带宽布拉格光栅，在0.5nm带宽光纤布拉格光栅作用下；一路0.5nm带宽携带吸收信息的光返回至信号接收电路，光谱如图2，另一路透射作为参考光到达参考接收电路，光谱如图3。两路光信号通过探测器转化成交流调制电信号，通过锁相放大电路将将其转化为直流电压信号，锁相放大电路如图9，再由A/D采集卡采集到计算机，在计算机内对数据相除消除光路损耗影响。标定后便可以计算出实际瓦斯浓度。本发明考虑到矿井应用现场环境的恶劣情况，对探头(气室)进行了防尘防潮处理，防尘材料采用防尘网，防潮材料使用了5A分子筛，透气性性好而且可以阻挡水分子进入内部。使用不锈钢金属外壳防爆。光纤瓦斯传感器结构图如图5，实图如图6。
附图8显示了正弦波发生电路的电路图，它采用文氏桥振荡方式，经稳压管限幅输出，振荡频率为1KHz，稳定度在0.1Hz。附图9显示了锁相放大电路图，参考信号取自光源调制信号，频率1kHz，用来与光源保持同步，降低噪音信号干扰，提高信噪比。
附图说明：图1、光纤瓦斯传感器系统框图
图2瓦斯吸收谱 图3信号光光谱图 图4参考光光谱 图5光纤瓦斯传感器探头结构图 图6光纤瓦斯传感器探头实图图7光纤瓦斯传感器实验测试结果图 图8光纤瓦斯传感器调制电路图图9光纤瓦斯传感器锁相放大电路图
图中：1-超辐射发光二极管(SLD) 2-第一个环行器 3-光缆4-气室 5-反射镜 6-1.1nm带宽光纤布拉格光栅 7-第二个环行器 8-0.4nm带宽光纤布拉格光栅 9-第三个环行器 10-信号接收电路 11-参考接收电路 12-数据采集卡 13-计算机 14-光开关 15-光开关控制信号 16-瓦斯探头悬挂杆 17-出气孔 18-不锈钢金属外壳 19-防尘材料层 20-防潮材料层 21-光纤瓦斯传感器探头实图 22-入气孔 23-出纤孔
具体实施方式；本发明为高性能光纤瓦斯传感器，其中光源选择使用了中心波长为1327nm的超辐射发光二极管(SLD)、环行器为1330nm、光缆1330nm矿用光缆、光纤布拉格光栅(FBG)为带宽分别为0.5nm和1.1nm中心波长为1331.4nm的光纤布拉格光栅、数据采集卡(A/D)为采样频率10KHzUSB接口数据采集卡，实验中，首先对探头用几种不同浓度标准瓦斯气体进行标定并把标定结果写入程序中，然后对其通入不同浓度的瓦斯气体进行测试，测试结果如图7，结果与理想值基本吻合。
由于使用了两个光栅，但外界温度发生变化时，两个光栅同向同步漂移，而由两个光栅分开的信号光和参考光比值将不会发生变化，因此消除了温度对仪器的影响。从而使仪器更加稳定，可靠性良好。
探头设计上，采用多组准直器组串联的方式，一方面减小了瓦斯传感器探头的尺寸，另一方面增加了吸收长度，从而提高了检测精确度，再一方面，缩短准直器组的长度使其更加稳定牢固。
本发明的高性能光纤瓦斯传感器具有以下优点：
1)采用差分结构设计，参考光与信号光取自同一光源并经同一光路传播，能有效消除光源和背景变化带来的干扰，具有稳定性高的优点，全光器件使其具有测量精度高、测量范围大、方便实用、可重复性好、安全系数高等突出优点。
2)双光栅结构的引入，使光源光谱的变化以及光路弯曲损耗的波长选择性造成的零点漂移问题得到解决，提高了长期稳定性和系统可靠性。
3)采用光开关和环行器实现了用一只光源和两只探测器进行多点测量，降低了成本。
4)采用正弦波调制光源、锁相放大器，很好地抑制了电路直流零漂现象带来的影响和噪音信号的干扰，具有信噪比高、抗干扰性能好。
本发明的高性能瓦斯传感器，该光纤瓦斯传感器在煤矿开采以及其他瓦斯监测领域具有很强的应用前景。
参考文献：
[1]赵浩等，“差分吸收式光纤甲烷气体传感器”，公开号，CN1544918A。
[2]林枫等，“红外吸收型瓦斯传感器的研究”，激光与光电子学进展，41(2004)，40。
[3]Environmental Geology International Journal of Geosciences，Springer-Verlag2004.
[4]贾锁堂等，“激光遥感瓦斯探测器”，ZL 03268476.2
[5]常军等，“煤矿瓦斯查分吸收式光纤多点监测系统”，申请号，200610044428.1
Claims (2)
1、一种高性能光纤瓦斯传感器，其特征在于：光源超辐射发光二极管(1)发出的光，经过第一个环行器(2)和一段光缆(3)到达气室(4)，被气体波长选择性吸收后又被末端反射镜(5)反射返回到气室二次吸收，光再经过此光缆、第一个环行器(2)、第二个环行器(7)到达带宽为1.1nm的光纤布拉格光栅(6)，反射回一个带宽为1.1nm的光，光经过第二个环行器(7)和第三个环行器(9)到达0.5nm带宽的光纤布拉格光栅(8)，所述带宽为1.1nm的光纤布拉格光栅(6)和带宽为0.5nm的光纤布拉格光栅(8)的中心波长均为1.331μm，在0.5nm带宽光纤布拉格光栅(8)作用下，一路0.5nm带宽携带吸收信息的光返回至信号接收电路(10)，另一路透射作为参考光到达参考接收电路(11)，两路光信号通过探测器转化成交流调制电信号，通过锁相放大电路将其转化为直流电压信号，再由A/D采集卡(12)采集到计算机(13)，在计算机内对数据相除消除光路损耗影响标定后便可以计算出实际瓦斯浓度。
2、根据权利要求1所述的高性能光纤瓦斯传感器，其特征在于：所述的气室(4)进行了防尘防潮处理，并且使用不锈钢金属外壳防爆。
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