CN101046450A - 光纤光栅甲烷检测的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光纤光栅甲烷检测的方法和设备。在光栅两侧光纤上涂覆有铂膜，铂膜作为催化剂催化空气中的氧气与甲烷发生氧化反应，放出热量，导致光纤发生形变，间接导致光栅反射峰位置发生漂移，通过确定反射峰波长获得待测气体中甲烷的浓度。通过环形器将一组甲烷传感器与宽带光源、波分复用解调系统连接起来，可实现多个甲烷传感器的分布式测量。

Description

光纤光栅甲烷检测的方法和设备

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种光纤光栅甲烷检测的方法和设备。

背景技术

甲烷(CH₄)是矿井瓦斯、天然气、沼气和多种液体燃料的主要成分，是重要的工业原料和日常生活的燃气，它也是易燃易爆气体，在大气中爆炸的下限为5.3％，上限为15.0％。同时也被认为是温室效应最主要的气体之一，据报道CH₄吸收红外线能力是CO₂的15～30倍，占据整个温室贡献量的15％。空气中CH₄的浓度每年大约以1％的速度增长。因此及时检测CH₄气体的产生源、泄露源及浓度，对工矿安全运行、人身安全及环境保护有着十分重要的作用。《煤矿安全规程》也明文规定要对煤矿中的甲烷含量进行多点、实时的高精度检测。

目前广泛采用的甲烷测量方法主要有催化氧化法和光学法。其中催化氧化法利用催化剂催化甲烷和氧气发生氧化反应，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。该方法一般只能达到0.1％的测量精度，而且电路部分容易受外界电磁干扰，影响测量准确度；由于需要电源供电，有发出电火花的安全隐患；传感器容易中毒、对气体的选择性差、易出现误报，而且系统需要频繁校准；该方法也不利于实现分布式测量。光学法又分为吸收式和干涉式两种，他们分别利用了甲烷红外吸收特性和甲烷浓度与光折射率存在的关系。干涉型传感器需经常调校，易受其他气体的干扰，其可靠性及稳定性较差；光谱吸收式测量方法由于需要通过几何光学的方法来增大光程以提高测量灵敏度，所以集成性相对较差，而且实现分布式测量难度很大。

近几年发展起来的光纤光栅传感器相对于常规传感器具有无可比拟的优点，它灵敏度高、响应快、动态范围大、不受电磁干扰、耐腐蚀、体积小、可以实现信号的长距离传输和现场实施遥测、传感头可以放入恶劣环境中，结构简单，工作稳定可靠并且易于组成光纤网络传感系统。如2006年6月28日公布的、申请号为200610049133.3的发明专利申请，其采用光纤光栅式传感器，根据光栅反射峰位置的变换来检测甲烷，而且还可实现分布式测量。但是在使用过程中发现一些问题，如由于在光栅的表面上直接涂覆有催化剂，催化剂促使甲烷与氧气发生氧化反应产生热量直接使光栅发生形变，光栅会因为温升过大、变形过快容易损坏，虽然可以采用更换光栅的方法延长使用寿命，但是制作光栅以及在它上面涂覆催化剂的工艺比较复杂，成本比较高，而且由于催化剂直接涂敷在光栅的表面上，光栅不能封装起来，必须裸露在外面，机械强度低，受外界环境影响大等缺点，而且铂膜的涂覆范围受到光栅宽度的限制。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种光纤光栅甲烷检测的方法，同时提供了实现该方法的设备，其具有光栅使用寿命长、不易受外界环境影响等优点。

为解决上述技术问题，本发明的方法包括以下步骤：

1)在一段光纤中间安装上一个光栅，该光栅的反射峰波长一定；

2)运用真空镀膜技术在光纤包层表面镀上一定长度的铂膜层作为催化剂，在催化剂的作用下，待测气体中的甲烷与空气中的氧气发生氧化反应放出热量，使铂膜附近温度升高，导致光纤形变和光栅反射峰位置漂移；

3)将一个上述包层上镀有铂膜的光纤光栅置于不同标准浓度的甲烷气体样本中，检测该光栅反射峰波长漂移量；

4)利用步骤3)测得的数据对该光栅反射峰位置漂移与甲烷浓度的关系进行定标，用线性拟合的方法获得光栅反射峰位置漂移与甲烷浓度之间的线性关系：

                Δλ＝an                  (1)

其中Δλ为光栅反射峰波长漂移量，n为甲烷气体浓度，a为比例系数；

5)重复步骤3)和4)，获得此包层镀铂膜的光纤光栅的反射峰位置漂移量与甲烷浓度之间的线性关系；

6)有多个不同反射峰波长的此种传感器连接到一个光纤上，将覆盖这些传感器的光栅反射峰波长的宽带光源由①端口进入环型器，由②端口将光输入波分复用的一组串联的光纤光栅传感器；包含对应各个光栅位置甲烷浓度信息的反射光信号，经环型器②端口和③端口进入光纤光栅波分复用解调系统解调，获得各个光栅的反射峰波长漂移量，根据公式(1)获得对应检测点的甲烷气体浓度。

上述光栅反射峰波长间隔为3个纳米。

实现该方法的设备包括：

宽带光源与环型器①端口通过光纤连接，环型器②端口与多个串联的光纤光栅瓦斯传感器通过光纤连接，所述的各个传感器光纤表面镀有铂膜，铂膜层的厚度为1～5微米。环型器③端口与光纤光栅波分复用解调系统通过光纤连接。

本发明通过一组串联的光纤包层镀有铂膜的光纤光栅进行甲烷气体浓度检测，可以实现分布式、远距离、高精度的测量。在室温环境下，一般甲烷在空气中的体积比每增加1％，铂膜附近温度会升高0.5摄氏度，光栅反射峰位置移动5皮米(铂膜层厚度3微米时)，即系统灵敏度为0.2％每皮米，现有的光纤布拉格光栅波分复用解调系统分辨率可达0.2皮米，故本发明对甲烷气体的测量精度高达0.04％。又由于本发明的传感部分完全无电源，用于甲烷气体浓度监测非常安全。同时由于铂膜层涂覆在光纤的包层上，光栅是受温升的光纤中的应力作用而发生的形变，从而间接的改变了光栅的反射峰，此方法对光栅有保护作用，使其不易受到损伤，且光栅可封装起来，机械强度高，不受环境影响，而且铂膜处的光纤可更换，更换工艺简单、成本较低。

附图说明

图1为本发明一个传感器的结构示意图；

图2为本发明检测设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明，如图1所示，在一段光纤1上采用光刻上一定长度的光栅2，该光栅2的反射峰波长为3纳米，在光纤的包层上运用真空镀膜技术镀上一层3微米宽的铂膜3，作为催化剂，这样构成了一个光纤光栅甲烷传感器4。在催化剂的作用下，待测气体中的甲烷与空气中的氧气发生氧化反应放出热量，使铂膜3附近温度升高，导致光纤1发生形变，从而导致光栅2的反射峰位置漂移。

如图2所示，选择一组各个光栅反射峰波长位置间隔3个纳米的上述光纤光栅甲烷传感器4通过光纤进行串联；覆盖所有传感器中光栅反射峰波长的宽带光源5与环形器6的端口通过光纤连接，环形器6的端口与该组光纤光栅甲烷传感器通过光纤连接，环形器6的端口与光纤光栅波分复用解调系统7通过光纤连接。

对一个光栅反射峰位置漂移与甲烷气体浓度的关系进行定标：将包层镀有铂膜的光纤光栅置于不同标准浓度的甲烷气体样本中，测得光栅对应的反射峰波长漂移，对定标数据进行线性拟合，可获得波长漂移量Δλ(pm)与甲烷浓度n(％)的关系：

                        Δλ＝an

用相同方法测得其他传感器光栅的波长漂移量Δλ(pm)与甲烷气体浓度n(％)的关系。宽带光源和光栅波分复用解调系统安装在井上监测中心，将各个镀有铂膜的光纤光栅传感器安装在煤矿巷道内的各个检测位置，宽带光由一根光纤传输至串联的光栅，各个光栅的反射光经环型器进入光栅波分复用解调系统，由该系统读出各个光栅的反射光波长位置，根据每个光栅的波长漂移量Δλ(pm)与甲烷浓度n(％)的关系，获得光栅对应位置测量点的甲烷浓度信息。

Claims (4)

1、光纤光栅甲烷检测的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在一段光纤中间安装上一个光栅，该光栅的反射峰波长一定；

2)运用真空镀膜技术在光纤包层表面镀上一定长度的铂膜层作为催化剂，在催化剂的作用下，待测气体中的甲烷与空气中的氧气发生氧化反应放出热量，使铂膜附近温度升高，导致光纤形变和光栅反射峰位置漂移；

3)将一个上述包层上镀有铂膜的光纤光栅置于不同标准浓度的甲烷气体样本中，检测该光栅反射峰波长漂移量；

4)利用步骤3)测得的数据对该光栅反射峰位置漂移与甲烷浓度的关系进行定标，用线性拟合的方法获得光栅反射峰位置漂移与甲烷浓度之间的线性关系：

                           Δλ＝a_n               (1)

其中Δλ为光栅反射峰波长漂移量，n为甲烷气体浓度，a为比例系数；

5)重复步骤3)和4)，获得此包层镀铂膜的光纤光栅的反射峰位置漂移量与甲烷浓度之间的线性关系；

6)有多个不同反射峰波长的此种传感器连接到一个光纤上，将覆盖这些传感器的光栅反射峰波长的宽带光源由①端口进入环型器，由②端口将光输入波分复用的一组串联的光纤光栅传感器；包含对应各个光栅位置甲烷浓度信息的反射光信号，经环型器②端口和③端口进入光纤光栅波分复用解调系统解调，获得各个光栅的反射峰波长漂移量，根据公式(1)获得对应检测点的甲烷气体浓度。

2、根据权利要求1所述的光纤光栅甲烷检测的方法，其特征在于：所述光栅反射峰波长间隔为3个纳米。

3、实现权利要求1所使用的设备，其特征在于：宽带光源与环型器①端口通过光纤连接，环型器②端口与多个串联的光纤光栅甲烷传感器通过光纤连接，所述的各个传感器光纤表面镀有铂膜，环型器③端口与光纤光栅波分复用解调系统通过光纤连接。

4、根据权利要求3所述的设备，其特征在于所述铂膜环的宽度为3微米，铂膜层的厚度为1～5微米。

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