CN101046451A - 全光纤干涉式甲烷检测的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种全光纤干涉式甲烷检测的方法和设备，由两个耦合器连接形成一个干涉仪，干涉仪的两臂分别为探测臂和参考臂，探测臂上套置有金属套管，金属套管表面上镀有铂膜，作为催化剂催化甲烷与氧气发生反应放出热量，使探测臂变长，从而产生臂长差，两臂输出的光叠加后产生干涉效应，建立干涉仪谱线移动与甲烷浓度之间的关系，通过与宽带光源和光谱仪或其他解调设备连接，根据检测干涉仪谱线的移动获得甲烷的浓度信息。可以实现高灵敏度、高响应速度、远距离的测量。

Description

全光纤干涉式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，尤其涉及一种利用光纤耦合器进行甲烷检测的技术。

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。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。

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，它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。这两种方法都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。而近几年发展起来的光纤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时遥测、传感头可以放入恶劣环境中(如有毒，高温气体)，结构简单，工作稳定可靠并且易于组成光纤网络传感系统。目前有一种基于布拉格光纤光栅的甲烷分布式传感方法及设备，它是用在光纤光栅上镀一层铂膜，金属铂作为催化剂催化甲烷气体与氧气反映而产生热能，通过研究布拉格光栅的反射峰位置随温度变化规律来实现对甲烷气体浓度的测量。该装置用多个光纤光栅作为传感元件是一种准分布式的测量方式，而且成本比较高。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种全光纤干涉式甲烷检测的方法，同时提供了实现该方法的设备，其具有安全、测量精度高、响应速度快、动态范围大、感应部分更换方便等优点。

为解决上述技术问题，本发明的方法包括以下步骤：

1)利用两个3dB光纤定向耦合器连接制成一个全光纤干涉仪，干涉仪的一个臂作为参考臂，另一个臂为探测臂，探测臂长为L₁，参考臂长为L₂；

2)探测臂在金属套管中穿过，运用真空镀膜技术在细金属套管表面上镀一层铂膜，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，导致探测臂光纤因周围温度升高而产生热膨胀效应和热光效应，其中热膨胀效应使光纤的长度改变，而热光效应使纤芯折射率改变，从而使臂长差发生改变，两臂输出的光叠加后将产生干涉效应；

3)将套在金属套管中的探测臂置于不同标准浓度的甲烷气体样本中，检测干涉仪谱线的变化；

4)利用步骤3)测得的数据对干涉仪谱线与甲烷浓度的关系进行定标，建立干涉仪谱线移动与甲烷浓度之间的关系为：

$\frac{\mathrm{\Δ\φ}}{\mathrm{\φ}}=\mathrm{an}---\left(1\right)$

式中φ为两臂的相位差，Δφ臂长差改变引起的相位差，α为比例系数，n为甲烷浓度；

5)将宽带光源的光由①端口输入耦合器1中，经耦合器1的光以1∶1的比例进入探测臂和参考臂，经过两臂的光共同通过耦合器2经⑤端口输出，⑤端口输出的光进入解调系统，根据公式(1)获得甲烷气体浓度。

实现该方法的设备包括：

宽带光源BBS通过光纤与3dB耦合器1的①端口连接，耦合器1的③端口通过光纤与3dB耦合器2的⑦端口相连接形成探测臂，探测臂套置有金属套管并设置有偏振控制器，耦合器1的④端口与耦合器2的⑧端口通过光纤连接，耦合器2的⑤端口输出的光进入解调系统。

本发明通过由两个光纤定向耦合器构成的全光纤干涉仪进行甲烷浓度检测，可以实现高灵敏度、高响应速度、远距离的测量，同时由于铂膜设置在金属套管上，具有动态范围大、更换方便等优点。在室温环境下，甲烷气体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，跟踪某一特定相位点对应波长的变化为0.01％每皮米，与现有甲烷检测设备相比，在配有相同解调系统的情况下，本发明具有更高的测量精度。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明所述的干涉仪的输出光强与波长的理论曲线图；

图3为干涉仪谱线的移动与甲烷浓度的对应关系图。

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，宽带光源BBS通过光纤与3dB耦合器1的①端口连接，耦合器1的③端口通过光纤与3dB耦合器2的⑦端口相连接形成探测臂，探测臂上套置有长度35mm，内径为0.15mm稍大于光纤直径的金属套管，采用真空镀膜技术在金属套管表面上镀上一层铂膜，作为催化剂，探测臂上还设置有偏振控制器，耦合器1的④端口与耦合器2的⑧端口通过光纤连接形成参考臂。

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，使铂膜附近的温度升高，导致探测臂光纤因周围温度变化而产生热膨胀效应和热光效应，其中热膨胀效应使光纤的长度改变，而热光效应使纤芯折射率改变，从而使臂长差发生改变，两臂输出的光叠加后将产生干涉效应，将镀有铂膜的探测臂置于不同标准浓度的甲烷气体样本中，检测干涉仪谱线的变化，对干涉仪谱线与甲烷浓度的关系进行定标，宽带光源发出光经耦合器1分别进入干涉仪的探测臂和参考臂，两臂输出的光叠加后将产生干涉效应，因此当两个耦合器的分光比均为3dB时，其⑤端口和⑥端口的归一化的输出端光强I可表示为：

$I=\frac{1}{2}\left[1\mathrm{\μ}\cos \mathrm{\φ}\left(\mathrm{\λ}\right)\right]---\left(1\right)$

式中φ＝(2πn_effΔL)/λ是两臂的相位差，ΔL是干涉仪两臂的长度差，n_eff是光纤的有效折射率，λ是工作波长。图2给出了干涉仪的输出光强与波长的理论曲线，由图可知，不同的λ对应不同的φ，亦即对应着不同的输出功率。

当相位差φ为π的奇整数倍时，输出功率达到最大值，两相邻峰值间隔即最大的波长差为

$\mathrm{\Δ\λ}={\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2=\frac{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_2}{n_{\mathrm{eff}}\mathrm{\ΔL}}---\left(2\right)$

由于Δλ远远小于λ₁和λ₂，所以上式可简化为：

$\mathrm{\Δ\λ}=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{n_{\mathrm{eff}}\mathrm{\ΔL}}---\left(3\right)$

由上式可知，如果ΔL的改变很微小(微米量级)，则Δλ的改变可以忽略不计。当λ一定时，φ与ΔL和n_eff成正比，当外界因素引起干涉仪臂长差ΔL(对应于光纤的弹性变形)和有效折射率n_eff(对应于光纤的弹光效应)发生变化，相位差φ相应改变，其结果是干涉仪的功率谱产生平移，因此测量φ的变化可以得到引起ΔL和n_eff变化的被测物理量。

对于长度为L、折射率为n的光纤，其相位随温度的变化关系为

$\frac{\mathrm{\Δ\φ}}{\mathrm{\φ}}=\frac{1}{n}\left(\frac{\mathrm{\δn}}{\mathrm{\δT}}\right)\mathrm{\ΔT}+\{{\mathrm{\ϵ}}_z-\frac{n^2}{2}[(P_{11}+P_{12}){\mathrm{\ϵ}}_r+P_{11}{\mathrm{\ϵ}}_z\left]\right\}---\left(4\right)$

式中P₁₁，P₁₂为光纤材料的弹光系数；ε_z是轴向应变；ε_r是径向应变。由式(4)可看出，干涉仪的谱线移动与温度变化成线性关系。而温度变化与甲烷浓度之间也存在线性关系，从而可以建立干涉仪的谱线移动与甲烷浓度n之间的关系为：

$\frac{\mathrm{\Δ\φ}}{\mathrm{\φ}}=\mathrm{an}---\left(5\right)$

式中φ为两臂的相位差，Δφ臂长差改变引起的相位差，α为比例系数，n为甲烷浓度；耦合器2的⑤端口输出的光进入解调系统，根据公式(5)获得甲烷气体浓度。

Claims (3)

1、全光纤干涉式甲烷检测的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)利用两个光纤定向耦合器连接制成一个全光纤干涉仪，干涉仪的一个臂作为参考臂，另一个臂为探测臂，探测臂长为L₁，参考臂长为L₂；

2)探测臂在金属套管中穿过，运用真空镀膜技术在细金属套管表面上镀一层铂膜，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，导致探测臂光纤因周围温度升高而产生热膨胀效应和热光效应，其中热膨胀效应使光纤的长度改变，而热光效应使纤芯折射率改变，从而产生了臂长差，两臂输出的光叠加后将产生干涉效应；

3)将套在金属套管中的探测臂置于不同标准浓度的甲烷气体样本中，检测干涉仪谱线的变化；

4)利用步骤3)测得的数据对干涉仪谱线与甲烷浓度的关系进行定标，建立干涉仪谱线移动与甲烷浓度之间的关系为：

$\frac{\mathrm{\Δ\φ}}{\mathrm{\φ}}=\mathrm{\αn}...\left(1\right)$

式中φ为两臂的相位差，Δφ为臂长差改变引起的相位差，α为比例系数，n为甲烷浓度；

5)将宽带光源的光由①端口输入耦合器1中，经耦合器1的光以1∶1的比例进入探测臂和参考臂，经过两臂的光共同通过耦合器2经⑤端口输出，⑤端口输出的光进入光谱仪或其他解调系统，根据公式(1)获得甲烷气体浓度。

2、根据权利要求1所述的全光纤干涉式甲烷检测的方法，其特征在于所述耦合器采用3dB耦合器。

3、实现上述方法的设备，其特征在于包括：宽带光源BBS通过光纤与耦合器1的①端口连接，耦合器1的③端口通过光纤与3dB耦合器2的⑦端口相连接形成探测臂，探测臂套置有金属套管并设置有偏振控制器，耦合器1的④端口与耦合器2的⑧端口通过光纤连接，耦合器2的⑤端口输出的光进入解调系统。

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