CN101424621A - 一种光纤光栅传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光纤光栅传感器，包括宽带光源、光纤、固定波长的滤波器、探测器和位于测量点的用于监测氢变化的镀有金属钯的光纤光栅，其特征在于：固定波长的滤波器，只允许一窄的光波长带通过，而限制其他波长通过，且其允许通过的波长带不在光纤光栅的反射波长带内，并与所述的反射波长带有预设波长差值，宽带光源注入探测光，当被监测氢变化达到一定量值时，位于测量点处的光纤光栅的反射波长带漂移了上述的预设波长差值，从而使该反射波长带与固定波长的滤波器允许通过的波长带交叉，这时，光纤光栅的反射光信号中，至少有一部分可以通过固定波长的滤波器而到达探测器，从而探测到所述氢的变化。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种光纤光栅传感器，是借助光纤和光纤光栅进行探测氢气变化的传感器，该方法属于传感技术领域。
背景技术
氢是种清洁高效的能源，目前，航天飞机主要采用氢作为燃料，汽车也正在探索利用氢作为能源。但由于氢易燃易爆，所以在使用时必须随时探测是否有泄漏以保证安全使用。传统的电学传感器易产生电火花，所以基本上不适于探测氢气，所以现在采用光纤技术进行氢气探测是一种主要的解决方法。其基本技术手段就是将金属把与光纤传感器结合，利用用金属钯吸氢变形这一特性进行氢气探测。由于光纤布拉格光栅具有许多其它光纤传感器所不具备的许多优点，所以采用光纤布拉格光栅与金属把结合是目前国内外研究的重点，也进行了一些较为成功的尝试。但目前采用的是宽光源加精密波长解调装置来实现，其设备复杂，维护成本高，无法满足很多生产生活的实际需要。
发明内容
本发明的目的是制定一种使用光纤光栅(如布拉格光栅)的传感器，以避免上述缺陷。
为此，本发明提出了一种光纤光栅传感器，包括宽带光源、光纤、固定波长的滤波器、探测器和安置于光纤上的位于测量点的用于监测氢变化的光纤光栅，其特征在于：
一该光纤光栅表面镀有一层金属钯，
—固定波长的滤波器，只允许一窄的光波长带通过，而限制其他波长通过，且其允许通过的波长带不在光纤光栅的反射波长带内，并与所述的反射波长带有预设波长差值，
—宽带光源从光纤的所谓的入射端注入探测光，当被监测氢变化达到一定量值时，位于测量点处的镀有金属钯的光纤光栅的反射波长带至少漂移了上述的预设波长差值，从而使该反射波长带至少覆盖了固定波长的滤波器允许通过的波长带的一部分，这时，该测量点处的光纤光栅对宽带光源入射的探测光信号产生的反射光信号，至少一部分反射光信号可以通过固定波长的滤波器而到达探测器，从而探测到所述氢的变化。
本发明是探测受监测氢变化的一种光纤光栅传感器，是在光纤光栅表面镀有一层金属钯，其厚度为20-50纳米，当金属钯吸收或释放氢气并使其自身发生变形时，光纤光栅也随之改变，从而使光纤光栅发生轴向应变，导致光纤光栅选择性作用波长带位置漂移。如果在一个镀有金属钯的光纤光栅附近的受监测的氢发生了变化，且发生的变化达到了我们关心的程度，这时光纤光栅的反射波长带至少漂移了预设波长差值，从而使该反射波长带至少覆盖了固定波长的滤波器允许通过的波长带的一部分，这时，该测量点处的光纤光栅就对宽带光源入射的探测光信号产生的反射光信号，至少一部分反射光信号可以通过固定波长的滤波器而到达探测器，这说明有应力存在，从而可探测到相应氢的变化。
在实际工程中，我们常常只需要获取一部分氢变化的数据，就可以达到我们的目标，如在一个需要监测氢浓度的现场中的氢报警系统中，对不大于0.05％时的氢浓度我们不是迫切需要了解，我们只需设定一个监测报警浓度，如0.1％氢浓度，然后在作为传感器的光纤上的镀有金属钯的光纤光栅，测量出该光纤光栅在0.1％氢浓度时的选择性作用波长带并选取一个波长作为探测光信号的波长，然后根据该波长，在探测器前安置一个允许该波长带通过的固定波长的滤波器，所述镀有金属钯的光纤光栅在不大于0.05％时的氢浓度时，其反射的光信号的波长带与安装的固定波长的滤波器允许通过的波长带有波长差，这时反射的光信号不能通过固定波长的滤波器，探测器将探测不到光信号，将该传感器安装在监测的地方，在通常情况下，环境氢浓度在不大于0.05％时的氢浓度时，探测器探测不到光信号，只有当测量点处的氢浓度接近或达到0.1％氢浓度时，该测量点处的光纤光栅反射波长带就会漂移并与固定波长的滤波器允许通过的波长带交叉重叠，此时，会至少有一部分反射的光信号通过固定波长的滤波器，到达探测器，探测器上会监测到明显的光信号，从而触发了氢浓度报警条件，达到了监测的目的。
在实际工程条件下，仅监测氢的一个量值常常是不够的，所以可以设置多个固定波长的滤波器，其允许不同的光波长带通过，且其允许通过的波长带都不在光纤光栅的反射波长带内，并与所述的反射波长带有不同的预设波长差值，从而可以探测出测量点处氢变化的多个量值，同时就可以看出测量点氢变化的趋势，以便更好的监测。
可以在一根光纤上的多个测量点分别设置多个光纤光栅，且光纤光栅具有基本相同的反射波长带，从而测量多个点的氢的变化。并且根据反射光信号与时间的关系可以确定有变化的测量点的位置。
附图说明：
图1是表示一个布拉格光栅的反射光谱、一个固定波长的滤波器允许通过的光谱及两者的关系图；
图2是表示有关本发明的第一实施方式的光纤光栅传感器的结构框图；
图3是表示有关本发明的第二实施方式的光纤光栅传感器的结构框图；
图4是表示有关本发明的第三实施方式的光纤光栅传感器的结构框图；
图中： 3一宽带光源，
4，9一光分路器，
5，5a，5b，5n一镀有金属钯的光纤光栅，
6，6a，6b，6n一光探测器，
7一光纤，
10，10a，10b，10n一固定波长的滤波器。
具体实施方式
图1中的曲线1示意性地表示了一个布拉格光栅的反射光谱，λ1和λ2分别是该布拉格光栅反射波长的下限和上限波长，在这两个波长内所有的波长都是布拉格光栅可以反射的波长，这里称为反射波长带。曲线2示意性地表示了一个固定波长的滤波器允许通过的光谱，λ3和λ4分别是该波长带的下沿和上沿波长，λ2和λ3之间的距离就是所述的预设波长差。
第一实施方式
图2是表示第一实施方式的光纤光栅传感器的结构框图。第一实施方式的光纤光栅传感器由宽带光源3、光探测器6、光分路器4、固定波长的滤波器10、位于测量点处用于监测氢变化的镀有金属钯的光纤光栅5以及光纤7构成。各部件之间以光纤连接。光分路器4可以是2分路耦合器，也可以是光环行器。
固定波长的滤波器10允许通过的波长带与光纤光栅5的反射波长带有一个预设的差值，从宽带光源3输出的探测光信号通过光分路器4和光纤7，而达到光纤光栅5，光纤光栅5对宽带光源3注入的探测光信号有一窄带光反射，反射的光信号经过光分路器4和光纤7到达固定波长的滤波器10，在被监测氢无变化或变化未达到我们关心的程度时，反射光信号的波长不在固定波长的滤波器10允许通过的波长带内，即这时反射光信号不能通过固定波长的滤波器10，探测器没有探测到光信号；当被监测点的氢变化到我们关心的程度时，位于所述测量点的光纤光栅5的反射波长带至少漂移了所述的预设波长差值，即该测量点处的光纤光栅反射波长带就与固定波长的滤波器允许通过的波长带有交叉重叠，此时，会至少有一部分反射的光信号通过固定波长的滤波器，到达探测器，探测器上会监测到明显的光信号，从而检测到氢的变化。
第二实施方式
图3是表示第二实施方式的光纤光栅传感器的结构框图。第二实施方式的光纤光栅传感器由宽带光源3、光探测器6a、光探测器6b、光探测器6n、光分路器4、光分路器9、固定波长的滤波器10a、固定波长的滤波器10b、固定波长的滤波器10n、位于测量点用于监测氢变化的镀有金属钯的光纤光栅5以及光纤7构成。各部件之间以光纤连接。光分路器4可以是2分路耦合器，也可以是光环行器。
从宽带光源3输出的探测光信号，光纤光栅5对宽带光源3注入的探测光信号有一窄带光反射，反射的光信号经过光分路器4、光分路器9和光纤7到达固定波长的滤波器10a、固定波长的滤波器10b和固定波长的滤波器10n，固定波长的滤波器10a、固定波长的滤波器10b、固定波长的滤波器10n有不同的允许通过的波长带，并与光纤光栅5的反射波长带有不同的预设差值，被监测氢的变化会引起光纤光栅5的反射波长带的漂移，当反射波长带漂移了不同的预设波长差值时，光探测器6a、光探测器6b、光探测器6n会探测到明显的光信号，我们就可以检测到氢变化的多个量值。
第三实施方式
图4是表示第三实施方式的光纤光栅传感器的结构框图。第三实施方式的光纤光栅传感器由宽带光源3、固定波长的滤波器10、光探测器6、光分路器4、位于测量点用于监测氢变化的镀有金属钯的光纤光栅5a、光纤光栅5b、光纤光栅5n、以及光纤7构成。各部件之间以光纤连接。光分路器4可以是2分路耦合器，也可以是光环行器。
从宽带光源3输出的探测光信号，通过光分路器4和光纤7，而达到具有基本相同反射波长带的光纤光栅5a、光纤光栅5b、光纤光栅5n，固定波长的滤波器10允许通过的波长带与光纤光栅5a、光纤光栅5b、光纤光栅5n的反射波长带有一个预设的差值，当位于某个测量点的被监测氢的变化引起光纤光栅的反射波长带的漂移，且反射波长带漂移了所述的预设波长差值时，就会有反射光通过光纤7、光分路器4，通过固定波长的滤波器10进入到光探测器6，这样我们就可以检测到氢的变化；当我们根据进入到光探测器6的反射光与时间的关系，就可以确定发生氢变化的光纤光栅的位置，从而确定了发生氢变化的位置。
可见，根据本发明的探测的方法比现有技术的方法简单。
当然，本发明并不限于前面所介绍的实施方式，我们可以将整个装置用另一种等价装置代替，而不超出本发明的范围。
Claims (4)
1.一种光纤光栅传感器，包括宽带光源、光纤、固定波长的滤波器、探测器和安置于光纤上的位于测量点的用于监测氢变化的光纤光栅，其特征在于：
一该光纤光栅表面镀有一层金属钯，
—固定波长的滤波器，只允许一窄的光波长带通过，而限制其他波长通过，且其允许通过的波长带不在光纤光栅的反射波长带内，并与所述的反射波长带有预设波长差值，
—宽带光源从光纤的所谓的入射端注入探测光，当被监测氢变化达到一定量值时，位于测量点处的光纤光栅的反射波长带至少漂移了上述的预设波长差值，从而使该反射波长带至少覆盖了固定波长的滤波器允许通过的波长带的一部分，这时，该测量点处的光纤光栅对宽带光源入射的探测光信号产生的反射光信号中，至少有一部分反射光信号可以通过固定波长的滤波器而到达探测器，从而探测到所述氢的变化。
2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅传感器，其特征在于：可以设置多个固定波长的滤波器，其允许不同的光波长带通过，且其允许通过的波长带都不在光纤光栅的反射波长带内，并与所述的反射波长带有不同的预设波长差值，从而可以探测出测量点处氢变化的多个量值。
3.根据权利要求1或2所述的一种光纤光栅传感器，其特征在于：可以在一根光纤上的多个测量点分别设置多个光纤光栅，且这些光纤光栅具有基本相同的反射波长带。
4.根据权利要求3所述的一种光纤光栅传感器，其特征在于：根据通过固定波长的滤波器的反射光信号与时间的关系，可以确定有变化的光纤光栅的位置，从而可以确定有变化氢的位置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CNA2008102322292A CN101424621A (zh) | 2008-11-12 | 2008-11-12 | 一种光纤光栅传感器 |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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| CN101424621A true CN101424621A (zh) | 2009-05-06 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101907507A (zh) * | 2010-06-28 | 2010-12-08 | 武汉理工大学 | 光纤光栅大型液化气储罐泄露监测报警系统 |
| CN108204857A (zh) * | 2016-12-17 | 2018-06-26 | 中国石油天然气股份有限公司 | 振动信号检测系统及其装配方法 |
| CN109916853A (zh) * | 2019-03-28 | 2019-06-21 | 内江师范学院 | 基于光纤光栅的激光红外光谱痕量物质探测装置及方法 |
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2008
- 2008-11-12 CN CNA2008102322292A patent/CN101424621A/zh active Pending
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
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Open date: 20090506 |