CN101424627A

CN101424627A - 一种光纤光栅传感器

Info

Publication number: CN101424627A
Application number: CNA2008102322362A
Authority: CN
Inventors: 杜兵
Original assignee: Xian Jinhe Optical Technology Co Ltd
Current assignee: Xian Jinhe Optical Technology Co Ltd
Priority date: 2008-11-12
Filing date: 2008-11-12
Publication date: 2009-05-06

Abstract

本发明涉及一种光纤光栅传感器，包括光源、光纤、探测器和安置于光纤上的位于测量点的用于监测甲烷变化的镀有金属铂的光纤光栅，其特征在于：一光源输出的探测光信号从光纤入射端注入，探测光的波长不在光纤光栅的反射波长带内，并与反射波长带有预设波长差值，一当被监测甲烷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，从而使反射波长带与探测光信号波长带交叉重叠，这时，该测量点处的光纤光栅就对探测光信号产生了一定的反射到入射端，从而探测到所述甲烷的变化。

Description

一种光纤光栅传感器

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甲烷气变化的传感器，该设备属于传感技术领域。

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。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，包括光源、光纤、探测器和安置于光纤上的位于测量点的用于监测甲烷变化的光纤光栅，其特征在于：

一该光纤光栅表面镀有一层金属铂，

一光源输出的探测光信号从光纤的称为入射端的一端注入，探测光信号的波长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，

一当被监测甲烷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所述探测光信号波长带的一部分，这时，该测量点处的光纤光栅就对探测光信号产生了一定的反射，即探测光信号的一部分反射到入射端，从而探测到所述甲烷的变化。

本发明是探测受监测甲烷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铂，其厚度为1-5微米，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，如果在一个镀有一层金属铂光纤光栅附近的受监测的甲烷发生了变化，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探测光信号波长带的一部分，这时，该测量点处的光纤光栅就对探测光信号产生了一定的反射，即探测光信号的一部分反射到入射端，这说明有应力存在，从而可探测到相应甲烷的变化。

在实际工程中，我们常常只需要获取一部分甲烷变化的数据，就可以达到我们的目标，如在一个需要防静电的工场中的甲烷报警系统中，对不大于0.05％时的甲烷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％甲烷浓度，然后在作为传感器的光纤上的镀有金属铂的光纤光栅，测量出该光纤光栅在0.1％甲烷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，然后根据该波长选择光源，所述镀有金属铂的光纤光栅在不大于0.05％时的甲烷浓度时，其选择性作用波长带与选定的探测光信号的波长有波长差，将该传感器安装在监测的地方，在通常情况下，环境甲烷浓度在不大于0.05％时的甲烷浓度时，其选择性作用波长带与选定的探测光信号的波长有波长差，将该传感器安装在监测的地方，在通常情况下，环境甲烷在65％RH至75％RH之间时，所以注入传感器光纤中的探测光信号主要引起瑞利散射光信号，灵敏的探测器主要探测到十分微弱的瑞利反射光信号，只有当测量点处的甲烷浓度接近或达到0.1％甲烷浓度时，该测量点处的镀有金属铂的光纤光栅选择性作用波长带就会漂移并与探测光信号的波长带交叉重叠，并对探测光信号产生相当的反射，这时，探测器上会监测到明显的光信号，从而触发了甲烷报警条件，达到了监测的目的。

在实际工程条件下，仅监测甲烷的一个量值常常是不够的，所以可以设置波长不同的多个探测光信号，就可以监测甲烷多个量值，同时就可以看出测量点甲烷变化的趋势，以便更好的监测。

附图说明：

图1是表示一个布拉格光栅的反射光谱、一个探测光信号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：3，3a，3b，3n一光源，

4，9a，9b一光分路器，

5一镀有金属铂的光纤光栅

6，6a，6b，6n一光探测器，

7一光纤，

8一光开关，

10a，10b，10n一固定式滤波器。

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探测光信号的光谱，λ₃和λ₄分别是该探测光信号的下沿和上沿波长，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光源3、光探测器6、光分路器4、位于测量点处用于监测甲烷变化的镀有金属铂的光纤光栅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。

从光源3输出的探测光信号，探测光信号的波长不在光纤光栅5的反射波长带内，并与之有预设的波长差值，探测光信号通过光分路器4和光纤7，而达到光纤光栅5，在被监测甲烷无变化或变化未达到我们关心的程度时，探测光信号的波长不在位于测量点的镀有金属铂的光纤光栅5的反射波长带内，即光纤光栅5并不对探测光信号反射，这时光探测器6没有探测到有光信号，当被监测点的甲烷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，这时所述的反射波长带至少覆盖了探测光信号波长带的一部分，该光纤光栅5就对探测光信号产生了相当的反射，反射光信号通过光纤7和光分路器进入探测器6，从而检测到甲烷的变化。

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光源3a、光源3b、光源3n、光探测器6、光分路器4、光开关8、位于测量点用于监测甲烷变化的镀有金属铂的光纤光栅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。

从光源3a、光源3b、光源3n输出的不同波长的探测光信号，探测光信号的波长均不在光纤光栅5的反射波长带内，并与之有不同的预设波长差值，光开关8可以选择不同光源的探测光信号通过光分路器4和光纤7，而达到镀有金属铂的光纤光栅5，被监测甲烷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，我们就可以检测到甲烷变化的多个量值。

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光源3a、光源3b、光源3n、滤波器10a、滤波器10b、滤波器10n、光探测器6a、光探测器6b、光探测器6n、光分路器4、光分路器9a、光分路器9b、位于测量点用于监测甲烷变化的镀有金属铂的光纤光栅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。

从光源3a、光源3b、光源3n输出的不同波长的探测光信号，探测光信号的波长均不在光纤光栅5的反射波长带内，并与之有不同的预设波长差值，探测光信号通过光分路器9a，再通过光分路器4和光纤7，而达到镀有金属铂的光纤光栅5，被监测甲烷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所述的不同预设波长差值时，就会有不同的反射光通过光纤7、光分路器4和光分路器9b，分别通过不同的滤波器进入到不同的探测器，每个滤波器与光源是一一对应的，且仅允许对应波长的探测光信号通过，将其他的探测光信号过滤掉，这样我们就可以检测到甲烷变化的多个量值。

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

1.一种光纤光栅传感器，包括光源、光纤、探测器和安置于光纤上的位于测量点的用于监测甲烷变化的光纤光栅，其特征在于：

一该光纤光栅表面镀有一层金属铂，

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：多个光源从光纤的称为入射端的一端注入多个探测光信号，其波长均不在所述反射波长带内，并与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甲烷变化的多个量值。