CN101424631A - 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氢浓度变化的镀有金属钯的光纤光栅，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选择性作用波长带内，并与选择性作用波长带有预设波长差值，一当被监测氢浓度变化达到一定量值时，位于测量点处的光纤光栅的选择性作用波长带至少漂移了上述的预设波长差值，从而使选择性作用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或耗散，探测器检测到出射端探测光信号强度的变化，从而探测到所述氢浓度的变化。
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
本发明针对现有技术的不足，提出了一种测量精度高，易于集成和封装的基于光纤布拉格光栅的氢传感设备。
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，
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选择性作用波长带内，并与所述的选择性作用波长带有预设波长差值，
一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选择性作用波长带至少漂移了上述的预设波长差值，从而使该选择性作用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或耗散，即探测光信号的一部分反射或耗散，从而在光纤的入射端的另一端出射端，则探测到透射光的变化，从而探测到氢的变化。
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，这时光纤光栅的选择性作用波长带至少漂移了预设波长差值，从而使该选择性作用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或耗散，即探测光信号的一部分反射或耗散掉，探测器检测到透射光的变化，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工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，然后根据该波长选择光源，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，环境氢浓度在不大于0.05％时的氢浓度时，注入传感器光纤中的探测光信号在损失较少的通过了光纤和光纤光栅，在光纤的出射端的探测器可以测得透过光信号的强度，并以此为基准，只有当测量点处的氢浓度接近或达到0.1％氢浓度时，该测量点处的镀有金属钯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或耗散，这时，探测器上会监测到透过光信号的强度的明显的变化，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，仅监测氢浓度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，就可以监测氢浓度多个量值，同时就可以看出测量点氢浓度变化的趋势，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是表示一个长周期光纤光栅的透射光谱、一个探测光信号的光谱及两者的关系图；
图3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4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5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，
9a，9b一光分路器，
5一镀有金属钯的光纤光栅
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。
图2中的曲线11示意性地表示了一个长周期光纤光栅的透射光谱，λ1和λ2分别是该长周期光纤光栅耦合衰减波长的下限和上限波长，长周期光纤光栅对在这两个波长内所有的波长都是有衰减的，这里称为耗散波长带。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3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、位于测量点处用于监测氢浓度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。
从光源3输出的探测光信号，探测光信号的波长不在镀有金属钯的光纤光栅5的选择性作用波长带内，并与之有预设的波长差值，探测光信号通过光纤7和光纤光栅5，并由光探测器6检测探测光信号的强度，在被监测氢浓度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钯的光纤光栅5的选择性作用波长带内，即光纤光栅5并不对探测光信号反射或耗损，这时光探测器6探测到是基本无衰减的光信号，并将该强度作为基准，当被监测点的氢浓度变化到我们关心的程度时，位于所述测量点的镀有金属钯的光纤光栅5的选择性作用波长带至少漂移了所述的预设波长差值，这时所述的选择性作用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或耗散，这时光探测器6检测到探测光信号的强度有明显的变化，从而检测到氢浓度的变化。
第二实施方式
图4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、光开关8、位于测量点用于监测氢浓度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。
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镀有金属钯的光纤光栅5的选择性作用波长带内，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纤7和光纤光栅5，到达光探测器6，这时光探测器6探测到是基本无衰减的光信号，并将该强度作为基准，被监测氢浓度的变化会引起镀有金属钯的光纤光栅5的选择性作用波长带的漂移，当选择性作用波长带漂移了不同的预设波长差值时，我们可以检测到输入的不同的探测光信号的强度变化，这样就可以检测到氢浓度变化的多个量值。
第三实施方式
图5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9a、光分路器9b、位于测量点用于监测氢浓度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。
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的选择性作用波长带内，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，再通过光纤7、光纤光栅5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，并将氢浓度未变化时各个探测光信号的强度作为基准，被监测氢浓度的变化会引起镀有金属钯的光纤光栅5的选择性作用波长带的漂移，当选择性作用波长带漂移了所述的不同预设波长差值时，就会引起不同的探测光信号强度的变化，所有的探测光信号透过光纤7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，探测器将这时的各个探测光信号的强度与对应的基准强度比较，这样我们就可以检测到氢浓度变化的多个量值。
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 (2)
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氢浓度变化的光纤光栅，其特征在于：
一该光纤光栅表面镀有一层金属钯，
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选择性作用波长带内，并与所述的选择性作用波长带有预设波长差值，
一当被监测氢浓度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选择性作用波长带至少漂移了上述的预设波长差值，从而使该选择性作用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或耗散，即探测光信号的一部分反射或耗散掉，探测器检测到光纤出射端探测光信号强度的变化，从而探测到所述氢浓度的变化。
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：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氢浓度变化的多个量值。
Priority Applications (1)
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| CNA2008102322409A CN101424631A (zh) | 2008-11-12 | 2008-11-12 | 一种光纤光栅传感器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CNA2008102322409A CN101424631A (zh) | 2008-11-12 | 2008-11-12 | 一种光纤光栅传感器 |
Publications (1)
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| CN101424631A true CN101424631A (zh) | 2009-05-06 |
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ID=40615376
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CNA2008102322409A Pending CN101424631A (zh) | 2008-11-12 | 2008-11-12 | 一种光纤光栅传感器 |
Country Status (1)
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN107076718A (zh) * | 2014-08-19 | 2017-08-18 | Abb瑞士股份有限公司 | 具有保护层的氢传感器 |
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2008
- 2008-11-12 CN CNA2008102322409A patent/CN101424631A/zh active Pending
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