CN101545860B - 带有光纤气体传感器的传感系统 - Google Patents

带有光纤气体传感器的传感系统 Download PDF

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Abstract

一种包括光纤芯(32)的光纤气体传感器(20)，该传感器具有位于光纤芯周围的具有不同调幅轮廓的第一和第二折射率周期调制光栅结构(36、38)。光纤包层(40)位于所述第一和第二折射率周期调制光栅结构周围。敏感层(42)位于所述折射率周期调制光栅结构的其中一个的光纤包层周围。该敏感层包括由Pd基合金制成的敏感材料，该Pd基合金例如是纳米PdOx、纳米Pd(x)Au(y)Ni(1-x-y)或纳米Pd/Au/WOx。光纤气体传感器提供对来自燃烧环境的局部温度校正气体浓度和成分的测量。本发明也描述了具有一个或多个光纤气体传感器的阵列的基于反射或基于透射的传感系统(410、510)。

Description

带有光纤气体传感器的传感系统
技术领域
本发明总体涉及传感系统和传感器，并且更具体地涉及带有基于光栅的光纤气体传感器阵列的传感系统，所述光纤气体传感器提供对于温度校正气体浓度的测量。
背景技术
目前发电系统被构建成具有使用合成气(混合有一氧化碳(CO)的氢(H2))作为燃料的涡轮。可以使用煤气化器或其他工业过程来生成合成气。而且，目前的燃气涡轮可以使用天然气(NG)和H2燃料的混合来发电从而获得更好的操作性、更高的效率或者更好的排放控制。通常，涡轮使用的燃料流可以包含：天然气(NG)，该天然气主要是甲烷(CH4)；例如氮(N2)和一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)的稀释剂；以及例如乙烷(C2H6)和丙烷(C3H8)的更大分子量的碳氢化合物。含氢燃料可以是天然气中的低百分比H2或高百分比H2与NG和/或其它稀释剂混合的混合物、或者是合成气混合物(带有CO的H2)。对于这种应用，重要的是监测将要燃烧的燃料成分从而可以有效地控制其对输出的影响及涡轮的效率。具体地，当富H2合成气或者混有H2的NG被用作燃气涡轮的燃料时，需要在线监测燃料成分从而可以根据由输出、排放和效率需求驱使的所需燃烧性能来控制燃料成分。
由于一些原因，现有的H2传感技术很大程度上不适合直接在线的H2浓度或成分的监测。一个原因在于，因为H2的高浓度，常规可燃气体传感器会达到饱和。只有基于分光镜的器械，例如色谱法、质谱计、拉曼光谱仪、衰荡光谱仪等，可以被用于离线或非在线的H2浓度或成分的测量。同时，显而易见的是难以运用这种基于光谱测定的大型且专用的传感器来实时在线监测/分析燃料质量，特别是在煤气化器和合成气或天然气燃烧室的苛刻环境中尤为如此。虽然存在一些常规可燃气体传感器，例如基于红外线的、电化学的、金属氧化物半导体的可燃气体探测装置，但是这些装置对氢气不敏感或由于高浓度而饱和或不能在苛刻环境中使用。
其它光学方法，例如基于光纤消逝场的近红外激光吸收方法，已经被用于富H2合成气的分析。这些气体传感装置通常需要安装透明介质和热敏光学部件。因此，需要为在线合成气分析以及发电效率控制和优化提供一种实际方案，其中该在线合成气分析用于分析在诸如燃气涡轮、燃烧室和气化器等的环境中的发电性能。
发明内容
在一方面，光纤气体传感器包括：具有纵轴线的光纤芯；具有第一调幅轮廓(amplitude modulation profile)的第一折射率周期调制光栅结构，该第一折射率周期调制光栅结构位于所述光纤芯周围以感测局部气体浓度；具有第二调幅轮廓的第二折射率周期调制光栅结构，该第二折射率周期调制光栅结构位于所述光纤芯周围沿所述纵轴线相对于第一折射率周期调制光栅结构在一定距离处以感测局部温度；位于第一和第二折射率周期调制光栅结构周围的光纤包层；以及位于第一折射率周期调制光栅结构的光纤包层周围的敏感层，该敏感层包括敏感材料，该敏感材料包括纳米PdOx(nano-PdOx)、纳米Pd(x)Au(y)Ni(1-x-y)(nano-Pd(x)Au(y)Ni(1-x-y))和纳米Pd/Au/WOx(nano-Pd/Au/WOx)，其中气体传感器能够提供对局部气体浓度的温度校正确定(temperature-corrected determination)。
在另一方面，光纤气体传感器包括：具有纵轴线的光纤芯；具有第一调幅轮廓的长周期光纤光栅结构，该长周期光纤光栅结构位于所述光纤芯周围以感测局部气体浓度；具有第二调幅轮廓的短周期光纤光栅结构，该短周期光纤光栅结构位于所述光纤芯周围沿所述纵轴线相对于长周期光纤光栅结构在一定距离处以感测局部温度；位于长周期和短周期光纤光栅结构周围的光纤包层；以及位于长周期光纤光栅结构的光纤包层周围的敏感层，该敏感层包括敏感材料，该敏感材料包括纳米PdOx、纳米Pd(x)Au(y)Ni(1-x-y)和纳米Pd/Au/WOx，其中气体传感器能够提供对局部气体浓度的温度校正确定。
在又一方面，传感系统包括至少一个光纤气体传感器；可操作地连接到每个光纤气体传感器的FC/APC连接器；以及可操作地连接到所述FC/APC连接器的分光器/光组合器和光开关中的一个。
附图说明
图1是传感系统的示意图，该传感系统包括本发明的光纤气体传感器(FGS)以便监测发电系统的工作条件和/或参数；
图2是图1中所示的光纤气体传感器的示意图；
图3是图2中所示的气体传感器的长周期光栅(LPG)结构的部分横截面图；
图4是用于在基于反射的气体传感系统中进行多点气体感测的光纤气体传感器(FGS)的分布方法的示意图；
图5是用于在基于传输的气体传感系统中进行多点气体感测的光纤气体传感器(FGS)的分布方法的示意图；
图6是针对在131°F下混有N2的75％H2浓度通过本发明的光纤气体传感器发射的信号的时间-波长的图形表示；
图7是高温时在不同氢浓度下来自本发明的光纤气体传感器的波长移位的图形表示；
图8是针对在131°F下混有N2的75％H2浓度通过本发明的光纤气体传感器发射的信号的传输功率损失-时间的图形表示；
图9是高温时本发明的光纤气体传感器对于不同氢浓度的响应时间的图形表示，以及；
图10是高温时本发明的光纤气体传感器对于不同氢浓度的恢复时间的图形表示。
图11是在大约104°F由混有CH4和其他碳氢化合物气体的具有大约5％氢的燃料引起的本发明光纤气体传感器的波长移位响应的图形表示；
图12是在大约104°F由混有CH4和其他碳氢化合物气体的具有大约5％氢的燃料引起的本发明光纤气体传感器的传输功率损失响应的图形表示；
图13是在室温时由混有大约50％天然气(NG)的具有大约50％H2的燃料引起的本发明光纤气体传感器的波长移位的图形表示；
图14是在室温时由混有大约48％天然气(NG)的具有大约52％H2的燃料引起的本发明光纤气体传感器的波长移位的图形表示；以及
图15是使用本发明的光纤气体传感器的燃气涡轮的燃料输送控制系统的示意图。
具体实施方式
现在参考图1，其示意性地示出了根据本发明的一个实施例的传感系统10。传感系统10通常包括与光耦合器或光环形器14光连通的光源12，例如可调宽带光源。光耦合器14接收从光源12发射出的光并且通过光缆16发射出其中一部分光。经过光缆16的光进入根据本发明的一个或多个光纤气体传感器(FGS)，其总体以20示出。位于光纤气体传感器20下游的光电探测器22接收从气体传感器20通过光缆24发射的光。被光耦合器14反射的光的一部分也通过光缆26被光电探测器22接收。由光纤气体传感器20产生的光信号被处理和/或传送到计算机28。在一个实施例中，无线接口30将电信号传送到计算机28，该电信号由光电探测器22响应于从一个或多个光纤气体传感器20接收到的光信号而产生。
FGS 20监测发电设备(例如燃气涡轮、燃烧室、煤气化器等)(未示出)的工作条件和/或参数。这些工作条件和/或参考包括但不限于内部温度、压力和/或在设备内部产生的燃烧气体的存在性和浓度水平。诸如燃气涡轮控制系统的控制系统(未示出)与气体传感器20在运作控制上通信，从而接收由于传感器探测而产生的信号，并且通过控制燃烧器燃空比和/或进入涡轮系统的总空气流来控制设备的运作从而减少排放并提高发电效率。在一个实施例中，通过减少污垢和/或炉渣来优化效率，例如通过使用感测到的温度、应力或压力来探测炉渣和/或污垢的水平。在另一个实施例中，通过维持恰当的燃空比来优化效率，例如通过使用感测到的氢气浓度或天然气浓度来控制燃烧过程。
现在参考图2，其示出了根据本发明的一个实施例的光纤气体传感器20。光纤气体传感器20通常包括中心光纤芯32，该中心光纤芯32由GeO2和F共掺硅石形成并且沿纵轴线34延伸且具有大约5微米到大约9微米的直径。光纤芯32包括具有不同调幅轮廓的两个折射率周期调制光栅，每个光栅是变迹的(apodized)或闪耀的(blazed)或其组合，从而增加与包层模式(cladding mode)耦连的导芯模式(guidedcore mode)。
在一个实施例中，折射率周期调制光栅中的一个光栅包括位于光纤芯32周围的长周期光纤光栅(LPG)结构36，并且另一个光栅包括短周期光纤光栅结构38，其位于光纤芯32周围且沿纵轴线34相对于长周期光纤光栅结构36在一定距离处。在一个具体实施例中，短周期光纤光栅结构38包括具有高热稳定性能的光纤布拉格光栅(FBG)结构38。
光纤包层40沿圆周位于光纤芯32的周围并且由纯硅石形成且具有大约125微米的外直径。在一个实施例中，光纤包层40被设置成作为通过光纤芯32的光传播的波导管。宽带可调光源12定位成与光缆16光连通并且发射通过光纤芯32传播的近红外光。
在一个具体实施例中，FGS 20具有沿光纤芯32的纵轴线34约10毫米到约50毫米的长度。LPG结构36具有沿纵轴线34约10毫米到约30毫米的长度，且其具有约0.05毫米到约0.125毫米的包层直径。LPG结构36沿纵轴线34进行调制，该调制的间距尺寸为大约100微米到大约600微米。LPG结构36被设置成有效地将基本模式(fundamental mode)能量散发到光纤包层40的模式。当敏感层42的敏感材料的折射率低于光纤包层40时，光纤包层40的模式由敏感材料/包层和光纤芯界面来引导。部分光能通过消逝场散逸到敏感材料中，相反地，包层模式以辐射模式将能量部分地散逸到传感涂层中。FBG结构38具有沿纵轴线34约3毫米到约10毫米的长度并且具有约0.125毫米的包层直径。通常，LPG结构36的长度是FBG结构38的长度的大约2至5倍，从而使得LPG结构36的传输(透射)光谱具有小于12nm的窄线宽和大于10dB的较高动态范围。
光纤气体敏感层42被置于长周期光纤光栅(LPG)结构36的光纤包层40周围。在所示实施例中，气体敏感层42仅被置于LPG结构36周围而不是FBG结构38周围。然而，可以通过将敏感层42置于FBG结构38周围来实施本发明。敏感层42被设置成通过折射率变化、光学吸收的改变或敏感材料应力变化来有效地辅助光纤包层40的模式与基本模式的耦合。因此，被FGS20反射和/或变向到光电探测器24的光信号取决于被测量和操作。
敏感层42包括敏感材料或化学气体活性材料，该材料包括至少一个基底材料，例如掺杂(Pd，Pt)的WOX、PdOx和三元Pd(x)Au(y)Ni(1-x-y)合金。敏感材料的形态可以包括具有大约5nm到大约10nm直径的纳米颗粒。在一个实施例中，敏感层42包括具有化学气体敏感性的敏感材料，其通过与化学气体相互作用而感应和/或被激活，其中该化学气体引起折射率变化、吸收的改变或敏感材料应力变化。
在一个实施例中，敏感层42包括对于H2和/或H2+天然气(NG)敏感的敏感材料。例如，敏感层42包括钯基合金，例如但不限于纳米(Pd，Pt)-WOx(x＝2.7-3.0)敏感材料、PdOx和/或纳米Pd(x)Au(y)Ni(1-x-y)三元敏感材料。在这个实施例中，被吸附的H原子与钯相互作用从而形成氢化物。在敏感材料中的氢化物导致从α相到β相或其混合中间相的强的结构相变，从而改变了被涂覆的敏感材料的折射率，并且改变了长周期光栅包层40和敏感层42中的基本模式和包层模式之间的光耦合以及包层模式和辐射模式之间的光耦合。这使得在透射和反射中都发生可观察到的变化，并且最终导致对于吸附的H2气体的识别。通过使用本发明的多功能的且不同的探询构造用相同气体传感器20来获得对于H2气体浓度和局部温度值的同时测绘。
钯基合金敏感材料是不透明的并且当其与氢相互作用以便形成氢化物时变成半透明的。实际上，氢化物的α相将转变到β相，伴随有电介质功能或折射率的改变。使用这个相变特性，光纤H2传感器可以探测这种电介质功能的不同。氢化物的形成实际上改变了包层模式边界和耦合效率，这样光纤光栅基氢传感器的传输波长及其功率损失被调制。
对于小于大约1000°F的环境温度，敏感层42可以包括WO3或SiO2的基底材料。SiO2基底材料掺杂有合适材料(钯、铂、金、银和/或镍)的纳米颗粒。纳米颗粒具有大约5nm到大约10nm的直径。在这个实施例中，使用溅射工艺或热蒸发工艺来制备敏感层42。这对于本领域技术人员来说是显而易见的，并且可以从这里提供的教导得到指导：，即任意合适工艺可以被用于制备敏感层42。在制备了敏感层42后，在大约600℃Ar+的环境中对敏感层42退火约2小时或者直到敏感材料具有小于大约10nm的纳米颗粒尺寸。
在一个实施例中，敏感层42包括气体活性纳米颗粒材料。在这个实施例中，敏感层42的厚度允许当敏感层42的折射率接近光纤包层40的折射率时具有少量的包层模式传播。可替换地，敏感层42的厚度允许当敏感层42的折射率大于光纤包层40的折射率时具有少量的辐射模式传播。此外，敏感层42的热膨胀系数不同于光纤包层40的热膨胀系数，从而需要通过选择低于100nm厚度的敏感涂层来控制材料诱导界面张力。在一个在高温下气体感测的具体实施例中，通过纳米多孔敏感材料形态来热补偿敏感层42和光纤包层40之间的界面张力，从而由光纤包层支配敏感材料热效应。在可替换实施例中，光缆16被疏水隔膜(对于T＜200℃为PTFE)(未示出)或多孔陶瓷(对于T＞200℃为Al2O3)薄层密封从而保护敏感气体传感器20并且仅允许气体渗透。
在另一个实施例中，敏感层42包括钯基合金的集合，例如但不限于用于小于大约400℃的环境温度的纳米PdOx或Pd(x)Au(y)Ni(1-x-y)敏感材料以及用于至少大约400℃的环境温度的纳米Pd/Au/WOx敏感材料。敏感层42包括沿圆周涂覆的薄膜，该薄膜用作H2和混有CH4的H2气体传感器。氢化物的形成导致了强敏感材料纳米结构变化，而这改变了被涂覆的敏感材料的折射率并且改变了长周期光栅包层区内及敏感层42内基本模式和包层模式之间的光耦合以及包层模式和辐射模式之间的光耦合。
现在参考图3，粘合层44可以被施加到光纤包层40上从而增强光纤包层40和敏感层42之间的粘结。在一个实施例中，粘合层54可以包括具有大约5nm厚度的镍层。在另一个实施例中，粘合层54可以包括具有大约5nm厚度的钛层。在沉积粘合层44之前，可以使用50％HF处理光纤包层40的表面5分钟并且之后用去离子水树脂和N2干燥工艺来处理。
在操作中，当光被首先传送通过FGS 20时，来自光源12的选定波长的光进入LPG结构36并且产生相应于至少一个工作条件和/或参数的离散波长峰值形式的波长移位和传输功率损失，其中所述工作条件和/或参数例如是H2、H2+天然气(NG)的浓度或者其他可燃气体的浓度。当光继续穿过FGS 20时，光进入FBG结构38并且进行相应于例如温度等的至少一个工作条件和/或参数的波长移位。
在操作时，传感系统10可以被保持在恒定温度条件下，该恒定温度条件相应于由围绕传感器包装的加热元件提供的最优H2敏感性和选择性。在另一个方面，传感系统可以在调制温度条件下工作，该调制温度条件用于通过气体成分的温度敏感性来区分不同成分和混合H2的气体。
传感系统10可以在两个工作模式下工作：1)基于反射的传感系统，或者2)基于透射的传感系统。在任一传感系统10中，本发明的气体传感器20提供对于温度校正气体浓度的确定。在基于透射的传感系统中，光一旦穿过气体传感器20的LPG结构36和FBG结构38，就进入光缆24并且被光电探测器22接收。由于敏感层42对于例如H2、H2+N2等气体的敏感度，LPG结构36导致了光信号中的传输功率损失。此外，LPG结构36和FBG结构38的波长移位可以用于确定环境温度。LPG结构36的传输功率损失和LPG结构36与FBG结构38的温度差可以用于确定温度校正气体浓度。
在基于反射的传感系统10中，穿过LPG结构36的光被FBG结构38反射并且再次穿过LPG结构36。反射光进入光耦合器14，通过光缆26传输并且被光电探测器22接收。由于敏感层42对于例如H2、H2+N2等气体的敏感度，LPG结构36导致了光信号中的传输功率损失。FBG结构38的波长移位可以用于确定环境温度。两次穿过LPG结构36的光的传输功率损失以及FBG结构38的温度差可以用于确定温度校正气体浓度。
这种对于与气体浓度(例如H2浓度)成比例的波长移位和功率损失的调制提供了关于波长移位的“数字”H2浓度测量以及关于总传输功率损失的“模拟”H2浓度测量。这两个传感器响应提供了固有整体式氢传感方法。
因为FBG结构38位于与LPG结构36近似相同的环境中，所以FBG结构38的相对波长移位可以被用于实时确定环境温度，并且由于光两次穿过传感光栅，反射传输功率损失的改变也可以被用于确定气体浓度。此外，LPG结构36的波长移位和传输功率损失可以被用于实时确定恒温或调制温度工作条件下的气体浓度和成分。这种对于局部温度、气体浓度和成分的同时探测提高了传感器性能并且降低了误报率(false positive rate)，从而在不考虑温度变化和/或其他乱真事件(spurious event)的情况下提供了对H2气体浓度的准确测量。
再次参考图2，长周期光纤光栅结构36和短周期光纤光栅结构38具有相对于光缆的纵轴线34基本平行且均匀间隔的轮廓。然而，可以使用其他类型的长周期和短周期光纤光栅结构轮廓来实施本发明。例如，长周期光纤光栅结构36和/或短周期光纤光栅结构38可以包括具有闪耀光栅轮廓(blazed grating profile)的光纤光栅结构，其中该闪耀光栅轮廓相对于光缆的纵轴线34具有大约1度至大约40度的角。在另一个示例中，长周期光纤光栅结构36和/或短周期光纤光栅结构38可以包括非均匀的光栅轮廓，例如可以具有如高斯形状(Gaussianshape)、余弦形状等的变迹光纤光栅结构。在又一实施例中，非均匀的光栅轮廓可以是闪耀光栅轮廓和变迹光栅轮廓的组合。所有四种类型的光栅(均匀(uniform)、闪耀(blazed)、变迹(apodized)、闪耀且变迹)具有大约10毫米至大约30毫米的代表性长度，以及大约0.05毫米至大约0.125毫米的包层直径。
因为光纤气体传感器20可以是四种类型的光栅轮廓(均匀、闪耀、变迹、闪耀且变迹)的任意组合，所以具有多种类型的FBS 20。例如，第一种类型的FGS 20具有用于LPG结构36和FBG结构38的均匀光栅轮廓。第二种类型的FGS 20具有用于LPG结构36和FBG结构38的闪耀光栅轮廓。第三种类型的FGS 20具有用于LPG结构36和FBG结构38的变迹光栅轮廓。第四种类型的FGS 20具有用于LPG结构36和FBG结构38的闪耀且变迹光栅轮廓。第五种类型的FGS 20具有用于LPG结构36的均匀光栅轮廓以及用于FBG结构38的变迹光栅轮廓。第六种类型的FGS 20具有用于LPG结构36的闪耀光栅轮廓以及用于FBG结构38的变迹光栅轮廓。可以意识到，用于LPG结构36和FBG结构38的其他光栅轮廓的组合也在本发明的范围内。
在所示实施例中，FGS 20包括涂覆有气体敏感层42的长周期光纤光栅结构36以及不具有气体敏感层42的短周期光纤光栅结构38。在可替代实施例中，FGS 20可以包括一对短周期光纤光栅(FBG)结构38，其中一个FBG结构38具有气体敏感层42而另一个FBG结构38不具有气体敏感层42。因为两个光纤光栅结构36、38均对温度敏感，所以通过参考由第二FBG结构38确定的温度来完成对于气体浓度和成分的区别确定。类似于上述实施例中的LPG结构36和FBG结构38，带有一对FBG结构38的FGS 20的可替换实施例可以是光栅轮廓(均匀、闪耀、变迹、闪耀且变迹)的任意组合。即，第一种类型的FBS 20具有用于两个FBG结构38的均匀光栅轮廓。第二种类型的FGS 20具有用于两个FBG结构38的闪耀光栅轮廓。第三种类型的FBS 20具有用于两个FBG结构38的变迹光栅轮廓。第四种类型的FBS 20具有用于两个FBG结构38的闪耀且变迹光栅轮廓。第五种类型的FGS 20具有用于一个FBG结构38的均匀光栅轮廓以及用于另一个FBG结构38的变迹光栅轮廓。第六种类型的FBS 20具有用于一个FBG结构38的闪耀光栅轮廓以及用于另一个FBG结构38的变迹光栅轮廓。可以意识到，用于FBG结构38的其他光栅轮廓的组合也在本发明的范围内。
现在参考图4，其示意性示出了基于反射的传感系统410，其中一个或多个光纤气体传感器20的阵列412分布在例如锅炉、燃烧室、气化器和发动机等的工业环境中。在基于反射的传感系统410中，例如可以由在n个位置处的反射来测量可燃气体。每个光纤气体传感器(FGS)20均通过光纤连接器/倾斜抛光连接器(fiber connector/angledpolish connector(FC/APC))414和1×n分光器/光组合器416连接到传感系统410。在一个实施例中，分光器/光组合器416是1×2、1×3、1×4和1×8型。在另一个实施例中，1×16的光开关被用于替换分光器/光组合器416以进行多点可燃气体感测。来自每个光纤气体传感器20的反射光信号的特征在于其对于温度标定的波长移位以及其对于对气体浓度监测的反射功率损失响应。
现在参考图5，其示意性示出了基于透射的传感系统510，其中一个或多个光纤气体传感器20的阵列512分布在例如锅炉、燃烧室、气化器和发动机等的工业环境中。在基于透射的传感系统510中，例如可以由在n个位置处的反射来测量可燃气体。每个光纤气体传感器(FGS)20均被1×n个光开关514连接到传感系统510。每个光纤气体传感器(FGS)20均通过FC/APC连接器516和n ×1分光器/光组合器518连接到传感系统510。在一个实施例中，光开关514和光组合器518是1×2、1×3、1×4和1×8型。在另一个实施例中，1×16的光组合器和开关被用于进行多点可燃气体感测。来自每个光纤气体传感器20的传输信号的特征在于其对于气体浓度监测的波长移位和传输功率损失响应，其中短周期布拉格光栅的波长移位被用于环境温度标定。
本领域技术人员可以意识到并且从这里的教导得到指导：在可替换实施例中，可以在需要氢感测的应用中使用任意适合数量的光纤氢传感装置，所述应用例如使用氢以供燃烧的发电系统涡轮。在同一光纤上具有多个气体敏感元件的灵活性使得可以在更高的空间分辨率下进行多点可燃气体测量。多个这样的传感器可以被串联或并联从而在一个气体浓度探测中进行多点测量。因此，在更高空间分辨率下的多个被测量能力是光纤光栅基传感系统的最大优点之一。其他优点在于不同光纤气体传感器可以被串联在一个传感系统中从而对于多成分(H2、CO、CH4等)进行在线监测。
到目前为止，可行性研究已经证明当前的原型光纤氢传感装置可以被用于苛刻环境中。图6和图7示出了在氢气浓度约为10％到约75％且环境温度为大气温度到约260°F的情况下来自约0.01nm到约2.0nm的光纤气体传感器20的波长移位(Δλ)响应。传感器响应时间(当引入H2时产生完整波长移位所需的时间)通常大约为3.5s并且恢复时间(N2清洗时波长返回到基线所用的时间)高达约25s。如图6所示，传输功率损失(ΔP)大约为7.8dB。图8示出了在氢气浓度约10％到约75％且环境温度为大气温度到约260°F的情况下从约0.2dB到约7.8dB范围内来自光纤气体传感器20的传输功率损失(ΔP)。
图9和图10分别示出了高温时不同氢浓度下光纤气体传感器20以dB为单位的传输响应和恢复时间。如图10所示，响应时间和恢复时间的范围从几百秒到几秒，这很大程度上取决于感测环境的温度。应该注意，光纤气体传感器20的这种响应特征需要光纤布拉格光栅结构38为由于温度和气体浓度而产生的气体传感器20的不同响应提供在线(实时)的温度测量。
如上所述，H2传感装置和系统是基于使用整体式纳米相敏感材料的光纤光栅基波长多路(wavelength multiplexing)技术。长周期光栅30被内接入光纤内，且光被发散到光栅位置处的包层。使用20-30nm厚度的纳米相敏感材料来沉积光纤包层24。在不存在任何H2或被测量的情况下，PdOx和PdAuNi基的敏感材料类似于金属镜，其能将包层模式反射回到光纤芯中。在敏感层中形成氢化物实际上改变了包层模式边界和耦合效率，从而使得光纤光栅基氢传感器的传输波长和其功率损失被调制。
因为可以通过沉积工艺来制备敏感材料，所以在光纤光栅表面上制造不同的敏感材料从而探测工艺流的不同成分变得有效，例如对于合成气，其可以是H2和混有H2的天然气燃料。使相同光纤上具有多个参数敏感元件以及针对每个这样的参数具有多个元件的灵活性使得可以在较高的空间分辨率下进行多个参数测量。例如，在H2感测应用中，也包括用于温度的敏感元件以便针对温度变化校正H2测量。同时，可以在单一光纤上安装多个敏感元件从而允许H2和温度都具有更高的空间分辨率。因此，在较高空间分辨率下的多种测量能力是光纤光栅基传感系统的最大优点之一。
已经进行了许多可行性研究从而确定敏感层42的敏感材料的形态可以被控制成使得氢气原子可以容易地扩散到敏感层内，但是其它碳氢化合物气体由于其具有较大原子或分子尺寸而不易扩散到敏感层内。
在一个可行性研究中，敏感材料的形态具有在约3nm至约5nm范围之间的纳米颗粒尺寸。如图11和图12所示，在用于燃气涡轮的燃料的循环测试期间，气体传感器20的波长移位和传输功率损失响应是显著的并且可重复的，其中该燃料在大约104F的温度下具有大约5％H2、混有大约92％CH4并混有其它碳氢化合物气体。可行性研究已经证明本发明的光纤气体传感器20的敏感层42可以被设置为探测H2的存在性并且具体的是探测混有天然气(NG)的H2的存在性，该混有天然气的H2通常存在于运转的燃气涡轮(未示出)的燃料成分中。表I是对于混合大约92.7％CH4、0.74％CO2、1.47％C2H6、0.13％C2H4及其它气体成分的大约5％氢的燃气涡轮燃料成分的总结。对于本领域的技术人员而言，可以使用沉积工艺来制造敏感层42以便通过溅射、热蒸发、溶胶-凝胶浸渍涂敷以及其他薄膜沉积工艺来感测或探测任意所需化学气体，这是显而易见的。
表I
Figure G2009101302864D00131
在另一个可行性研究中，研究了气体传感器20针对运转的燃气涡轮的燃烧室内两个不同气体浓度的敏感性。如图13所示，FGS 20在大约50％H2混合大约50％NG的燃料中具有大约3000pm或大约3nm的波长移位响应。如图14所示，FGS 20在大约52％H2混合大约48％NG的燃料中具有大约3500pm或大约3.5nm的波长移位响应。本发明的气体传感器20证明了在H2中仅增大2％会导致波长响应中500pm的移位。在波长响应中，这种500pm的附加移位表明与常规气体传感器装置相比具有高度敏感性。因此，对于敏感层42的敏感材料形态的有效控制显著提高了光纤气体传感器20的敏感性。
在一个可能实施例中，FGS 20可以被一体构成到燃气涡轮614的燃料输送控制系统612中，如图15所示。在这个实施例中，将来自FGS20的数据输出616与燃气涡轮614的控制系统612结合在一起。FGS 20被连接到燃料供应线路618从而测量气体成分，例如，气体中氢(H2)的量。在这个实施例中，燃料可以是任意含氢的气体，该气体可以包括来自气化设施的合成气(H2+CO)、来自带有碳捕获的气化设施的氢/氮气体混合物或者来自工业过程的含氢气体。在工业过程气体的示例中，氢可以被惰性气体运送，该惰性气体例如氮(N2)，或者氢可以被例如甲烷(CH4)的其它反应气体运送。FGS 20测量气体中氢的量并且之后将这个数据传送到燃气涡轮控制系统612。控制系统612使用这个信息来确定在任意给定时间燃料气体的能量含量是否在容许极限内，或者确定基于控制逻辑的应用是否期望气体的能量含量转移到不容许水平，即在容许范围之上或之下。如果能量含量不在容许范围内，则控制系统612可以调节进入燃气涡轮燃烧系统的燃料流率、空气流率或者稀释剂(如果存在的话)流率从而使得燃料的能量密度处于容许范围内。
如上所述，已经为了需要测量氢浓度的工业系统和应用发明出了光纤光栅基光纤气体传感器。例如，可以在使用富氢合成气的基于煤气化的动力设施中以及使用混有H2的天然气的燃气涡轮发电设施中使用传感装置。同时，可以使用公开的传感技术来探测在化学、保健或工业/石油化工设施中含H2气流中的H2浓度。对于涡轮的燃料成分监测和控制来说H2感测是决定性的，其中该涡轮使用合成气或混有H2的天然气(NG)作为燃料。对于其它的化学品或石油化工产品，H2感测能够进行成分控制，而这是需要H2测量的相应系统部件的最佳性能所需的，其中所述部件例如是反应器、蒸馏塔、鼓风炉等等。
虽然以各种具体实施例的方式描述了本发明，不过本领域的那些技术人员可以意识到可以使用在权利要求的精神和范围内的改型来实施本发明。
部件清单            614燃气涡轮
10传感系统          616数据输出
12光源            618燃料供应线路
14光耦合器
16光缆
18
20气体传感器
22光电探测器
24光缆
26光缆
28计算机
30无线接口
32光纤芯
34纵轴线
36LPG
38FBG
40光纤包层
42气体敏感层
44粘合层
410基于反射的传感系统
412阵列
414FC/APC连接器
416分光器/光组合器
510基于透射的传感系统
512阵列
514光开关
516FC/APC连接器
518光组合器
612燃气涡轮控制系统

Claims (19)

1.一种光纤气体传感器，包括：
具有纵轴线的光纤芯；
具有第一调幅轮廓的第一折射率周期调制光栅结构，该第一折射率周期调制光栅结构位于所述光纤芯周围以用于感测局部气体浓度；
具有第二调幅轮廓的第二折射率周期调制光栅结构，该第二折射率周期调制光栅结构位于所述光纤芯周围沿所述纵轴线相对于所述第一折射率周期调制光栅结构在一定距离处用于感测局部温度；
光纤包层，该光纤包层位于所述第一和第二折射率周期调制光栅结构周围；以及
位于所述第一折射率周期调制光栅结构的所述光纤包层周围的敏感层，该敏感层包括由Pd基合金制成的敏感材料，
其中所述气体传感器能够提供对于所述局部气体浓度的温度校正确定。
2.根据权利要求1所述的气体传感器，其中所述第一折射率周期调制光栅结构包括长周期光纤光栅结构和短周期光纤光栅结构中的一种。
3.根据权利要求1所述的气体传感器，其中所述第一和第二折射率周期调制光栅结构之一的调幅轮廓具有沿纵轴线的间距尺寸为大约100微米到大约600微米的调制。
4.根据权利要求1所述的气体传感器，其中所述第二折射率周期调制光栅结构包括短周期光纤光栅结构。
5.根据权利要求4所述的气体传感器，其中所述短周期光纤光栅结构包括光纤布拉格光栅(FBG)结构。
6.根据权利要求1所述的气体传感器，进一步包括位于所述光纤包层和所述敏感层之间的粘合层。
7.根据权利要求1所述的气体传感器，其中所述第一和第二折射率周期调制光栅结构之一具有均匀轮廓、闪耀轮廓、变迹轮廓、闪耀和变迹轮廓中的一种。
8.根据权利要求1所述的气体传感器，其中所述Pd基合金由包括纳米PdOx、纳米Pd(x)Au(y)Ni(1-x-y)和纳米Pd/Au/WOx的材料制成。
9.根据权利要求1所述的气体传感器，其中所述气体传感器被一体构成到燃气涡轮的燃料输送控制系统中。
10.一种光纤气体传感器，包括：
具有纵轴线的光纤芯；
具有第一调幅轮廓的第一短周期光纤光栅结构，该第一短周期光纤光栅结构位于所述光纤芯周围以用于感测局部气体浓度；
具有第二调幅轮廓的第二短周期光纤光栅结构，该第二短周期光纤光栅结构位于所述光纤芯周围沿所述纵轴线相对于所述第一短周期光纤光栅结构在一定距离处用于感测局部温度；
光纤包层，该光纤包层位于所述第一短周期和第二短周期光纤光栅结构周围；以及
位于所述第一短周期光纤光栅结构的所述光纤包层周围的敏感层，该敏感层包括由Pd基合金制成的敏感材料，
其中所述气体传感器能够提供对于所述局部气体浓度的温度校正确定。
11.根据权利要求10所述的气体传感器，其中所述第二短周期光纤光栅结构包括光纤布拉格光栅(FBG)结构。
12.根据权利要求10所述的气体传感器，进一步包括位于所述光纤包层和所述敏感层之间的粘合层。
13.根据权利要求10所述的气体传感器，其中所述第一短周期光纤光栅结构和第二短周期光纤光栅结构之一具有均匀轮廓、闪耀轮廓、变迹轮廓、闪耀和变迹轮廓中的一种。
14.根据权利要求10所述的气体传感器，其中所述Pd基合金由包括纳米PdOx、纳米Pd(x)Au(y)Ni(1-x-y)和纳米Pd/Au/WOx的材料制成。
15.一种传感系统，包括：
至少一个如权利要求1所述的光纤气体传感器；
可操作地连接到每个光纤气体传感器的FC/APC连接器；以及
可操作地连接到所述FC/APC连接器的分光器/光组合器和光开关中的一个。
16.根据权利要求15所述的传感系统，其中所述分光器/光组合器是1×2、1×3、1×4和1×8型。
17.根据权利要求15所述的传感系统，其中所述光开关是1×2、1×16型。
18.根据权利要求15所述的传感系统，其中所述传感系统包括基于反射的传感系统和基于透射的传感系统中的一个。
19.根据权利要求15所述的传感系统，其中所述传感系统工作在用于单一成分探测的恒温条件下或用于多成分探测的温度调制条件下。
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