CN101825563B - 基于悬挂芯光纤的分布式光纤气体传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于悬挂芯光纤的分布式光纤气体传感器。包括光源、光时域反射计、耦合连接器和光纤；所述的光纤由标准光纤和与标准光纤耦合的悬挂芯光纤构成；所述的悬挂芯光纤的纤芯与包层间具有一条延光纤轴向的一维孔道，所述一维孔道的形状为圆形或者“D”形，纤芯的折射率高于包层的折射率，纤芯紧贴悬挂于一维孔道内壁或部分嵌于包层内，在整个悬挂芯光纤长度范围内的包层上带有裸露结构。本发明能实现光波信号的调制，显著简化了结构设计以及传感器的体积。该传感器可以对矿井、输气管道等多种场合进行布设长距离传感装置，对气体泄漏做出快速响应并对漏点做出准确判断。

Description

基于悬挂芯光纤的分布式光纤气体传感器

技术领域

本发明涉及一种气体传感装置，尤其是一种基于悬挂芯光纤的分布式气体传感器装置。

背景技术

易燃、易爆、有毒气体的生产、运输及使用过程中一旦发生泄漏，将会引发中毒、火灾甚至爆炸等事故，严重危害人民的生命和财产安全。当泄漏事故发生后需要迅速寻找泄漏点。通常由于管线或井道较长、泄漏点隐蔽等原因，漏点的位置较难确定。因此，进行气体的分布式测量对于确定气体的漏点具有重要意义。众所周知，光纤气体传感器具有电绝缘、抗电磁干扰、可远距离在线测量等特点。先前技术也出现了利用光纤研制分布式气体传感器的例子。例如：周孟然等利用多个气体吸收池，结合传导光纤研制了分布式光纤传感瓦斯气体系统(分布式光纤传感瓦斯气体系统的研究，中国安全科学学报，2007，17(8)，167-170)。这些传感装置利用光纤通过不同的原理(例如气体吸收或者干涉原理)实现了气体泄漏的分布式测量，但是传感装置结构设计复杂，体积大，分布点受光纤数目的限制。该类传感器以光纤裸漏纤芯为传感单元，纤芯直径一般较小，所以强度差，不能大范围裸漏。传感部位必须置于样品室或者套管内，否则容易受损，这又增加了传感器的体积。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构集成、感应面积大的基于悬挂芯光纤的分布式光纤气体传感器。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的光纤分布式气体传感器包括光源、光时域反射计、耦合连接器和光纤；所述的光纤由标准光纤和与标准光纤耦合的悬挂芯光纤构成；所述的悬挂芯光纤的纤芯与包层间具有一条延光纤轴向的一维孔道，所述一维孔道的形状为圆形或者“D”形，纤芯的折射率高于包层的折射率，纤芯紧贴悬挂于一维孔道内壁或部分嵌于包层内，在整个悬挂芯光纤长度范围内的包层上带有裸露结构。

本发明还可以包括：

1、所述的裸露结构是在包层上开有侧抛口的连续分布结构。

2、所述的裸露结构是在包层上间隔开有微孔的点分布结构。

3、在悬挂芯光纤的纤芯表面有气体敏感层。

4、所述的气体敏感层是采用这样的方法得到的Pt/WO3敏感层：将0.5M的Na₂WO₄·H₂O溶液通过阳离子交换树脂过滤，得到透明的黄色溶液，将起催化作用的4ml含0.125M的Pt(NH₃)₂(NO₂)₂以及H₂PtCl₆的溶液、8ml EtOH加入13ml上述透明液体中，悬挂芯光纤先用碱液处理，然后浸泡在上述配好的溶液中，并以1cm/s的速度缓慢提拉，形成膜后在室温下干燥2h，在马富炉内烧结1h，温度为500℃，最后在光纤表面形成Pt与W的摩尔比为1∶13的敏感膜。

本发明提供了一种结构集成、感应面积大的全光纤倏逝波气体在线传感器。

本发明涉及的传感光纤具备悬挂芯光纤的结构特征。该光纤显著的特点是纤芯与包层间具有一条延光纤轴向的一维孔道，其形状可以为圆形或者“D”形，孔道可以位于光纤内部的各个位置。高折射率纤芯紧贴孔道内壁并悬挂于孔道内的任意位置(部分嵌于包层之中)，围成孔道的微管为低折射率的光纤包层，光纤的端面如图1所示。该悬挂光纤一端焊接标准光纤，并进行熔融拉锥，提高光耦效率(如图2)。在整个悬挂光纤长度范围内，光纤包层带有裸露结构，其分布可以是连续或者为点分布，这可以使气体进入光纤内部，并将悬挂纤芯暴露于气体氛围之中(如图3)。对于具有敏感性的分子，可以在悬挂光纤纤芯表面修饰气体敏感层，以增加传感器灵敏度。这种悬挂的光纤结构既可以使气体与纤芯接触，也可以使纤芯得到保护，提高传感光纤的强度。

本发明的光纤分布式气体传感器包括光源、光时域反射计、耦合连接器、悬挂芯光纤。光源发出的光经过标准光纤后被耦合进入裸露的悬挂芯光纤或者外面包有敏感层的悬挂芯光纤。当悬挂芯光纤上的某个位置接触到泄露气体时，在纤芯表面对倏逝波产生吸收或者引起纤芯表面敏感层折射率变化，由此引起该处光纤特征改变。利用光时域反射计测量瑞利背向散射信号，获取光纤各点损耗信息，从而判断气体泄漏点位置。

本发明以悬挂光纤为传感单元，实现了多点检测的分布式传感器设计，通过技术成熟的光时域反射计与悬挂芯光纤的结合，实现光波信号的调制，同时代替了传统的气室结构，省略了光纤与气室的光路准直、耦合连接等部分，显著简化了结构设计以及传感器的体积。该传感器可以对矿井、输气管道等多种场合进行布设长距离传感装置，对气体泄漏做出快速响应并对漏点做出准确判断。

附图说明

图1悬挂芯光纤端面结构示意图；

图2悬挂芯光纤与标准光纤的耦合连接、拉锥示意图；

图3a-图2b悬挂光纤包层两种裸漏结构示意图；

图4基于悬挂光纤的甲烷分布式气体传感器的系统结构示意图；

图5基于悬挂光纤的氢气分布式气体传感器的系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-3，本发明涉及的悬挂芯光纤具有悬挂的纤芯1结构，纤芯与包层3之间具有裸漏的敞开一维孔道结构2。敞开结构可以通过紫外显微加工方法在适当位置对悬挂光纤包层打孔4实现，孔直径为微米量级。除利用显微加工以外，还可以直接对光纤包层进行连续侧面抛光制造缺陷5。

实例一：煤矿重大动力灾害(瓦斯煤尘爆炸、煤与瓦斯突出、冲击地压等)的威胁严重地限制了矿井生产能力，造成巨大的经济损失，也影响到煤炭生产对国民经济快速发展的保障作用。研究煤矿瓦斯灾害信息的特征，探索瓦斯信息采集的新方法；研究低成本、分布式井下动态信息的检测、处理，构建煤矿监测预警应急信息系统平台，已经迫在眉睫，为当前煤炭工业所急需。下面结合具体甲烷检测实例对本发明作进一步说明。

光脉冲采用OTDR内波长为1.33μm的光源，发射波长位于CH₄的复合频位置(v₂+2v₃)。OTDR7的光脉冲(20-100ns)经耦合器8进入标准光纤9，然后经过熔融点进入悬挂光纤10，在纤芯传输时产生倏逝波。OTDR7连接控制计算机6为加强倏逝波强度，将悬挂光纤缠绕于直径为2mm的缆绳11表面，使光纤存在一定弯曲度，光纤缠绕螺距为2cm，整根悬挂光纤长度为1-2km，悬挂纤芯为整体分布式裸露。然后将光纤铺设在矿井隧道内部。当悬挂光纤某处接触到甲烷气体时，倏逝波场与经包层扩散入空腔气室的甲烷分子进行作用，产生吸收。

$x=\frac{c}{2n}\mathrm{\τ}---\left(1\right)$

甲烷对脉冲信号的吸收增加了光纤在该处的损耗，携带该处信息的背向瑞利散射信号光延光纤返回至输入端，光信号经光电转换装置变成电信号，电信号经放大以及A/D转换后经OTDR内部信号处理芯片得出光纤上各点的静态和动态的损耗特征谱，进而快速诊断泄露点位置x，的位置与延迟时间τ的关系见(1)式。

实例二：氢气是一种极具前景的环保、高效的能源气体，但其使用及贮存都具有很高的危险性。当氢气含量在4％-74.5％时，遇到火花则有可能引起爆炸事故。目前，对于氢气浓度的检测一般采用固态氢传感器，但它主要是用于较低氢浓度的探测，在高浓度条件下，因为电信号易引起爆炸。光纤氢传感器采用的都是光信号，使其可以应用于飞行器燃料贮箱这样工作条件恶劣的环境中。下面继续结合具体氢气检测实例对本分布式气体传感器作进一步说明。

悬挂光纤长度为1-2km，悬挂纤芯为点分布式裸露，每隔50m设置一个裸露点，每个裸露部位的长度为15cm。裸露的悬挂芯采用Pt/WO3敏感膜包围，其中Pt与W的摩尔比为1∶13，这种敏感膜采用Sol-gel技术制备。将0.5M的Na2WO4·H2O溶液通过阳离子交换树脂过滤，得到透明的黄色溶液。将其催化作用的4ml含0.125M的Pt(NH3)2(NO2)2以及H2PtC16的溶液、8ml EtOH加入13ml上述透明液体中。悬挂光纤在制备敏感膜前先用碱液处理，然后浸泡在上述配好的溶液中，并以1cm/s的速度缓慢提拉。形成膜后在室温下干燥2h，在马富炉内烧结1h，温度为500℃，最后在光纤表面形成WO3敏感膜。

将上述光纤延管道等氢气输送装置进行铺设。OTDR光源采用1.3μm LD，脉冲宽度为20ns。同样，光脉冲经耦合器进入标准光纤，然后进入悬挂光纤，在纤芯传输时产生倏逝波。当悬挂光纤某处接触到H₂时，氢分子与敏感层发生如下作用：

2xH₂→xH_ad

xH_ad+WO₃→H_xWO₃

首先，氢气在Pt催化作用下分解为氢原子，然后氢原子与WO₃反应生成H_xWO₃。敏感层12接触到氢前后性质发生明显改变，颜色有原来的半透明的浅灰色变成蓝黑色，这说明敏感膜对光的吸收向长波移动。此外，由于WO₃和H_xWO₃的介电系数不同，敏感膜在接触到氢气后折射率也发生了变化。由此可见，Pt/WO₃敏感膜的改变引起相应的倏逝场吸收系数及薄层折射率的改变，光纤内部传播的光功率在相应位置也会引起强烈变化。然后通过检测背向瑞利散射信号可判断泄露点位置。

敏感层的可逆反应可以通过如下反应实现：

2H_xWO₃+0.5xO₂→2WO₃+xH₂O

将传感层暴露于O₂中，使H_xWO₃重新发生氧化反应。

Claims (5)

1.一种基于悬挂芯光纤的分布式光纤气体传感器，包括光源、光时域反射计、耦合连接器和光纤；其特征是：所述的光纤由标准光纤和与标准光纤耦合的悬挂芯光纤构成；所述的悬挂芯光纤的纤芯与包层间具有一条延光纤轴向的一维孔道，所述一维孔道的形状为圆形或者“D”形，纤芯的折射率高于包层的折射率，纤芯紧贴悬挂于一维孔道内壁或部分嵌于包层内，在整个悬挂芯光纤长度范围内的包层上带有裸露结构；在悬挂芯光纤的纤芯表面有气体敏感层，所述的气体敏感层是采用这样的方法得到的Pt/WO₃敏感层：将0.5M的Na₂WO₄·H₂O溶液通过阳离子交换树脂过滤，得到透明的黄色溶液，将起催化作用的4ml含0.125M的Pt(NH₃)₂(NO₂)₂以及H₂PtCl₆的溶液、8ml EtOH加入13ml所述透明的黄色液体中，悬挂芯光纤先用碱液处理，然后浸泡在配好的溶液中，并以1cm/s的速度缓慢提拉，形成膜后在室温下干燥2h，在马富炉内烧结1h，温度为500℃，最后在光纤表面形成Pt与W的摩尔比为1∶13的敏感膜。

2.根据权利要求1所述的基于悬挂芯光纤的分布式光纤气体传感器，其特征是：所述的裸露结构是在包层上开有侧抛口的连续分布结构。

3.根据权利要求1所述的基于悬挂芯光纤的分布式光纤气体传感器，其特征是：所述的裸露结构是在包层上间隔开有微孔的点分布结构。

4.根据权利要求1、2或3所述的基于悬挂芯光纤的分布式光纤气体传感器，其特征是：悬挂芯光纤缠绕于缆绳表面。

5.根据权利要求4所述的基于悬挂芯光纤的分布式光纤气体传感器，其特征是：悬挂芯光纤缠绕于缆绳表面。

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