CN102721646B - 远距离挥发性有机物多点检测传感装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种远距离挥发性有机物多点检测传感装置，包括光时域反射仪、传输光纤和光分束器，与所述光分束器连接的多个延迟光纤，和与多个延迟光纤连接的多个VOC传感器。本发明的远距离挥发性有机物多点检测传感装置可以实现远距离对不同的挥发性有机物实现多点测量。

Description

远距离挥发性有机物多点检测传感装置
技术领域
    本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及一种远距离挥发性有机物多点检测传感装置。
背景技术
    挥发性有机化合物简称VOC（Volatile Organic Compounds, VOC）。VOC有许多定义，如美国环保署EPA对VOC的定义是除CO、CO2、碳酸、金属碳化物、碳酸盐与碳酸铵以外，任何参与大气光化学反应的碳化合物；欧共体EC在1999/13/EC中对VOC的定义是在温度20℃下，具有大于或者等于0.01kPa蒸汽压的化合物。
    在目前已确认的900多种室内化学物质和生物性物质中，挥发性有机化合物（VOCs）至少在350种以上（>1ppb），其中20多种为致癌物或致突变物，有些长期接触则能导致癌症（肺癌、白血病）或导致流产、胎儿畸形和生长发育迟缓等。故对孕妇、小孩等特殊人群影响最大。
   VOC广泛存在于自然界与人类生活环境中。对于建筑行业，装饰涂料、家具中大量存在苯、甲苯、二甲苯等挥发性物质；对于食品行业，食品的包装材料中含有苯类溶剂残留物质，会对人体健康造成一定危害；对于能源行业，矿下作业环境中存在许多易燃易爆的挥发性物质，对作业人员的人身安全与设备的正常运转构成严重威胁；对于石油化工行业，生产或者储运过程中，非甲烷总烃、二甲苯、乙醛等易燃易爆气体也会带来巨大安全隐患，直接排放会对大气造成污染。
  VOC的传统检测方法有许多种，例如气相色谱法，顶空搅拌棒吸附萃取法，质谱分析法。传统的VOC检测方法存在着价格昂贵，测试流程复杂，测量环境要求较高，测量距离较短等问题。VOC的检测仪器也有许多种，例如“电子鼻（Electronic Nose）”等。
   光纤传感是由光源发出的光，经光纤传输至待测区时，待测参数与进入光纤调制区的光相互作用，导致光的光学性质（例如强度、波长、频率、相位、偏振态等）发生变化，经光纤传输至光电探测器并解调，获得被测参数。光纤传感具有低能耗、低损耗、抗电磁干扰、灵敏度高等优点，在半导体、电子、化学VOC传感设备无法测量，或者测量结果存在较大误差的特殊环境中，光纤传感成为潜在的替代测量手段。目前光纤传感在VOC检测中面临许多问题，比如测量距离短，测量区域有限，可测VOC种类少等。VOC的远程检测方案需要满足以下条件：信号传输通道稳定，安全，能适应恶劣工作环境，工程造价低，信号传输过程中，检测信号具有较小衰减以及能量损耗，满足一定的功耗比，末端传感器产生的被测信号能与传输信道无缝接合，降低耦合成本与接头损耗，VOC传感器能对不同的挥发性物质进行辨别与测量。
   在光纤通信领域中，光时域反射仪简称OTDR（Optical time-domain reflectometer，OTDR）用以对被测光纤的任意特征点，进行实时在线的特征参数的测量。在光纤传感领域中，结合OTDR在光纤通信中的应用，可以实现远距离光纤传感。 
发明内容
为了克服现有技术中VOC测量距离短，测量区域有限，可测VOC种类少的问题，本发明提供了一种远距离挥发性有机物多点检测传感装置，包括光时域反射仪、传输光纤和光分束器，与所述光分束器连接的多个延迟光纤，和与多个延迟光纤连接的多个VOC传感器。
进一步的，所述光时域反射仪经参考光纤和第一连接器与所述传输光纤连接。
进一步的，所述传输光纤通过第二连接器与所述光分束器连接。
进一步的，所述多个延迟光纤的长度不同。
进一步的，在所述光时域反射仪的距离—光强曲线上，所述多个VOC传感器的测量数据能在同一距离—光强曲线上显示。
进一步的，所述多个VOC传感器的种类不同，以对不同的挥发性有机物进行测量。
进一步的，所述传输光纤的长度在一百米至上百公里，以实现远距离测量。
本发明所具有的有益效果为：
   1、本发明利用光时域反射仪进行光信号的分析与处理，将测量距离从几十米增加至上百公里。
   2、本发明利用光分束器，将光时域反射仪的光源信号，分成多个信号并进入多个末端VOC传感器，能够在同一时间对不同地点的挥发性有机物进行实时连续测量。
   3、本发明利用光纤传感技术，通过改变末端VOC传感器的种类，可以对不同挥发性物质进行测量。
   4、本发明利用菲涅耳反射原理，通过末端VOC传感器与挥发性有机物相互作用所产生的折射率变化，导致反射光强变化，并在光时域反射仪上显示。通过数据分析与处理，得出待测物质的种类与浓度。
   5、本发明使用的VOC传感器，是在经垂直切割的光纤末端镀上一层硅沸石薄膜，能够与挥发性有机物分子相互作用，使得VOC传感器的折射率改变，导致反射光强的变化在光时域反射仪中显示。
附图说明
图1为本发明的远距离挥发性有机物多点检测传感装置结构示意图。
具体实施方式
   下面结合附图对发明进一步描述。
   如图1所示，远距离挥发性有机物多点检测传感装置，包括光时域反射仪（OTDR）1，参考光纤2，连接器3、5，传输光纤4、光分束器6，延迟光纤7、9、11，VOC传感器8、10、12。将光时域反射仪1的光源输出端与参考光纤2连接，进行OTDR校准，根据传输光纤4的长度与型号进行OTDR的参数设置；将参考光纤2通过连接器3与传输光纤4连接；将传输光纤4通过连接器5与光分束器6连接；将光分束器6的输出端与延迟光纤7、9、11连接；将延迟光纤7与VOC传感器8连接；将延迟光纤9与VOC传感器10连接；将延迟光纤11与VOC传感器12连接。
本发明使用的VOC传感器，是在经垂直切割的光纤末端镀上一层硅沸石薄膜，能够与挥发性有机物分子相互作用，使得VOC传感器的折射率改变，导致反射光强的变化在光时域反射仪中显示。所述VOC传感器的种类可以不同，以对不同挥发性物质进行测量。
   本发明装置的工作方式为：光时域反射仪1发出的光脉冲进入参考光纤2，通过连接器3进入传输光纤4，光脉冲在进入被测环境之前，经光分束器6将光脉冲信号分成多道光束，沿着多个延迟光纤进入对应的多个VOC传感器。
   延迟光纤的工作方式为：多个延迟光纤是通过改变光纤的长度，在距离上区分多个VOC传感器。延迟光纤长度不同，在光时域反射仪的距离—光强曲线上，使得多个VOC传感器的测量数据能在同一曲线上显示。
  VOC传感器的工作方式为：延迟光纤与VOC传感器连接，根据不同的挥发性物质，选择不同的VOC传感器。
    该装置能够实现远距离挥发性有机物多点检测的关键技术为：光时域反射仪能够在远距离对各点光强进行实时连续检测，利用延迟光纤将各监测点在距离上进行分辨，达到多点检测的功能；利用光分束器将光时域反射仪发射出来的脉冲信号分成多道信号并经延迟光纤进入多个VOC传感器；延迟光纤使多个VOC传感器在距离上离散分布，在光时域反射仪的距离—光强曲线上同时显示。
   在本发明的一个实施例中，光时域反射仪的参数设置为：测试波长1550nm，折射率1.4685，脉冲宽度50nm，测试量程5km，平均化时间1.5min；参考光纤为G.652单模光纤，长度500m；传输光纤为G.652单模光纤，长度5km；1×3光分束器；延迟光纤7为G.652单模光纤，长度50m；延迟光纤9为G.652单模光纤，长度150m；延迟光纤11为G.652单模光纤，长度200m。待测区域为纯氮气箱体中含浓度为0.10%的异丙醇的混合气体，VOC传感器的反射光强为-25.1dBm；待测区域为纯氮气箱体中含浓度为0.30%的异丙醇的混合气体，VOC传感器的反射光强为-26.0dBm；待测区域为纯氮气箱体中含浓度为1.00%的异丙醇的混合气体，VOC传感器的反射光强为-26.5dBm。通过反射光强的大小，测得在纯氮气箱体中，所含异丙醇的浓度。
以上所述及图中所示的仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的原理的前提下，还可以作出若干变型和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种远距离挥发性有机物多点检测传感装置，包括光时域反射仪（1）、传输光纤（4）和光分束器（6），其特征在于：还包括与所述光分束器（6）连接的多个延迟光纤（7、9、11），和与多个延迟光纤（7、9、11）连接的多个VOC传感器（8、10、12），所述VOC传感器（8、10、12）是在经垂直切割的光纤末端镀上一层硅沸石薄膜。
2.如权利要求1所述的远距离挥发性有机物多点检测传感装置，其特征在于：所述光时域反射仪（1）经参考光纤（2）和第一连接器（3）与所述传输光纤（4）连接。
3.如权利要求2所述的远距离挥发性有机物多点检测传感装置，其特征在于：所述传输光纤（4）通过第二连接器（5）与所述光分束器（6）连接。
4.如权利要求1所述的远距离挥发性有机物多点检测传感装置，其特征在于：所述多个延迟光纤（7、9、11）的长度不同。
5.如权利要求4所述的远距离挥发性有机物多点检测传感装置，其特征在于：在所述光时域反射仪（1）的距离—光强曲线上，所述多个VOC传感器（8、10、12）的测量数据能在同一距离—光强曲线上显示。
6.如权利要求4所述的远距离挥发性有机物多点检测传感装置，其特征在于：所述多个VOC传感器（8、10、12）的种类不同，以对不同的挥发性有机物进行测量。
7.如权利要求4所述的远距离挥发性有机物多点检测传感装置，其特征在于：所述传输光纤（4）的长度在一百米至上百公里，以实现远距离测量。
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