CN102914509A

CN102914509A - 一种不规则孔光纤的硫化氢气体浓度测量装置及测试方法

Info

Publication number: CN102914509A
Application number: CN2012104423167A
Authority: CN
Inventors: 唐东林; 赖欣
Original assignee: Southwest Petroleum University
Current assignee: Southwest Petroleum University
Priority date: 2012-11-08
Filing date: 2012-11-08
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2032-11-08
Also published as: CN102914509B

Abstract

本发明涉及一种用于硫化氢气体浓度在线监测的不规则孔光纤硫化氢气体浓度测量装置及测试方法。它可解决硫化氢气体检测技术中信噪比小，灵敏度低的问题。其技术方案：该装置的光源及偏光系统装有激光器、起偏器、透镜A；马赫-曾德干涉仪装有分束器、输入耦合元件、不规则孔光纤、参考臂光纤、输出耦合元件和合束器；光电信号转换与处理装置装有透镜B、检偏器、光电二极管和微信号处理器；气室装置装有气体盒、基底、真空泵接口、针阀A、硫化氢气体接口和针阀B。偏振光经透镜聚焦后输入马赫-曾德干涉仪，上述光强变化的光导入光电信号转换及处理系统获得被测硫化氢气体浓度值。本发明能有效增大吸收强度，提高检测灵敏度。

Description

一种不规则孔光纤的硫化氢气体浓度测量装置及测试方法

技术领域

本发明涉及一种用于硫化氢气体浓度在线监测仪器，特别适用于光纤消逝场与硫化氢气体反应的不规则孔光纤硫化氢气体浓度测量装置及测试方法。

背景技术

硫化氢气体是一种无色、有臭鸡蛋气味的有毒气体，0.1%——0.15%的硫化氢顷刻间就能致人死亡。同时，硫化氢气体还是腐蚀性极强的气体，钢结构在微量硫化氢气体作用下也能发生较强的腐蚀。硫化氢气体广泛产生于炼钢、炼油、造纸、染料、制药和制革等多种生产过程中，因此，必须对有硫化氢气体产生的生产过程进行硫化氢气体浓度检测，以保障人员和设备安全。

国内外对硫化氢气体浓度检测已有很多报道，常采用碘量法、亚甲基蓝法、醋酸铅反应速率法、检测管比长法等电化学法来检测硫化氢气体浓度。电化学法具有反应速度快、体积小、成本低的优点，但气体分子与敏感电极之间的反应使测量基准漂移，同时在电磁场干扰严重的恶劣工作环境中，电化学传感器信号很难远程传输。由于光纤抗电磁干扰能力强、能远程传输巨量信息形成检测网络，因此，光纤硫化氢气体浓度检测技术成为各国大力发展的关键技术。光纤光谱吸收法是检测硫化氢气体浓度的重要方法。它利用光纤中传播的光场与硫化氢气体作用，改变传播光强来检测硫化氢气体浓度，该方法具有反应快、抗腐蚀抗电磁干扰能力强的优点。

经对现有的国内外公开文献报道检索表明：利用光纤光谱吸收检测硫化氢气体浓度的方法是：将1575纳米波长的光穿过通有硫化氢气体的气室，硫化氢气体对该波长的光具有较强的吸收作用，通过检测吸收后的光强来检测硫化氢气体的浓度。利用这种方法检测时，光在含硫化氢气体的气室里传播时衰减很大，检测到的光信号微弱；同时为增强吸收效果以提高检测灵敏度，需设计较长的气室增大光程，使得传感器整体体积较大。为增强光吸收信号、减小传感器体积，有研究文献报道：在光纤上涂覆能与硫化氢气体进行可逆反应的有机聚合物，硫化氢气体改变光纤涂覆层的光谱吸收特性，通过检测吸收后的光强来检测硫化氢气体的浓度。这种光纤包层上的有机涂覆层与光纤芯层形成光纤传感区与光纤传光区，在传感区域与传光区域边界处，由于有机聚合物的作用，光的散射损耗大幅增大，使传感器的信噪比大幅降低。

不规则孔光纤是在光纤拉制过程中，在光纤包层形成大小不等的（微米到几十纳米）不规则长孔，长孔构成的孔隙率在光纤芯层、包层之间产生折射率差，使光沿光纤芯层传播。由于包层中有大量小孔，使得不规则孔光纤包层消逝场能与硫化氢气体进行光谱吸收作用，改变不规则孔光纤传播光强，实现硫化氢气体浓度检测。

发明内容

本发明的目的是：为解决硫化氢气体检测技术中信噪比小，灵敏度低的问题，特提供一种不规则孔光纤的硫化氢气体浓度测量装置及测试方法。

本发明由于不规则孔光纤较大的孔隙率，可实现较强的硫化氢气体光谱吸收以减小气室长度，使本发明的硫化氢气体浓度测量装置体积小、稳定性好。

为了实现上述目的，本发明的目的由以下技术措施实现：一种不规则孔光纤的硫化氢气体浓度测量装置：包括光源及偏光系统、马赫-曾德干涉仪、气室装置和光电信号转换与处理装置，其结构特征是：光源及偏光系统包括激光器、起偏器、透镜A，激光器输出光波长为1575nm，起偏器采用TE或TM偏振，激光器发出的光经光纤由起偏器起偏后，经透镜A聚焦后输入马赫-曾德干涉仪；马赫-曾德干涉仪包括分束器、输入耦合元件、不规则孔光纤、参考臂光纤、输出耦合元件和合束器，分束器安装在透镜A之后，分束器将透镜A输入的偏振光分成等光强的两束光输出，分束器两个输出端装在输入耦合元件上，分别与装在输入耦合元件上的不规则孔光纤和参考臂光纤的输入端进行耦合，在与待测硫化氢气体作用后，不规则孔光纤和参考臂光纤的输出端在输出耦合元件上分别与合束器的两输入端耦合，分束器为一分二分束器，合束器为一合二合束器，输入耦合元件和输出耦合元件设置在气室装置的基底上，其耦合方式均为V型槽端面对接耦合，参考臂光纤为单模光纤，合束器输出的干涉光输入光电信号转换与处理装置；光电信号转换与处理装置包括透镜B、检偏器、光电二极管和微信号处理器，透镜B安装在合束器之后，其后依次安装检偏器、光电二极管和微信号处理器，透镜B将合束器的输出光聚焦，经检偏后将光强信号转化为电信号，经运算得到待测的硫化氢气体浓度值；气室装置包括气体盒、基底、真空泵接口、针阀A、待测硫化氢气体接口和针阀B，基底安装在气体盒内，真空泵接口设置在气体盒一侧，在真空泵接口上安装针阀A，待测硫化氢气体接口设置在气体盒另一侧，在待测硫化氢气体接口上安装针阀B。

一种不规则孔光纤的硫化氢气体浓度测量装置的测试方法：先接通电源，打开激光器开关，激光器发出波长为1575nm的激光经起偏器后形成线偏振光，由透镜A耦合进入马赫－曾德干涉仪中传播；其后将真空泵与真空泵接口联接，打开针阀A，关闭针阀B，启动真空泵，将气体盒抽真空，使气体盒内真空度为负50Kpa，然后关闭针阀A，打开针阀B通入待测硫化氢气体，使待测硫化氢气体充满气体盒，盒内压力达到标准大气压，在压力作用下待测硫化氢气体进入不规则孔光纤包层的长孔内，光纤包层内的待测硫化氢气体与包层内传播的光消逝场进行光谱吸收作用，改变消逝场大小从而改变光纤中传播的光强；然后将上述光强变化的光导入光电信号转换及处理系统，由光电二极管检测光强变化得到相应的电信号，经微信号处理器处理后获得待测硫化氢气体的浓度值；最后关闭针阀B停止通入待测硫化氢气体，将气体盒抽成真空，使气体盒内真空度为负50Kpa，将进入不规则孔光纤包层长孔内的待测硫化氢气体排出。

本发明具有如下有益效果：（1）本发明是在不规则孔光纤包层中填充待测硫化氢气体，利用硫化氢气体的光谱吸收特性来检测待测硫化氢气体浓度，由于不规则孔光纤包层中含有大量的长孔，这极大增强了待测硫化氢气体与包层消逝场之间的光谱吸收效果，因此相同浓度的硫化氢引起的光强改变更显著，提高了硫化氢气体的检测灵敏度；例如可以达到5ppm，甚至可达2ppm；（2）本发明采用传播波长为1575nm的不规则孔光纤，其波长与硫化氢气体吸收谱一致，并将不规则孔光纤作为马赫-曾德干涉仪的信号臂，则只有待测硫化氢气体能与不规则孔光纤包层消逝场相互作用引起光强度的变化．检测这些变化可得到硫化氢浓度有关的信息，这消除了其他杂质气体的干扰，提高了气体的选择性；（3）本发明采用的不规则孔光纤具有较大的孔隙率，有效增大了吸收强度，使气室长度更短，传感器体积小。

附图说明

图1本发明一种不规则孔光纤的硫化氢气体浓度测试装置的结构示意图，图中：1、激光器，2、光纤，3、起偏器，4、透镜A，5、分束器，6、输入耦合元件，7不规则孔光纤，8、参考臂光纤，9、输出耦合元件，10、合束器，11、透镜B，12、检偏器，13、光电二极管，14、微信号处理器，15、真空泵接口，16、针阀A，17、基底，18、待测硫化氢气体接口，19、针阀B，20、气体盒。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述，通过实施例对本发明作进一步说明。

本发明装置的具体结构如图1所示，本发明装置的光源及偏光系统由激光器1、起偏器3和透镜A4组成，激光器1输出光波长为1575nm，起偏器3选择TE或TM偏振。

本发明装置的硫化氢气体浓度传感系统由马赫-曾德干涉仪和气室装置构成，光纤2将透镜A4聚焦后的线偏振光传入分束器5中，分束器5、输入耦合元件6、不规则孔光纤7、参考臂光纤8、输出耦合元件9、合束器10一起构成马赫-曾德干涉仪，其中，在输入耦合元件6上，分束器5两输出端分别与不规则孔光纤7和参考臂光纤8的输入端耦合，输入耦合元件6采用V型槽端面对接耦合，耦合后的光分别进入不规则孔光纤7和参考臂光纤8，与硫化氢气体作用后通过输出耦合元件9耦合进入合束器10并产生干涉，干涉后的光由合束器10输出，输出耦合元件9与输入耦合元件6结构一致并共同固定在基底17上。

气室装置包括气体盒20、基底17、真空泵接口15、针阀A16、待测硫化氢气体接口18和针阀B19，气体盒20采用内壁做耐腐蚀处理的铝合金材料，在气体盒20的一端，分别设置真空泵接口15和待测硫化氢气体接口18，在两接口上分别设置针阀A16、针阀B19，关闭针阀B19，打开针阀A16，可实现气体盒抽真空，抽真空完成后关闭针阀A16，打开针阀B19，可实现待测硫化氢气体的填充，由于硫化氢气体的剧毒性，要求气体盒在－50KPa（表压）的真空下，可保压10分钟。

本发明装置的光电信号转换与处理装置包括透镜B11、检偏器12、光电二极管13、微信号处理器14，从合束器10输出的干涉光由光纤经透镜B11和检偏器12后导入光电二极管13，将光强变化转化为电信号输入微信号处理器14中，经运算得到待测硫化氢气体浓度值，也可以将运算结果输入计算机。

Claims

1.一种不规则孔光纤的硫化氢气体浓度测量装置，包括光源及偏光系统、马赫-曾德干涉仪、气室装置和光电信号转换与处理装置，其特征在于：该测量装置的光源及偏光系统包括激光器（1）、起偏器（3）、透镜A（4）；马赫-曾德干涉仪包括分束器（5）、输入耦合元件（6）、不规则孔光纤（7）、参考臂光纤（8）、输出耦合元件（9）和合束器（10），分束器（5）安装在透镜A（4）之后，分束器（5）两个输出端装在输入耦合元件（6）上，分别与装在输入耦合元件（6）上的不规则孔光纤（7）和参考臂光纤（8）的输入端进行耦合，不规则孔光纤（7）和参考臂光纤（8）的输出端装在输出耦合元件（9）上分别与合束器（10）的两输入端耦合，分束器（5）为一分二分束器，合束器（10）为一合二合束器，输入耦合元件（6）和输出耦合元件（9）设置在气室装置的基底（17）上，其耦合方式均为V型槽端面对接耦合，参考臂光纤（8）为单模光纤，合束器（10）输出的干涉光输入光电信号转换与处理装置；光电信号转换与处理装置包括透镜B（11）、检偏器（12）、光电二极管（13）和微信号处理器（14），透镜B（11）安装在合束器（10）之后将合束器（10）的输出光聚焦，其后依次安装检偏器（12）、光电二极管（13）和微信号处理器（14）；气室装置包括气体盒（20）、基底（17）、真空泵接口（15）、针阀A（16）、待测硫化氢气体接口（18）和针阀B（19），基底（17）安装在气体盒（20）内，真空泵接口（15）设置在气体盒（20）一侧，在真空泵接口（15）上安装针阀A（16），待测硫化氢气体接口（18）设置在气体盒（20）另一侧，在硫化氢气体接口（18）上安装针阀B（19）。

2.一种测量硫化氢气体浓度的方法，其特征在于使用权利要求1所述的硫化氢气体浓度测量装置进行测试，且测试的过程如下：先接通电源，打开激光器（1）开关，激光器（1）发出波长为1575nm的激光经起偏器（3）后形成线偏振光，由透镜A（4）耦合进入马赫－曾德干涉仪中传播；其后将真空泵与真空泵接口（15）联接，打开针阀A（16），关闭针阀B（19），启动真空泵，将气体盒（20）抽真空，其真空度为-50Kpa，再关闭针阀A（16），打开针阀B（19）通入待测硫化氢气体，使气体充满气体盒（20），其盒内压力达到标准大气压，在压力作用下待测硫化氢气体进入不规则孔光纤（7）包层的长孔内，光纤包层内的待测硫化氢气体与包层内传播的光消逝场进行光谱吸收作用，改变消逝场大小从而改变光纤中传播的光强；然后将上述光强变化的光导入光电信号转换及处理系统，光电二极管（13）检测光强变化得到相应的电信号，经微信号处理器（14）处理后获得待测硫化氢气体的浓度值；最后关闭针阀B（19）停止通入待测硫化氢气体，再将气体盒（20）抽成真空，使进入不规则孔光纤（7）包层长孔内的待测硫化氢气体排出。

3.如权利要求1所述的测量装置在测试硫化氢气体浓度中的应用。