CN103033490B - 一种利用光热光纤进行甲烷浓度传感的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用光热光纤进行甲烷浓度传感的装置和方法，该装置包括加热光源、检测光源、光纤耦合器、光纤环形器、甲烷传感元件和波长检测仪，其中加热光源、检测光源、光纤环形器均分别与光纤耦合器连接，光纤环形器还分别与甲烷传感元件、波长检测仪连接。该方法是甲烷催化剂镀层镀在光热光纤包层表面；使用光热光纤作为光热转换元件使甲烷催化剂镀层温度达到活性温度以上；甲烷催化剂镀层催化甲烷进行缓慢氧化反应，缓慢氧化反应放热使光热光纤温度进一步升高；光热光纤内部刻写上光纤光栅；利用光纤光栅检测温度，通过数据定标，最终计算得到甲烷浓度。本发明适用于需要小型化、远程在线监测甲烷气体的领域。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感研究领域，特别涉及一种利用光热光纤进行甲烷浓度传感的装置和方法。
背景技术
甲烷催化氧化法浓度监测技术的工作原理是：利用甲烷催化氧化元件催化甲烷和氧气发生缓慢的氧化反应，将化学能转化为热能，通过监测催化剂表面温度得到甲烷浓度值。由于甲烷催化剂的活性温度高于室温很多，需要将催化剂温度加热到其活性温度以上。传统的方法是将催化剂连接上电线，通电加热。这种传统的方法要电源供电，存在产生电火花的安全隐患，能耗较大，需要经常更换电池，维护周期短。
光热光纤是一种通过对光纤掺杂，将在光纤内传播的光能转换为热能的光纤。在光纤传感领域，光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）由于其对温度、应力、折射率变化非常敏感，而成为业内一个非常重要的传感器件。FBG反射光谱的中心波长与光纤芯层的有效折射率成正比，而光纤芯层的有效折射率受外界的温度、应力影响，因此测量出FBG反射光谱的中心波长的变化就可以知道光纤温度的变化。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种利用光热光纤进行甲烷浓度传感的装置，该装置是在光热光纤的包层外部镀上甲烷催化剂，然后用光加热，使甲烷催化剂的温度达到其活化温度以上，进而进行甲烷浓度传感，具有结构简单、体积较小的优点，适用于需要小型化、远程在线监测甲烷气体的领域。
本发明的另一个目的是提供一种基于上述利用光热光纤进行甲烷浓度传感的装置的方法。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种利用光热光纤进行甲烷浓度传感的装置，包括加热光源、检测光源、光纤耦合器、光纤环形器、甲烷传感元件和波长检测仪，其中加热光源、检测光源、光纤环形器均分别与光纤耦合器连接，光纤环形器还分别与甲烷传感元件、波长检测仪连接；所述甲烷传感元件包括光热光纤和镀在光热光纤包层外部的甲烷催化剂镀层，光热光纤纤芯层上刻有光纤光栅；工作时，光热光纤吸收加热光源发出的光，使甲烷催化剂镀层温度上升到催化剂活化温度以上，引发甲烷催化剂镀层表面的甲烷缓慢氧化反应，检测光源发出的光经过光纤耦合器和光纤环形器进入甲烷传感元件，被光纤光栅滤波并反射，反射光经过光纤环形器进入波长检测仪；波长检测仪用于检测出反射光的波长。
优选的，所述光热光纤长度小于1cm。
优选的，所述甲烷催化剂镀层的材料为钯或铂。
一种基于上述装置的利用光热光纤进行甲烷浓度传感的方法，包括以下步骤：甲烷催化剂镀层镀在光热光纤包层表面；使用光热光纤作为光热转换元件使甲烷催化剂镀层温度达到活性温度以上；甲烷催化剂镀层催化甲烷进行缓慢氧化反应，缓慢氧化反应放热使光热光纤温度进一步升高；光热光纤内部刻写上光纤光栅；利用光纤光栅检测温度，通过数据标定，最终计算得到甲烷浓度。
具体的，包括以下步骤：
（1）将甲烷传感元件置于待检测气体中；
（2）开启加热光源和检测光源，其中光热光纤吸收加热光源发出的光，使甲烷催化剂镀层温度上升到催化剂活化温度以上，引发甲烷催化剂镀层表面的甲烷缓慢氧化反应，氧化反应放出的热量进一步提高光热光纤的温度，使得光纤光栅特征反射波长进一步向长波方向移动；检测光源发出的光经过光纤耦合器和光纤环形器进入甲烷传感元件，被光纤光栅滤波并反射，反射光的波长为光纤光栅的特征反射波长，反射光经过光纤环形器进入波长检测仪；所述加热光源的波长设置在光热光纤的吸收带内并且不覆盖光纤光栅的特征反射波长，检测光源的波长范围覆盖光纤光栅的特征反射波长；
（3）波长检测仪检测出反射光的波长，然后通过数据标定，计算出甲烷浓度。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明中适用于甲烷浓度检测，与传统的甲烷浓度检测方案相比，本发明的采用光纤传感元件，尺寸很小，采用全光结构，暴露在甲烷气体中的传感元件不需要电子元器件，不会受外界电磁干扰，也不会产生电火花等安全隐患。
2.、本发明中甲烷催化剂直接镀在光热光纤表面，和以往的催化剂和传感元件分离的方案相比，传感灵敏度提高非常多。
3、本发明采用光纤结构，传感信号能传输很长距离，可以做到远程监控。另外采用的光纤光栅比较容易实现多个甲烷传感元件的串联，实现传感链路。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为本发明中甲烷传感元件的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1所示，一种利用光热光纤进行甲烷浓度传感的装置，包括加热光源1、检测光源2、光纤耦合器3、光纤环形器4、甲烷传感元件5和波长检测仪6，其中加热光源1、检测光源2、光纤环形器4均分别与光纤耦合器3连接，光纤环形器4还分别与甲烷传感元件5、波长检测仪6连接。具体是，光纤耦合器3包括3个接口，其中加热光源1与光纤耦合器3的a口3-1光连接，检测光源2与光纤耦合器3的b口3-2光连接，光纤环形器4与光纤耦合器3的c口3-3光连接。光纤环形器4同样有3个接口，其中，甲烷传感元件5通过光纤与光纤环形器4的Ⅱ口4-2光连接，光纤环形器4的Ⅲ口4-3与波长检测仪6光连接，光纤环形器4的Ⅰ口4-1与光纤耦合器3的c口3-3光连接。
如图2所示，甲烷传感元件5的结构包括光热光纤5-1，光纤光栅5-4，甲烷催化剂镀层5-5；所述的光纤光栅5-4刻写在光热光纤芯层5-2；所述的甲烷催化剂镀层5-5镀在光热光纤包层5-3外部，材料为钯或铂；所述的光热光纤5-1长度为d，d一般小于1cm。
一种基于上述装置的利用光热光纤进行甲烷浓度传感的方法，包括以下步骤：
（1）将甲烷传感元件5置于待检测气体中；
（2）开启加热光源1和检测光源2，其中光热光纤吸收加热光源1发出的光，使甲烷催化剂镀层温度上升到催化剂活化温度以上，引发甲烷催化剂镀层表面的甲烷缓慢氧化反应，氧化反应放出的热量进一步提高光热光纤的温度，使得光纤光栅特征反射波长进一步向长波方向移动；检测光源2发出的光经过光纤耦合器3和光纤环形器4进入甲烷传感元件5，被光纤光栅滤波并反射，反射光的波长为光纤光栅的特征反射波长，反射光经过光纤环形器4进入波长检测仪6；所述加热光源1的波长设置在光热光纤的吸收带内并且不覆盖光纤光栅的特征反射波长，检测光源2的波长范围覆盖光纤光栅的特征反射波长；
（3）波长检测仪6检测出反射光的波长，然后通过数据标定，计算出甲烷浓度。
本实施例中，加热光源1、检测光源2、波长检测仪6、光纤耦合器3、光纤环形器4均为成熟产品，波长检测仪6检测到的光纤光栅5-4的特征反射波长和甲烷浓度的数据标定算法为现有技术。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种利用光热光纤进行甲烷浓度传感的装置，其特征在于，包括加热光源、检测光源、光纤耦合器、光纤环形器、甲烷传感元件和波长检测仪，其中加热光源、检测光源、光纤环形器均分别与光纤耦合器连接，光纤环形器还分别与甲烷传感元件、波长检测仪连接；所述甲烷传感元件包括光热光纤和镀在光热光纤包层外部的甲烷催化剂镀层，光热光纤纤芯层上刻有光纤光栅；工作时，光热光纤吸收加热光源发出的光，使甲烷催化剂镀层温度上升到催化剂活化温度以上，引发甲烷催化剂镀层表面的甲烷缓慢氧化反应，检测光源发出的光经过光纤耦合器和光纤环形器进入甲烷传感元件，被光纤光栅滤波并反射，反射光经过光纤环形器进入波长检测仪；波长检测仪用于检测出反射光的波长。
2.根据权利要求1所述的利用光热光纤进行甲烷浓度传感的装置，其特征在于，所述光热光纤长度小于1cm。
3.根据权利要求1所述的利用光热光纤进行甲烷浓度传感的装置，其特征在于，所述甲烷催化剂镀层的材料为钯或铂。
4.一种基于权利要求1所述装置的利用光热光纤进行甲烷浓度传感的方法，其特征在于，包括以下步骤：甲烷催化剂镀层镀在光热光纤包层表面；使用光热光纤作为光热转换元件使甲烷催化剂镀层温度达到活性温度以上；甲烷催化剂镀层催化甲烷进行缓慢氧化反应，缓慢氧化反应放热使光热光纤温度进一步升高；光热光纤内部刻写上光纤光栅；利用光纤光栅检测温度，通过数据标定，最终计算得到甲烷浓度。
5.根据权利要求4所述的利用光热光纤进行甲烷浓度传感的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将甲烷传感元件置于待检测气体中；
（2）开启加热光源和检测光源，其中光热光纤吸收加热光源发出的光，使甲烷催化剂镀层温度上升到催化剂活化温度以上，引发甲烷催化剂镀层表面的甲烷缓慢氧化反应，氧化反应放出的热量进一步提高光热光纤的温度，使得光纤光栅特征反射波长进一步向长波方向移动；检测光源发出的光经过光纤耦合器和光纤环形器进入甲烷传感元件，被光纤光栅滤波并反射，反射光的波长为光纤光栅的特征反射波长，反射光经过光纤环形器进入波长检测仪；所述加热光源的波长设置在光热光纤的吸收带内并且不覆盖光纤光栅的特征反射波长，检测光源的波长范围覆盖光纤光栅的特征反射波长；
（3）波长检测仪检测出反射光的波长，然后通过数据标定，计算出甲烷浓度。
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