CN104614334A - 分布式光纤气体传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及气体传感器技术领域，具体涉及一种分布式光纤气体传感器，包括：主机部分、气体检测装置、光环形器和光纤，其中，主机部分包括解调装置、激光源、光电检测器、显示装置和报警装置。本发明的分布式光纤气体传感器利用光纤将气体检测装置以及包括激光源、解调装置、光电检测器的主机部分进行连接，出射激光以及反射激光均通过光纤在上述两者之间传播，适合于远距离的站点气体传感检测。进一步地，本发明的分布式光纤气体传感器可以用光纤将多个气体检测装置和包括激光源、解调装置、光电检测器的主机部分进行连接，多个气体检测装置分布于不同的检测站点，降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及气体传感器技术领域，具体涉及一种分布式光纤气体传感器。
背景技术
近年，随着对环境安全的要求日益高涨，各种气体检测技术层出不穷，其中TDLAS（可调谐半导体激光吸收光谱）技术以其抗干扰能力强，精度高，寿命长等优良的特性而成为研究热点。光学式气体传感器包括红外吸收型、光谱吸收型、荧光型、光纤化学材料型等，主要以红外吸收型气体分析仪为主，由于不同气体的红外吸收峰不同，通过测量和分析红外吸收峰来检测气体，但是红外检测技术由于是使用的宽光谱，在光谱内的所有有吸收峰的气体都会与光束发生作用，使得其抗干扰能力较差，如甲烷检测方面，难以解决水气的干扰导致实际应用有限。
光学式气体传感器具有高抗振能力和抗污染能力，与计算机相结合，能连续测试分析气体，具有自动校正、自动运行的功能，精度高，反应快，同时因为它的结构关系一般造价高，主要应用于石油、采矿、半导体工业等工矿企业以及家庭中环境检测和控制。在石油、石化、采矿工业中，硫化氢、一氧化碳、氯气、甲烷和可燃的碳氢化合物是主要检测气体。在半导体工业中最主要是检测磷、砷和硅烷。家庭中主要是检测煤气和液化气的泄漏以及是否通风。
现有技术中的激光气体传感器，为悬挂式仪表设备，在需要多点检测的场合，如煤矿行业，往往需要每个检测点均需要安装全套设备，成本非常高；另外，红外检测技术固有的抗干扰能力差的缺陷。
鉴于此，克服以上现有技术中的缺陷，提供一种分布式光纤气体传感器成为本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，提供一种分布式光纤气体传感器。
本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：
一种分布式光纤气体传感器，用于检测待测气体，与现有技术相比，其不同之处在于，所述气体传感器包括：
具有温度控制装置的激光源，用于在温度控制装置的配合下发射被所述待测气体高度吸收的预选波长的激光束；
沿着激光发射方向依次设置的光环形器和气体检测装置，激光源和光环形器通过光纤连接，光环形器和气体检测装置通过光纤连接；所述气体检测装置包括用于为所述待测气体提供吸收容积的气体吸收池，所述气体吸收池内设有全反射镜，激光源的发射激光进入气体吸收池被待测气体吸收后经全反射镜逆向反射；
通过光纤与所述光环形器连接的光电检测器，用于在预设波长下检测被全反镜逆向反射的反射激光；以及
解调装置，所述解调装置通过比较在预设波长下检测的反射激光的光功率与激光源的发射激光的光功率来计算光衰减并根据计算的光衰减来直接或间接地确定所述气体吸收池中待测气体的浓度、以及通过计算反射激光的接收时间与发射激光的发射时间的差来直接或间接地确定发射激光的传播距离。
优选地，所述气体检测装置还包括光纤温度传感器，所述光纤温度传感器耦接至光纤并向所述解调装置提供所述光纤的温度信号以使所述解调装置根据所述光纤的温度变化来校正光衰减。
优选地，所述气体检测装置还包括光纤压力传感器，所述光纤压力传感器耦接至光纤并向所述解调装置提供所述光纤的压力信号以使所述解调装置根据所述光纤的压力变化来校正光衰减。
优选地，所述气体传感器包括两个激光源，分别发射被第一待测气体高度吸收的第一预选波长的激光束、和被第二待测气体高度吸收的第二预选波长的激光束；
所述气体检测装置具有两个气体吸收池，分别用于为第一待测气体和第二待测气体提供吸收容积。
优选地，所述光纤温度传感器、光纤压力传感器、第一个气体吸收池和第二个气体吸收池沿着激光出射方向通过光分路器依次并联设置。
优选地，所述第一待测气体为甲烷，所述第二待测气体为水汽，所述第一预设波长为1563.7nm，所述第二预设波长为1392nm。
优选地，所述气体传感器还包括一显示装置。
优选地，所述气体传感器还包括一报警装置，用于在所述第一待测气体浓度或第二待测气体浓度超过预设值时发出报警。
优选地，所述气体传感器包括多个气体检测装置，所述多个气体检测装置通过光纤沿着激光发射方向依次串联设置。
优选地，所述激光源为具有芯片的激光器，所述温度控制装置与所述芯片连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明的分布式光纤气体传感器利用光纤将气体检测装置以及包括激光源、解调装置、光电检测器的主机部分进行连接，出射激光以及反射激光均通过光纤在上述两者之间传播，适合于远距离的站点气体传感检测。进一步地，本发明的分布式光纤气体传感器可以用光纤将多个气体检测装置和包括激光源、解调装置、光电检测器的主机部分进行连接，多个气体检测装置分布于不同的检测站点，降低成本。
附图说明
图1是本发明的分布式光纤传感器的第一种实施方式的结构示意图。
图2是本发明的分布式光纤传感器的第二种实施方式的结构示意图。
图3是本发明的分布式光纤传感器的第三种实施方式的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参见图1所示，在本发明的一个较佳实施方式中，分布式光纤气体传感器包括：主机部分1、气体检测装置2、光环形器3和光纤4，其中，主机部分1包括：解调装置1-1、激光源1-2、光电检测器1-3、显示装置和报警装置，激光源1-2具有温度控制装置，其用于在温度控制装置的配合下发射被待测气体高度吸收的预选波长的激光束；光环形器3和气体检测装置2沿着激光发射方向依次设置。激光源1-2发出的激光的波长可以经温度控制装置调制，使得激光的波长覆盖待测气体吸收谱，预设波长视需要检测的气体而定。
激光源1-2和光环形器3通过光纤4连接，光环形器3和气体检测装置2通过光纤4连接；气体检测装置2包括：光纤温度传感器2-1、光纤压力传感器2-2和气体吸收池2-3，光纤温度传感器2-1、光纤压力传感器2-2和气体吸收池2-3沿着激光出射方向通过光分路器2-5依次并联设置。
气体吸收池2-3用于为待测气体提供吸收容积，所述气体吸收池2-3内设有全反射镜，激光源1-2的发射激光进入气体吸收池2-3被待测气体吸收后经全反射镜逆向反射；光电检测器1-3通过光纤4与光环形器3连接，光电检测器1-3用于在预设波长下检测被全反镜逆向反射的反射激光，光电检测器1-3将光信号转换为电信号。在气体吸收池2-3内，发射激光空间传输并经过反射镜又返回光纤4内，如果气体吸收池2-3内存在有待测气体，则具有预设波长的发射激光被待测气体吸收一部分，吸收的多少可以反映出待测气体的浓度。
光环形器3实现激光正向通过时正常传输，激光反向通过时从另一根光纤4传出到达光电检测器1-3。
光分路器2-5实现对发射激光能量按一定比例分配，实际使用时通过挑选不同比例的光分路器2-5，实现到达气体吸收池2-3的发射激光能量不低于最小值。发射激光经过光纤4和光环形器3向外传输，到达气体检测装置2时，光分路器2-5将该激光分成两部分，一部分传向光纤温度传感器2-1，一部分继续传输，经过第2个光分路器2-5，一部分传向光纤压力传感器2-2，一部分继续传输，经过第3个光分路器2-5，一部分传向气体吸收池2-3。
解调装置1-1通过比较在预设波长下检测的反射激光的光功率与激光源1-2的发射激光的光功率来计算光衰减并根据计算的光衰减来直接或间接地确定所述气体吸收池中待测气体的浓度、以及通过计算反射激光的接收时间与发射激光的发射时间的差来直接或间接地确定发射激光的传播距离。
光纤温度传感器2-1耦接至光纤4并向所述解调装置1-1提供光纤4的温度信号以使解调装置1-1根据光纤4的温度变化来校正光衰减。光纤压力传感器2-2耦接至光纤4并向解调装置1-1提供光纤4的压力信号以使解调装置1-1根据光纤4的压力变化来校正光衰减。
上述的气体传感器还包括一显示装置和一报警装置，报警用于在待测气体浓度超过预设值时发出报警。
请参见图2所示，在本发明的另一个较佳实施方式中，与第一个实施方式不同的是，该气体传感器包括两个激光源1-2，分别发射被第一待测气体高度吸收的第一预选波长的激光束、和被第二待测气体高度吸收的第二预选波长的激光束；气体检测装置2具有两个气体吸收池，分别用于为第一待测气体和第二待测气体提供吸收容积。
其中，光纤温度传感器2-1、光纤压力传感器2-2、第一个气体吸收池2-3和第二个气体吸收池2-4沿着激光出射方向通过光分路器2-5依次并联设置。发射激光经过光纤4和光环形器3向外传输，到达气体检测装置2时，光分路器2-5将该激光分成两部分，一部分传向光纤温度传感器2-1，一部分继续传输，经过第2个光分路器2-5，一部分传向光纤压力传感器2-2，一部分继续传输，经过第3个光分路器2-5，一部分传向气体吸收池2-3，一部分继续传输，经过第4个光分路器2-5，一部分传向气体吸收池2-4。
在本实施方式中，第一待测气体为甲烷，第二待测气体为水汽，第一预设波长为1563.7nm，第二预设波长为1392nm。本实施方式中，可以同时对两种气体进行检测，共用同一套传输光纤4。
如图3所示，在本发明的第三种实施方式中，与第二个实施方式不同的是，分布式光纤气体传感器包括多个气体检测装置2，多个气体检测装置2通过光纤沿着激光发射方向依次串联设置。本实施方式中，多个气体检测装置2可以沿着检测站点依次延伸，主机部分1的解调装置1-1根据发射激光的传播距离对站点进行判断，当报警装置产生报警时及时判断是哪个站点的气体超标，实现了多个气体检测装置2共用一个主机部分1，无需为每个站点都配置主机部分1，也有利于统一管理。用信号调制电流（锯齿波叠加正弦波）驱动激光源1-2，发出的调制激光经过光纤4和光环形器3向外传输，到达第一个气体检测装置2时，光分路器2-5将光分成两部分，一部分传向光纤温度传感器2-1，一部分继续传输，经过第2个光分路器2-5，一部分传向光纤压力传感器2-2，一部分继续传输，经过第3个光分路器2-5，一部分传向气体吸收池2-3，一部分继续传输，经过第4个光分路器2-5，一部分传向气体吸收池2-4，一部分继续传输，进入下一个气体检测装置2。
进一步地，以上的三个实施方式中，气体吸收池内部通过安装全反射镜实现单根光纤的激光进和出，内部空间对气体开放，实现气体快速扩散进内部，与激光光束发生作用，同时内部通过镀膜和喷砂处理，解决水气凝结和内部反射光的影响。激光源为具有芯片的激光器，温度控制装置为与芯片连接的一温度控制电路。光纤4的链路为单模光纤，实现激光的远距离传输。光纤温度传感器2-1可以利用光纤光栅制作。光纤压力传感器2-2可以利用光纤光栅制作。
本发明实施例提出的基于TDLAS（可调谐半导体激光吸收光谱）技术和OTDRM（光时域反射）技术的分布式光纤气体传感器的实现方法，大大降低了多点测试的成本，且施工简单，易于维护。OTDR技术是通过发射光脉冲到光纤内，然后在OTDR端口接收返回的信息来进行测量。当光脉冲在光纤内传输时，会由于光纤本身的性质、连接器、接合点、弯曲或其它类似的事件而产生散射、反射。其中一部分的散射和反射就会返回到OTDR中。返回的有用信息由OTDR的探测器来测量，它们就作为光纤内不同位置上的时间或曲线片断。利用这种技术可以用来判断分布式测量光纤上的每个测量点。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种分布式光纤气体传感器，用于检测待测气体，其特征在于，所述气体传感器包括：
具有温度控制装置的激光源，用于在温度控制装置的配合下发射被所述待测气体高度吸收的预选波长的激光束；
沿着激光发射方向依次设置的光环形器和气体检测装置，激光源和光环形器通过光纤连接，光环形器和气体检测装置通过光纤连接；所述气体检测装置包括用于为所述待测气体提供吸收容积的气体吸收池，所述气体吸收池内设有全反射镜，激光源的发射激光进入气体吸收池被待测气体吸收后经全反射镜逆向反射；
通过光纤与所述光环形器连接的光电检测器，用于在预设波长下检测被全反镜逆向反射的反射激光；以及
解调装置，所述解调装置通过比较在预设波长下检测的反射激光的光功率与激光源的发射激光的光功率来计算光衰减并根据计算的光衰减来直接或间接地确定所述气体吸收池中待测气体的浓度、以及通过计算反射激光的接收时间与发射激光的发射时间的差来直接或间接地确定发射激光的传播距离。
2.根据权利要求1所述的分布式光纤气体传感器，其特征在于，所述气体检测装置还包括光纤温度传感器，所述光纤温度传感器耦接至光纤并向所述解调装置提供所述光纤的温度信号以使所述解调装置根据所述光纤的温度变化来校正光衰减。
3.根据权利要求2所述的分布式光纤气体传感器，其特征在于，所述气体检测装置还包括光纤压力传感器，所述光纤压力传感器耦接至光纤并向所述解调装置提供所述光纤的压力信号以使所述解调装置根据所述光纤的压力变化来校正光衰减。
4.根据权利要求3所述的分布式光纤气体传感器，其特征在于，所述气体传感器包括两个激光源，分别发射被第一待测气体高度吸收的第一预选波长的激光束、和被第二待测气体高度吸收的第二预选波长的激光束；
所述气体检测装置具有两个气体吸收池，分别用于为第一待测气体和第二待测气体提供吸收容积。
5.根据权利要求4所述的分布式光纤气体传感器，其特征在于，所述光纤温度传感器、光纤压力传感器、第一个气体吸收池和第二个气体吸收池沿着激光出射方向通过光分路器依次并联设置。
6.根据权利要求4所述的分布式光纤气体传感器，其特征在于，所述第一待测气体为甲烷，所述第二待测气体为水汽，所述第一预设波长为1563.7nm，所述第二预设波长为1392nm。
7.根据权利要求4所述的分布式光纤气体传感器，其特征在于，所述气体传感器还包括一显示装置。
8.根据权利要求4所述的分布式光纤气体传感器，其特征在于，所述气体传感器还包括一报警装置，用于在所述第一待测气体浓度或第二待测气体浓度超过预设值时发出报警。
9.根据权利要求4所述的分布式光纤气体传感器，其特征在于，所述气体传感器包括多个气体检测装置，所述多个气体检测装置通过光纤沿着激光发射方向依次串联设置。
10.根据权利要求1至9任一项所述的分布式光纤气体传感器，其特征在于，所述激光源为具有芯片的激光器，所述温度控制装置与所述芯片连接。
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