CN105987885A - 基于光纤光栅的准分布式气体传感系统 - Google Patents

基于光纤光栅的准分布式气体传感系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于气体光纤传感领，具体公开一种基于光纤光栅的准分布式气体传感系统，该系统利用待测气体的不同吸收峰通过不同波长进行复用，实现了在同一根光纤上多点、多种类气体浓度同时进行在线监测。光纤光栅的刻痕被制作成一系列特定的值，其对于包含待测气体吸收特征波长的窄带光束具有反射特性。光电探测器耦合透镜上分别镀有介质膜，使其对于中心波长为待测气体吸收特征峰的极窄频带具有高透过性。光纤准直器、吸收气室与布拉格光纤光栅串接在同一根光纤中，作为传感单元分布于各个监测传感点。系统结构简洁，集成度高，非常适用于煤矿、石油、化工、钢铁和环境等行业中目标气体的在线监测。

Description

基于光纤光栅的准分布式气体传感系统
技术领域
本发明涉及气体光纤传感领域，是一种基于光纤光栅的准分布式气体现场监测传感器系统。
背景技术：
光纤气体传感器具有防爆、防燃、抗腐蚀、抗电磁干扰、精度高、可靠性好、寿命长、远程传输等特性，有效克服了传统检测技术响应慢、远传受限、传感器频繁标定、传感器寿命短等缺陷。当前光纤气体传感器已开始在煤矿、石油、化工、钢铁、环境等行业得到了应用，显示出广泛的应用前景。光纤气体传感技术中研究和应用最为广泛的是基于光谱吸收原理的气体传感器，该类传感气体利用气体分子振动转动谱中的一条孤立的吸收谱线对气体的吸收进行测量，从而可方便地从混合成分中鉴别出不同的分子，避免其他光谱的干扰。近红外波段与光纤的低损耗窗口匹配，利用光纤及光纤器件可以方便地对光束进行远距离传输。结合调谐二极管激光吸收光谱技术和光纤传感技术就可以实现气体浓度的远程在线实时检测。然而现在光纤气体传感技术一般采用多点方式，难以实现同一根光纤上多点、多种类气体浓度同时进行在线监测的目的。
发明内容
本发明基于光纤光栅技术和激光谱吸收技术提出一种准分布式气体传感器系统，该系统利用待测气体的不同吸收峰波长进行复用，不但实现了在同一根光纤上多点气体浓度同时进行在线监测，而且由于光纤光栅光束反射的滤波效应并结合波分复用器，还可实现多种类气体的同时监测。系统基于红外吸收光谱技术，采用分布反馈激光器作为光源，用准直器组将激光光束耦合进入吸收气室，利用啁啾宽谱光纤光栅作为反射镜，系统结构简洁，集成度高，可有效实现多种类待测气体的多点分布式在线监测，非常适用于煤矿、石油、化工、钢铁以及环境等行业中目标气体的在线监测。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于光纤光栅的准分布式气体传感系统，其特征在于：包括宽带光源、光源控制电路、光纤隔离器、光纤分束器、多个通过光纤串联的传感器单元、波分复用器、光电探测器、光电探测器耦合透镜、数据采集电路以及计算机，所述的每个传感器单元包括气体吸收气室，所述吸收气室的两侧分别连接有光纤准直器，一侧的光纤准直器另一端连接光纤形成串联，另一侧的光纤准直器另一端连接有布拉格光纤光栅形成传感器单元；所述的光源控制电路在计算机的控制下控制宽带光源发射包含多种特定波长的光信号，该光信号经过光纤隔离器达到串联的第一个传感器单元，该传感器单元中的布拉格光纤光栅对包含一种特定波长的窄带光束进行反射，对剩余光信号透射，剩余光信号继续经过光纤传输至下一个传感器单元，该传感器单元中的布拉格光纤光栅对包含另一种特定波长的窄带光束进行反射，对剩余光信号透射，剩余光信号继续经过光纤传输，依次类推，串联的每个传感器单元分别对包含一种特定波长的窄带光束进行反射，反射光都按原来返回，最终经过光纤分束器分束成两路，一路沿着原光路到达光纤隔离器并被光纤隔离器隔离，另一路通过光纤传输到达波分复用器，波分复用器将该光束分成多路光束，每路光束均为含有一特定波长的窄带光束，每路含有一特定波长的窄带光束分别通过相应的光电探测器耦合透镜耦合过滤作用后汇聚到相应光电探测器光敏面表面，产生探测光电流信号，光电流信号被数据采集电路采集，并在计算机中进行存储、显示或进一步处理分析。
所述光信号到达传感器单元时，先通过一侧光纤准直器的准直变成平行光束出射，通过整个吸收气室，之后后经吸收气室另一端的光纤准直器收集汇聚并再次被耦合进入光纤，之后达到布拉格光纤光栅，布拉格光纤光栅对包含一种特定波长的窄带光束进行反射，对剩余光信号透射。
所述通过光纤串联的传感器单元的个数根据准分布式气体中气体种类设置。
所述特定波长是指准分布式气体中所有气体吸收特征峰波长。
根据布拉格光纤光栅理论，当宽波段的光束通过布拉格光纤光栅时，特定刻痕间距的布拉格光纤光栅仅对包含某一特定波长的窄带光束具有反射作用，而对其他波段的光束仍具有良好的透过性，每个传感器单元中的布拉格光纤光栅通过设定特定刻痕间距实现对包含一种特定波长的窄带光束进行反射，对剩余光信号透射，特定刻痕间距的设置根据待检测准分布式气体所有气体吸收特征峰波长进行计算得到。
所述光纤隔离器具有单向通过性，只允许光束向远离光源的方向传播，阻隔了射向光源的光束，起到保护光源的作用。
所述的相应的光电探测器耦合透镜上镀有对于包含特定波长窄带波段高透、对于其它波段高反的介质膜，仅允许含有特定波长的窄带光束可以被耦合并汇聚到光电探测器光敏面上，并且介质膜高透的频带宽度远小于波分复用器各路出射光束的频带宽度。
本系统在工作时由各个光纤光栅反射回来的宽带光束，先后经过波分复用器和光电探测器耦合透镜的滤波，使得接近于特征峰展宽大小的窄带光束被汇聚并作用到光电探测器光敏面的表面，从而引起光电流信号的光能主要集中在气体吸收特征峰附近，保证了传感系统的检测灵敏度。宽带光源控制电路控制光源的温度与输出光强，保证光源输出光束功率的稳定性。数据采集电路一方面对光电探测器施加偏置工作电压，另一方面获取光电探测器的光强模拟电流信号，并将该模拟信号进行模数转换，完成对信号数据的采集，最终将信号数据传入计算机进行存储、显示或进一步的处理与分析。
与现有光纤气体传感系统相比，该基于光纤光栅的准分布式气体传感系统在同一根光纤上可对多点处、多种类气体进行同时在线监测，系统结构简洁，集成度高且成本低，具体具有以下优点：
（1）由于气体传感系统采用布拉格光纤光栅，仅对特定波段的光束具有较高的反射率，而对于其它波段的光束具有良好的透过性，同时实现了波长选择和反射两种功能，并且此器件可以直接在光纤上加工制作，实现了在同一根光纤上多点、多种类气体浓度同时进行在线监测，传感系统结构简洁、集成度高且成本低；
（2）由于气体吸收光程的长度至少是吸收气室长度的两倍，且对于远离宽带光源的布拉格光纤光栅，其反射波段的光束经过更长的吸收光程，因此气体吸收光程较长，提高了气体检测灵敏度；
（3）由于宽带光源的出射光束先后经过布拉格光纤光栅的波长选择、波分复用器的分光以及光电探测器耦合透镜表面所镀介质膜的窄带滤波作用，最终作用到光电探测器光敏面上的光能集中在气体吸收特征峰的附近，进一步提高了气体检测的灵敏度；
（4）由于可根据检测点实际距离分布情况灵活设置各吸收气室之间的间隔，同时可根据待监测气体的种类及其数量设置布拉格光纤光栅的参数及其串接数量，使得该种气体传感系统方案可应用于多种应用场合，具有较强的适用性。
附图说明
图1为基于光纤光栅的准分布式气体传感系统示意图。
图2为布拉格光纤光栅反射光束频带示意图，反射光束以1654nm为中心波长，频带宽度约为10nm。
图3为基于光纤光栅的准分布式气体传感系统光束传播示意图，宽带光源发射包含波长λ1、λ2、λ3与λ4的宽带光束，被包含在该光束当中的中心波长分别为λ1、λ2、λ3与λ4的窄带光束先后被4个不同设定刻痕间距的布拉格光纤光栅反射，通过光纤分束器后传输向波分复用器，并被波分复用器分光并耦合到相应光电探测器的光敏面上。
图4为布拉格光纤光栅反射光束分光、滤波效果示意图，由布拉格光纤光栅反射回来的光束先后经过波分复用器的分光与耦合透镜的滤波，最终出射并作用到光电探测器光敏面上的光束是4路中心波长分别为λ1、λ2、λ3与λ4的极窄频带光束。
图中：1-宽带光源；2-光源控制电路；3-光纤隔离器；4-光纤分束器；5～12-光纤准直器；13～16-吸收气室；17～20-布拉格光纤光栅；21-光纤；22-波分复用器；23～26-光电探测器耦合透镜；27～30-光电探测器；31-数据采集电路；32-计算机。
具体实施：
一种基于光纤光栅的准分布式气体传感系统，其特征在于：包括宽带光源、光源控制电路、光纤隔离器、光纤分束器、多个通过光纤串联的传感器单元、波分复用器、光电探测器、光电探测器耦合透镜、数据采集电路以及计算机，所述的每个传感器单元包括气体吸收气室，所述吸收气室的两侧分别连接有光纤准直器，一侧的光纤准直器另一端连接光纤形成串联，另一侧的光纤准直器另一端连接有布拉格光纤光栅形成传感器单元；所述的光源控制电路在计算机的控制下控制宽带光源发射包含多种特定波长的光信号，该光信号经过光纤隔离器达到第一个传感器单元，该传感器单元中的布拉格光纤光栅对包含一种特定波长的窄带光束进行反射，对剩余光信号透射，剩余光信号继续经过光纤传输至下一个传感器单元，该传感器单元中的布拉格光纤光栅对包含另一种特定波长的窄带光束进行反射，对剩余光信号透射，剩余光信号继续经过光纤传输至下一个传感器单元，依次类推，串联的每个传感器单元分别对包含一种特定波长的窄带光束进行反射，反射光都按原来返回，最终经过光纤分束器分束成两路，一路沿着原光路到达光纤隔离器并被光纤隔离器隔离，另一路通过光纤传输到达波分复用器，波分复用器将该光束分成多路光束，每路光束均为含有一特定波长的窄带光束，每路含有一特定波长的窄带光束通过相应的光电探测器耦合透镜耦合过滤作用后汇聚到相应光电探测器光敏面表面，产生探测光电流信号，光电流信号被数据采集电路采集，并在计算机中进行存储、显示或进一步处理分析。
所述光信号到达传感器单元时，先通过一侧光纤准直器的准直变成平行光束出射，通过整个吸收气室，之后经气室另一侧的光纤准直器收集汇聚并再次被耦合进入光纤，之后达到布拉格光纤光栅，布拉格光纤光栅对包含一种特定波长的窄带光束进行反射，对剩余光信号透射。
根据布拉格光纤光栅理论，当宽波段的光束通过布拉格光纤光栅时，特定刻痕间距的布拉格光纤光栅仅对包含某一特定波长的窄带光束具有反射作用，而对其他波段的光束仍具有良好的透过性，每个传感器单元中的布拉格光纤光栅通过设定特定刻痕间距实现对包含一种特定波长的窄带光束进行反射，对剩余光信号透射，特定刻痕间距的设置根据待检测准分布式气体所有气体吸收特征峰波长进行计算得到。
所述光纤隔离器具有单向通过性，只允许光束向远离光源的方向传播，阻隔了射向光源的光束，起到保护光源的作用。
所述的相应的光电探测器耦合透镜上镀有对于包含特定波长窄带波段高透、对于其它波段高反的介质膜，仅允许含有特定波长的窄带光束可以被耦合并汇聚到光电探测器光敏面上，并且介质膜高透的频带宽度远小于波分复用器各路出射光束的频带宽度。
所述通过光纤串联的传感器单元的个数根据准分布式气体中气体种类设置。
所述特定波长是指准分布式气体所有气体吸收特征峰波长。
本实施例以可以同时监测四种气体基于光纤光栅的准分布式气体传感系统为例，所述的四种气体分别为一氧化碳（CO）、甲烷（C2H6）、乙烯（C2H4）和乙炔（C2H2），选择四种气体的吸收特征峰波长分别为：1566nm、1654nm、1621nm和1529nm。如图1所示，该系统由宽带光源1、光源控制电路2、光纤隔离器3、光纤分束器4、光纤准直器5～12、吸收气室组13～16、布拉格光纤光栅17～20、光纤21、波分复用器22、光电探测器耦合透镜23～26、光电探测器27～30、数据采集电路31以及计算机32构成。其中布拉格光纤光栅17对波长λ1=1566nm的窄带光束具有反射效应，对于其它波段的光束具有良好的透过性；布拉格光纤光栅18对波长λ2=1654nm的窄带光束具有反射效应，对于其它波段的光束具有良好的透过性；布拉格光纤光栅19对波长λ3=1621nm的窄带光束具有反射效应，对于其它波段的光束具有良好的透过性；布拉格光纤光栅20对波长λ4=1529nm的窄带光束具有反射效应，对于其它波段的光束具有良好的透过性。上述布拉格光纤光栅所反射的频带宽度约为10nm，例如布拉格光纤光栅18反射的在1654nm附近的频带如图2所示，其反射的波段范围为1649nm～1659nm。
由宽带光源1在光源控制电路2的控制下发射出的宽频带光束包含有上述四种待测气体的特征吸收峰波长λ1、λ2、λ3与λ4。宽带光束在光纤内向着远离光源的方向传播，经过光纤隔离器3与光纤分束器4传播到光纤准直器5处。如图3所示，宽带光束经光纤准直器5准直后出射并通过吸收气室13，然后经过吸收气室13内的气体吸收后的准直光束被光纤准直器6收集并再次被耦合进入光纤。光束继续在光纤内传播，当到达布拉格光纤光栅17时，中心波长为λ1=1566nm，频带宽度10nm的窄带光束被反射回去，而包含波长λ2、λ3与λ4波段的光束透过布拉格光纤光栅17后得以继续沿着光纤传播。透射的光束传播到光纤准直器7处被准直后出射并通过吸收气室14，然后经过吸收气室14内的气体吸收后的准直光束被光纤准直器8收集并再次被耦合进入光纤。光束继续在光纤内传播，当到达布拉格光纤光栅18时，中心波长为λ2=1654nm，频带宽度10nm的窄带光束被反射回去，而包含波长λ3与λ4波段的光束透过布拉格光纤光栅18后得以继续沿着光纤传播。类似于上述过程，包含波长λ3与λ4波段的光束将经过吸收气室15内的气体吸收并由布拉格光纤光栅19反射回中心波长为λ3=1621nm，频带宽度10nm的窄带光束，包含波长λ4波段的光束经过吸收气室16内的气体吸收后并由布拉格光纤光栅20反射回中心波长为λ4=1529nm，频带宽度10nm的窄带光束。频带宽度为10nm，中心波长分别为1566nm、1654nm、1621nm以及1529nm的窄带光束经过光纤分束器4后分为两路。一路向着光源方向传播，最终被隔离器阻隔。另一路通过光纤传输到波分复用器22，并被波分复用器22再次分成4路光束，每一路光束分别为中心波长是1566nm、1654nm、1621nm以及1529nm的窄带光束，且它们的频带范围小于10nm。每一路光束再分别经过光电探测器耦合透镜23、24、25和26的收集会聚，最终分别作用到光电探测器27、28、29和30的光敏面上引起光电流。如图1所示，光电流模拟信号经过数据采集电路31的模数转换、滤波去噪等初步处理后被传送给计算机32，用于数据的进一步分析、存储以及显示等。由于光电探测器耦合透镜23、24、25和26上分别镀有对中心波长分别为1566nm、1654nm、1621nm和1529nm的很窄频带内高透而对于其它波段内高反的介质膜，使得由布拉格光纤光栅反射回来的光束先后经过波分复用器的分光以及耦合透镜的滤波，最终分别作用到光电探测器27、28、29和30的光敏面上的光束具有极窄的频带，仅为几十个皮米，有效提高了对上述4种气体检测的灵敏度。4种带宽为10nm的光束分别经过波分复用器的分光与表面镀膜光电探测器耦合透镜的滤波后，最终出射光束的频带效果示意图如图4所示。

Claims (7)

1.一种基于光纤光栅的准分布式气体传感系统，其特征在于：包括宽带光源、光源控制电路、光纤隔离器、光纤分束器、多个通过光纤串联的传感器单元、波分复用器、光电探测器、光电探测器耦合透镜、数据采集电路以及计算机，所述的每个传感器单元包括气体吸收气室，所述吸收气室的两侧分别连接有光纤准直器，一侧的光纤准直器另一端连接光纤形成串联，另一侧的光纤准直器另一端连接有布拉格光纤光栅形成传感器单元；所述的光源控制电路在计算机的控制下控制宽带光源发射包含多种特定波长的光信号，该光信号经过光纤隔离器达到第一个传感器单元，该传感器单元中的布拉格光纤光栅对包含一种特定波长的窄带光束进行反射，对剩余光信号透射，剩余光信号继续经过光纤传输至下一个传感器单元，该传感器单元中的布拉格光纤光栅对包含另一种特定波长的窄带光束进行反射，对剩余光信号透射，剩余光信号继续经过光纤传输，依次类推，串联的每个传感器单元分别对包含一种特定波长的窄带光束进行反射，反射光都按原来返回，最终经过光纤分束器分束成两路，一路沿着原光路到达光纤隔离器并被光纤隔离器隔离，另一路通过光纤传输到达波分复用器，波分复用器将该光束分成多路光束，每路光束均为含有一特定波长的窄带光束，每路含有一特定波长的窄带光束分别通过相应的光电探测器耦合透镜耦合过滤作用后汇聚到相应光电探测器光敏面表面，产生探测光电流信号，光电流信号被数据采集电路采集，并在计算机中进行存储、显示或进一步处理分析。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的准分布式气体传感系统，其特征在于：所述光信号到达传感器单元时，先通过一侧光纤准直器的准直变成平行光束出射，在通过整个吸收气室后经气室另一端的光纤准直器收集汇聚并再次被耦合进入光纤，之后达到布拉格光纤光栅，布拉格光纤光栅对包含一种特定波长的窄带光束进行反射，对剩余光信号透射。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的准分布式气体传感系统，其特征在于：所述通过光纤串联的传感器单元的个数根据准分布式气体中气体种类设置。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的准分布式气体传感系统，其特征在于：所述特定波长是指准分布式气体的所有气体吸收特征峰波长。
5.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的准分布式气体传感系统，其特征在于：所述每个传感器单元中的布拉格光纤光栅通过设定特定刻痕间距实现对包含一种特定波长的窄带光束进行反射，对剩余光信号透射，特定刻痕间距的设置根据待检测准分布式气体所有气体吸收特征峰波长进行计算得到。
6.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的准分布式气体传感系统，其特征在于：所述光纤隔离器具有单向通过性，只允许光束向远离光源的方向传播。
7.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的准分布式气体传感系统，其特征在于：所述的相应的光电探测器耦合透镜上镀有对于包含某一特定波长窄带光束高透、对于其它波段光束高反的介质膜。
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