CN108896101B - 一种基于光纤光栅气体传感器阵列的工业废气在线监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于光纤光栅气体传感器阵列的工业废气在线监测系统及方法。所述在线监测系统包括内置激光器的光纤光栅解调仪、光纤耦合器、阵列式光纤光栅传感器和计算机处理器。本发明中的光纤光栅气体传感器基于反射式波长调制原理，波长的变化不受传感系统噪声的影响，仅受被测量参量调制，且可检测百万分之一的轴向应变，因此其抗干扰能力强、测量精度与准确度高，不存在引爆检测现场废气的潜在风险，从而有效解决了传统的工业废气在线监测系统易受电磁干扰、一次性设备安装和维护成本都高的难题，该系统具有容易操作、一次性设备安装和维护成本都低、长期适用的优点。
Description
技术领域
本发明属于工业废气在线监测领域，具体涉及一种基于光纤光栅气体传感器阵列的工业废气在线监测系统及方法。
背景技术
近年来国内空气污染严重，雾霾天气在各地频发。有研究表明：控制挥发性有机化合物(VOCs)的排放是治理雾霾、改善大气环境质量的有效手段之一，因此VOCs逐渐被大众关注。我国城市中的VOCs主要来源于石油化工、电子、喷漆、皮革、印刷等工业企业的固定污染源，大约占人为排放总量的56％。因此，控制固定污染源VOCs排放的前提是对VOCs排放的气体种类、浓度和排放量进行科学准确的监测和评估。在“十三五”规划纲要中我国首次把VOCs纳入约束性指标，环保部还颁布了一系列VOCs监测标准和治理方案，其中上海、天津、深圳等城市要求在线监测。
目前，国内环保领域的气体在线监测仪器主要为气相色谱分析仪，该仪器利用气相色谱柱的分离和柱后火焰离子化检测器(FID)或者光离子化检测器(PID)等检测器对排放气体的种类和浓度进行检测。不足之处是气路系统精细复杂，且必须配套多个气瓶，使得整个装置复杂、沉重且占用较多空间。假如不和昂贵、易损耗的色谱柱配套，则FID和PID都不能获得废气具体成分及其浓度值。而且FID和PID检测器都属于电量测量方法，有引爆检测现场废气的潜在风险。
本发明针对目前工业废气排放在线监测技术难度大、一次性设备投资高、耗材易损且昂贵的问题，提出了一种基于光纤光栅气体传感器阵列的工业废气在线监测系统及方法，实现同时、多点检测多种气体及其浓度。该系统采用光纤光学测量方法，可有效地避免电磁信号干扰，不存在引爆检测现场废气的潜在风险，并且一次性设备投资低、安装简便、长期适用、近无耗材的特点极大地提高了其性价比和集成度，缩减了在线监测系统的体积，同时降低了安装和维护成本。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提供了一种基于光纤光栅气体传感器阵列的工业废气在线监测系统及方法。光纤光栅气体传感器基于反射式波长调制原理，波长的变化不受传感系统噪声的影响，仅受被测量参量调制，因此其抗干扰能力强、测量精度与准确度高。同时，在同一条光纤上刻制多个具有不同光栅栅距的光栅单元，涂覆不同气敏膨胀型高分子膜，利用各种气敏膨胀型高分子膜对不同气体的膨胀形变不同的特性，带动光纤光栅产生不同的轴向应变，导致阵列模式的光纤光栅可得到多个光反射信号，最后通过模式识别技术可实现废气种类及浓度的实时分析。另外，在该光纤光栅阵列中可设置一条温度光纤光栅，对环境温度进行在线监测。
本发明的第一个目的，在于提供一种基于光纤光栅气体传感器阵列的工业废气在线监测系统。
本发明的第二个目的，在于提供基于上述光纤光栅气体传感器阵列的工业废气在线监测方法。
为实现上述目的，具体的，本发明采用以下技术方案：
本发明的第一个方面，提供一种基于光纤光栅气体传感器阵列的工业废气在线监测系统，所述在线监测系统包括内置激光器的光纤光栅解调仪、光纤耦合器、阵列式光纤光栅传感器和计算机处理器；
其中，光纤光栅解调仪内置的激光器发射光信号，所述光信号通过光纤耦合器传输至阵列式光纤光栅传感器，所述阵列式光纤光栅传感器中光纤光栅铺设于工业废气处理设备的废气待测位置处，光信号被光纤光栅反射，反射光经过光纤耦合器进入光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪连接计算机处理器，计算机处理器调用气敏膨胀型高分子膜膨胀数据库，经数据分析后即可输出气体的种类、浓度及检测温度，由此判断是否达到废气排放要求。
优选的，所述光纤光栅解调仪具有多通道并行的解调方案，实现信号快速解调，满足气体检测需要，可以解调气敏膨胀型高分子膜在多组分气体环境下的光栅信号；
优选的，所述光纤耦合器为光纤光栅信号耦合器，具有优良的波长选择能力和多端口的特性，是一种结构紧凑、损耗小、偏振无关的光纤耦合器；
优选的，所述阵列式光纤光栅传感器包括三组光纤光栅：一组温度光纤光栅、一组温度补偿气敏光纤光栅和一组气敏光纤光栅；
所述温度光纤光栅为裸纤，套管封装，管口密封，用来检测实际环境温度；
所述的温度补偿气敏光纤光栅为涂覆气敏膨胀型高分子薄膜的光纤光栅，套管封装，管口密封，在无待测气体影响时实际环境温度下高分子膜的热膨胀量；
所述的气敏光纤光栅为涂覆气敏膨胀型高分子薄膜的光纤光栅，暴露在检测环境中，用来检测在实际环境中气敏膨胀型高分子薄膜的膨胀量；
优选的，阵列式温度光纤光栅、温度补偿气敏光纤光栅以及气敏光纤光栅平行、相邻排列，每个温度光纤光栅单元、温度补偿气敏光纤光栅单元以及气敏光纤光栅单元一一对应，得到阵列式光纤光栅传感器；
优选的，所述光纤光栅的直径为80或125μm；发明人通过研究发现，直径越小的光纤光栅制作的气敏元件对有害气体的检测灵敏度越高，故进一步优选的，所述光纤光栅的直径为80μm；
优选的，所述温度光纤光栅、温度补偿气敏光纤光栅、气敏光纤光栅都包括多个刻制有不同光栅栅距的光栅单元；进一步优选为6-26个光栅单元；
优选的，所述温度补偿气敏光纤光栅与气敏光纤光栅的各个光栅单元涂覆膨胀响应程度不同的气敏膨胀型高分子薄膜，每个光栅单元均是一个独立的传感器单元，一条刻制了多个光栅的光纤可构成光纤光栅阵列；
优选的，所述温度补偿气敏光纤光栅与气敏光纤光栅的对应光栅单元上涂覆气敏高分子膜的种类与涂覆厚度完全相同，在做模式识别处理时把两者反射光信号进行差减，即可得到仅因吸附气体而膨胀的高分子薄膜产生的反射光中心波长偏移量；
优选的，所述气敏膨胀型高分子薄膜包括多种对各种气体敏感度不同的高分子薄膜材料，如对四氯化碳、氯仿、丙酮等气体敏感的聚苯乙烯薄膜；对甲醇、乙醇、异丙醇等气体敏感的聚环氧乙烷薄膜；对苯、甲苯、二甲苯等气体敏感的聚乙烯薄膜；对氯仿、四氯化碳、丙酮等气体敏感的聚氨酯薄膜；对四氢呋喃、乙酸乙酯、氯仿等气体敏感的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜；
优选的，所述的气敏膨胀型高分子薄膜的厚度为10-60μm；
优选的，所述薄膜涂覆方法包括但不限于溶液成膜法、乳液涂覆法、溶液浇铸法，本领域技术人员可根据实际情况针对不同的气敏膨胀型高分子薄膜选择合适的涂覆方法，如对于聚苯乙烯薄膜、聚环氧乙烷薄膜和聚乙烯薄膜，可采用溶液成膜法；对于聚氨酯薄膜，可直接采用乳液涂覆法；对于聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，可采用溶液浇铸法；相较于无机材料成膜，高分子材料成膜的工艺简单、条件温和。
优选的，所述计算机处理器包括光纤光栅信号解析模块、气敏膨胀型高分子膜膨胀数据库模块和显示输出模块；
其中，
所述光纤光栅信号解析模块，用于解析光纤光栅解调仪解调的电信号；
所述气敏膨胀型高分子膜膨胀数据库模块，用于存储气敏膨胀型高分子膜膨胀数据；
所述显示输出模块，用于气体种类、浓度及温度的显示；
优选的，所述激光光源、光纤耦合器、光纤光栅传感器均通过光纤连接，所述光纤光栅解调仪和光纤耦合器通过光纤连接，传输信号为光信号，光纤光栅解调仪和计算机处理器通过数据线连接，传输信号为数字信号。
本发明的第二个方面，提供一种基于光纤光栅气体传感器阵列的工业废气在线监测方法，包括以下步骤：
S1.选择光纤刻制光栅，每条光纤刻制多个光栅单元，并对每个光栅单元编号，引线从传感器引出，形成光纤光栅串，并对光栅的温度系数标定；
S2.选择三条光纤光栅串组建光纤光栅组，一组光纤光栅用于检测温度，标记为T，一组光纤光栅检测热膨胀量，标记为S，一组光纤光栅检测总膨胀量，标记为L，标记S与L的光纤在位置相同的光栅区涂覆相同厚度的相同种类气敏膨胀型高分子膜，标记T与S的光栅用套管封装，管口密封；
S3.在工业废气处理设备的气体待检处铺设三组光纤光栅，构成阵列式光纤光栅传感器；
S4.将阵列式光纤光栅传感器引线连接光纤耦合器的对应端口，光纤耦合器通过光纤接入光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪通过数据线连接计算机处理器，计算机处理器解析光纤光栅解调仪采集的信号，调用气敏膨胀型高分子膜膨胀数据库，求解环境温度、气体的种类与浓度。
优选的，
所述步骤S1中，
光纤光栅传感器采用细径光纤(光纤光栅直径优选为80μm)，光纤刻有多个具有不同光栅栅距的光栅单元，光栅单元的栅距从一侧到另一侧逐渐增加，进一步优选的，光栅单元按照等长度、等间距刻制；
所述步骤S2中，
所述光纤光栅组是由一组温度检测光栅T、一组热膨胀量检测光栅S以及一组总膨胀量检测光栅L组成的，三组光纤光栅平行，保证温度光纤的光栅单元Tki、温度补偿气敏光纤的光栅单元Ski、气敏光纤的光栅单元Lki位置对应。
所述步骤S3中，
所述光纤光栅组的铺设方向与气体排放方向保持相同，组成三矩阵光纤光栅传感器，温度光栅构成温度矩阵T[1×n]，温度补偿气敏光栅构成温补矩阵S[1×n]，气敏光栅构成气敏矩阵L[1×n]。
所述步骤S4中，求解环境温度的过程为：
在光纤光栅组中，对温度光栅标定，由标定后温度光栅反射光的中心波长和温度的拟合关系，可得环境温度：
T＝(λT-λBT)/kT1+TBT
其中，T为环境温度，λT为温度光栅在环境温度T时的中心波长，λBT为温度光栅在标定温度TBT情况下的中心波长，kT1为温度光栅的温度系数；
所述步骤S4中，只因气体膨胀导致的光纤光栅反射光的中心波长变化的计算如下：
对于光纤布拉格光栅，由应力引起的布拉格中心波长变化可以表示为：
其中，ΔλB2为温补气敏光纤光栅在气体环境中的中心波长改变量，ΔλB3为气敏光纤光栅在气体环境中的中心波长改变量，Kε1为温补气敏光纤光栅的应变灵敏度，Kε2为气敏光纤光栅的应变灵敏度，εZ1为温补气敏光纤光栅的轴向应变量，εZ2为气敏光纤光栅的轴向应变量，为温补气敏光纤光栅的次级应变灵敏度，为气敏光纤光栅的次级应变灵敏度。
当忽略二阶灵敏度时，应变量与光纤光栅的中心波长近似成线性关系：
ΔλB2＝Kε1·εZ1·λB2＝Kε1·εT·λB2
ΔλB3＝Kε2·εZ2·λB3＝Kε2·(εF+εT)·λB3
其中，εT为高分子膜热膨胀引起的光纤光栅轴向应变量，εF为高分子膜吸附气体发生膨胀引起的光纤光栅轴向应变量：
εT＝α·L·ΔT
其中，α为高分子膜热膨胀引起的光纤光栅的线膨胀系数，L为高分子膜长度，ΔT为温度变化量；
所得只因气体膨胀导致的光纤光栅反射光的中心波长变化为：
ΔλB＝ΔλB3-ΔλB2＝Kε2·(εF+εT)·λB3-Kε1·εT·λB2
由此调用高分子膜膨胀量与气体种类及浓度的关系数据库，经数据分析即可得气体种类与浓度。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明提供了一种工业废气在线监测系统及方法，解决了传统的工业废气在线监测系统易受电磁干扰、一次性设备安装和维护成本都高的难题，该系统具有容易操作、一次性设备安装和维护成本都低、长期适用的优点；
(2)本发明采用光纤光栅气体传感器，即采用气敏膨胀型高分子膜带动光纤光栅产生轴向应变，改变反射光的中心波长，通过对反射光中心波长的改变进行计算得到气体种类与浓度。
(3)本发明中的光纤光栅气体传感器基于反射式波长调制原理，波长的变化不受传感系统噪声的影响，仅受被测量参量调制，且可检测百万分之一的轴向应变，因此其抗干扰能力强、测量精度与准确度高，不存在引爆检测现场废气的潜在风险。
附图说明
图1为一种基于光纤光栅气体传感器阵列的工业废气在线监测系统示意图。
图2为一种光纤光栅气体传感器阵列的示意图。
其中包括：温度光纤光栅T、温度补偿气敏光纤光栅S、气敏光纤光栅L。
图3为工业废气在线监测系统的数据处理流程图。
图4为一种复合气敏膨胀型高分子膜的光纤光栅气敏元件的结构剖分示意图。
其中，1-光纤，2-气敏膨胀型高分子膜，3-光栅区，4-保护膜。
图5为当光纤光栅伸长率为0.001％时气敏膨胀型聚氨酯高分子膜的模量与其理论伸长率的关系曲线。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
结合具体实例对本发明作进一步的说明，以下实例仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。如果实施例中未注明的实验具体条件，通常按照常规条件，或按照销售公司所推荐的条件；在本发明没有特别限定，均可通过商业途径购买得到。
本发明的一个具体实施方式中，提供一种基于光纤光栅气体传感器阵列的工业废气在线监测系统，如图1所示，所述在线监测系统包括光纤光栅解调仪、光纤耦合器、计算机处理器和阵列式光纤光栅传感器。其中，光源发出光信号，光信号通过一个光纤耦合器传输到阵列式光纤光栅传感器，阵列式光纤光栅传感器铺设于工业废气处理设备的排放出口、入口和中间的某些位置处，光信号经光纤光栅反射后，反射光经过光纤耦合器进入光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪连接计算机处理器，计算机处理器调用气敏膨胀型高分子膜膨胀数据库，经数据分析后即可输出气体的种类、浓度及检测温度，由此判断是否达到废气排放要求。
本发明的又一具体实施方式中，所述计算机处理器包括光纤光栅信号解析模块、气敏膨胀型高分子膜膨胀数据库模块和显示输出模块；
本发明的又一具体实施方式中，所述光纤光栅信号解析模块，用于解析光纤光栅解调仪解调的电信号；
本发明的又一具体实施方式中，所述气敏膨胀型高分子膜膨胀数据库模块，用于存储气敏膨胀型高分子膜膨胀数据；
本发明的又一具体实施方式中，所述显示输出模块，用于气体种类、浓度及温度的显示；
本发明的又一具体实施方式中，如图2所示，阵列式光纤光栅传感器，包括三组光纤光栅：一组为温度光纤光栅T，一组为温度补偿气敏光纤光栅S，一组为气敏光纤光栅L；
所述的温度光纤光栅T为裸光栅，套管封装，管口密封，用来检测温度。
所述的温度补偿气敏光纤光栅S为涂敷了气敏高分子膜的光纤光栅，套管封装，管口密封，用来检测在无气体影响时仅由温度引起的气敏高分子膜的热膨胀量。
所述的气敏光纤光栅L为涂敷了气敏高分子膜的光纤光栅，暴露在检测环境中，用来检测在实际环境中气敏高分子膜的膨胀量。
本发明的又一具体实施方式中，所述的一组温度光纤光栅T、一组温度补偿气敏光纤光栅S以及一组气敏光纤光栅L平行、相邻排列，每个温度光纤光栅单元、温度补偿气敏光纤光栅单元以及气敏光纤光栅单元一一对应，得到阵列式光纤光栅；
本发明的又一具体实施方式中，所述光源内置于光纤光栅解调仪内，产生连续调频激光，激光信号通过引线进入光纤光栅，形成稳定的反射光信号；
本发明的又一具体实施方式中，所述阵列式光纤光栅，优选直径80μm光纤甚至更细径的光纤制作阵列式光纤光栅，更细直径的光栅可以更大程度地提高气体检测的灵敏度；
本发明的又一具体实施方式中，所述阵列式温度光纤、温度补偿气敏光纤、气敏光纤都包括多个刻有不同光栅栅距的光栅单元，优选为6-26个光栅单元，在沿着光纤轴向顺序制造的不同光栅上，温度补偿气敏光纤光栅与气敏光纤光栅单元上涂覆有膨胀响应程度不同的气敏高分子膜，每个光栅单元均是一个独立的传感器单元，一条刻制了多个光栅的光纤可构成光纤光栅串；
本发明的又一具体实施方式中，所述温度补偿气敏光纤光栅串与气敏光纤光栅串在对应的光栅单元上涂覆的高分子膜种类与厚度完全相同，在后期模式识别中两者反射光信号进行差减，即可得到仅因吸附气体而膨胀的高分子膜所致的反射光中心波长的改变量；
图4为涂敷有高分子膜的光纤光栅，所述气敏膨胀型高分子膜包括多种对各种气体敏感度不同的高分子膜材料，如对四氯化碳、氯仿、丙酮等气体敏感的聚苯乙烯薄膜；对甲醇、乙醇、异丙醇等气体敏感的聚环氧乙烷薄膜；对苯、甲苯、二甲苯等气体敏感的聚乙烯薄膜；对氯仿、四氯化碳、丙酮等气体敏感的聚氨酯薄膜；对四氢呋喃、乙酸乙酯、氯仿等气体敏感的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜等；选择不同的气敏膨胀型高分子膜材料，即可制出适用于不同气体环境的气体传感器及其阵列；
本发明的又一具体实施方式中，所述的气敏膨胀型高分子膜的厚度为10-60μm；
本发明的又一具体实施方式中，所述的高分子膜的涂敷工艺包括：对于聚苯乙烯薄膜、聚环氧乙烷薄膜和聚乙烯薄膜，可采用溶液成膜法；对于聚氨酯薄膜，可直接采用乳液涂覆法；对于聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，可采用溶液浇铸法；相较于无机材料成膜，高分子材料成膜的工艺简单、条件温和；
本发明的又一具体实施方式中，所述光纤耦合器为光纤光栅信号耦合器，具有优良的波长选择能力和多端口的特性，是一种结构紧凑、损耗小、偏振无关的光纤耦合器；
本发明的又一具体实施方式中，所述光纤光栅解调仪具有多通道并行的解调方案，实现信号快速解调，满足气体检测需要，可以快速解调气敏膨胀型高分子膜在多组分气体环境下的光栅信号；
本发明的又一具体实施方式中，所述激光光源、光纤耦合器、光纤光栅传感器均通过光纤连接，光纤光栅解调仪和光纤耦合器通过光纤连接，传输信号为光信号，光纤光栅解调仪和计算机处理器通过数据线连接，传输信号为数字信号。
本发明的又一具体实施方式中，提供一种基于光纤光栅气体传感器阵列的工业废气在线监测方法，包括以下步骤：
(1)选择光纤刻制光栅，每条光纤刻制多个光栅单元，并对每个光栅单元编号，引线从传感器引出，形成光纤光栅串，并对光栅的温度系数标定；
(2)选择三条光纤上的光栅串组建光纤光栅组，一组光纤光栅用于检测温度，标记为T，一组光纤光栅检测热膨胀量，标记为S，一组光纤光栅检测总膨胀量，标记为L，标记S与L的光纤在位置相同的光栅区涂覆相同厚度的相同种类的气敏膨胀型高分子膜，标记T与S的光栅用套管封装且管口密封；
(3)在工业废气处理设备的排放出口、入口和中间某些位置气体待检处铺设上述三组光纤光栅，构成阵列式光纤光栅传感器；
(4)将每组光纤光栅传感器的引线连接光纤耦合器的对应端口，光纤耦合器通过光纤接入光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪通过数据线连接计算机处理器，计算机处理器解析光纤光栅解调仪解调的电信号，调用气敏膨胀型高分子膜膨胀数据库，求解环境温度、气体的种类与浓度。
所述步骤(1)中，光纤光栅传感器采用细直径光纤，每条光纤刻有多个具有不同光栅栅距的光栅单元，光栅单元的栅距从一侧到另一侧逐渐增加，光栅单元通常按照等长度、等间距来刻制。
所述步骤(2)中，光纤光栅组是由一组温度检测光栅T、一组热膨胀量检测光栅S以及一组总膨胀量检测光栅L组成的，三组光纤光栅平行，保证温度光纤光栅单元Tki、温度补偿气敏光纤光栅单元Ski、气敏光纤光栅单元Lki位置对应。
所述步骤(3)中，光纤光栅组的铺设方向与气体排放方向保持相同，组成三矩阵光纤光栅传感器，温度光栅构成温度矩阵T[1×n]，温度补偿气敏光栅构成温补矩阵S[1×n]，气敏光栅构成气敏矩阵L[1×n]。
所述步骤(4)中求解环境温度的过程为：
在光纤光栅组中，对温度光栅标定，由标定后温度光栅反射光的中心波长和温度的拟合关系，可得环境温度：
T＝(λT-λBT)/kT1+TBT
其中，T为环境温度，λT为温度光栅在环境温度T时的中心波长，λBT为温度光栅在标定温度TBT情况下的中心波长，kT1为温度光栅的温度系数；
所述步骤(4)中，只因气体膨胀导致的光纤光栅反射光的中心波长变化的计算如下：
对于光纤布拉格光栅，由应力引起的布拉格中心波长变化可以表示为：
其中，ΔλB2为温补气敏光纤光栅在气体环境中的中心波长改变量，ΔλB3为气敏光纤光栅在气体环境中的中心波长改变量，Kε1为温补气敏光纤光栅的应变灵敏度，Kε2为气敏光纤光栅的应变灵敏度，εZ1为温补气敏光纤光栅的轴向应变量，εZ2为气敏光纤光栅的轴向应变量，为温补气敏光纤光栅的次级应变灵敏度，为气敏光纤光栅的次级应变灵敏度。
当忽略二阶灵敏度时，应变量与光纤光栅的中心波长近似成线性关系：
ΔλB2＝Kε1·εZ1·λB2＝Kε1·εT·λB2
ΔλB3＝Kε2·εZ2·λB3＝Kε2·(εF+εT)·λB3
其中，εT为高分子膜热膨胀引起的光纤光栅轴向应变量，εF为高分子膜吸附气体发生膨胀引起的光纤光栅轴向应变量：
εT＝α·L·ΔT
其中，α为高分子膜热膨胀引起的光纤光栅的线膨胀系数，L为高分子膜长度，ΔT为温度变化量；
所得只因气体膨胀导致的光纤光栅反射光的中心波长变化为：
ΔλB＝ΔλB3-ΔλB2＝Kε2·(εF+εT)·λB3-Kε1·εT·λB2
由此调用高分子膜膨胀量与气体种类及浓度的关系数据库，经数据分析即可得气体种类与浓度。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
实施例一：
光纤光栅是一种对应变及温度敏感的传感元件，可实现单根光纤对几十个应变或温度节点的测量，具有精度高、体积小、重量轻、波分复用、寿命长、可靠性高、耐腐蚀、传输距离长等优点，可实现应变、应力、温度等多种参量的测量。因此将光纤光栅传感技术应用于气体在线监测方面，能满足工业废气长期低成本在线监测的特殊要求。在本实施例中选用直径80μm光纤光栅。
本实施例提供一种应用于喷漆车间里丙酮气体浓度变化的在线监测系统及方法。
如图1所示，系统包括：阵列式光纤光栅传感器、光纤耦合器、光纤光栅解调仪、计算机处理器。
阵列式光纤光栅传感器(图2)，包括三组光纤光栅：一组为温度光纤光栅T，一组为温度补偿气敏光纤光栅S，一组为气敏光纤光栅L。温度光纤光栅T为裸光栅，套管封装，管口密封；温度补偿气敏光纤光栅S为涂敷了气敏高分子膜的光纤光栅，套管封装，管口密封；气敏光纤光栅L为涂敷了气敏高分子膜的光纤光栅，暴露在检测环境中。
(1)根据工业废气处理设备的排气口尺寸，选择3条光纤刻制光栅。每条光纤上刻制10个具有不同光栅栅距的光栅单元，编号1-10，每个光栅单元总长度为30mm，其中光栅蚀刻区长度10mm，栅区间隔为20mm，从光纤一端到光纤另一端光栅栅距增加，增量4nm。
(2)选用两条刻制好光栅的光纤，在刻制光栅处采用乳液涂敷法涂敷相同厚度的聚氨酯膜。
(3)三条刻制好光栅的光纤组成光纤光栅组，温度光纤光栅T为裸光栅，外套不锈钢管，管口用硅橡胶密封；温度补偿气敏光纤光栅S为涂敷了聚氨酯膜的光纤光栅，外套不锈钢管，管口用硅橡胶密封；气敏光纤光栅L为涂敷了聚氨酯膜的光纤光栅，暴露在检测环境中。保持三组光纤光栅单元位置对应，引线处用胶带粘接固定。
(4)将光纤光栅组平行、等间距铺置在工业废气处理设备的排气口处。
(5)光纤光栅铺设好后，将光纤光栅引线接入耦合器，耦合器通过传导光纤连接光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪通过USB数据线连接计算机处理器，计算机处理器中有气敏膨胀型高分子膜的膨胀数据库，处理光纤光栅解调仪解调的电信号数据，输出丙酮气体浓度。
工业废气在线监测系统的数据处理流程示于图3。
实施例二：
本实施例分别研究了直径80μm光纤光栅/30μm厚聚氨酯膜、直径125μm光纤光栅/30μm厚聚氨酯膜对丙酮气体的气敏膨胀特性，光纤光栅-聚氨酯膜组合形成同心圆柱体，长度为0.003m。聚氨酯膜的模量通过调控聚氨酯大分子里软链段和硬链段的比例以及纳米填料用量来按需控制。图5是光纤光栅产生0.001％的轴向拉伸应变时聚氨酯膜的弹性模量与理论伸长率的关系曲线。可见，使直径分别为80μm和125μm的光纤光栅产生相同的轴向应变，当聚氨酯膜的模量相同时，直径为125μm的光纤光栅外层包覆的聚氨酯膜需要更大的变形，即光纤光栅的直径越小，轴向变形越容易，对有害气体的检测灵敏度越高。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种基于光纤光栅气体传感器阵列的工业废气在线监测系统，其特征在于，所述在线监测系统包括内置激光器的光纤光栅解调仪、光纤耦合器、阵列式光纤光栅传感器和计算机处理器；
其中，光纤光栅解调仪内置的激光器发射光信号，所述光信号通过光纤耦合器传输至阵列式光纤光栅传感器，所述阵列式光纤光栅传感器中的光纤光栅铺设于工业废气处理设备的废气待测位置处，光信号被光纤光栅反射，反射光经过光纤耦合器进入光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪连接计算机处理器，计算机处理器调用气敏膨胀型高分子膜膨胀数据库，经数据分析后即可输出气体的种类、浓度及检测温度；
所述阵列式光纤光栅传感器包括三组光纤光栅：一组温度光纤光栅、一组温度补偿气敏光纤光栅和一组气敏光纤光栅；
所述温度光纤光栅为裸纤，套管封装，管口密封，用来检测实际环境温度；
所述的温度补偿气敏光纤光栅为涂覆气敏膨胀型高分子薄膜的光纤光栅，套管封装，管口密封，在无待测气体影响时实际环境温度下高分子膜的热膨胀量；
所述的气敏光纤光栅为涂覆气敏膨胀型高分子薄膜的光纤光栅，暴露在检测环境中，用来检测在实际环境中气敏膨胀型高分子薄膜的膨胀量；
阵列式温度光纤光栅、温度补偿气敏光纤光栅以及气敏光纤光栅平行、相邻排列，每个温度光纤光栅单元、温度补偿气敏光纤光栅单元以及气敏光纤光栅单元一一对应，得到阵列式光纤光栅传感器；
所述温度补偿气敏光纤光栅与气敏光纤光栅的对应光栅单元上涂覆气敏高分子膜的种类与涂覆厚度完全相同；
所述气敏膨胀型高分子薄膜为对四氯化碳、氯仿、丙酮敏感的聚苯乙烯薄膜；对甲醇、乙醇、异丙醇气体敏感的聚环氧乙烷薄膜；对苯、甲苯、二甲苯气体敏感的聚乙烯薄膜；对氯仿、四氯化碳、丙酮气体敏感的聚氨酯薄膜或对四氢呋喃、乙酸乙酯、氯仿气体敏感的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜。
2.如权利要求1所述的一种工业废气在线监测系统，其特征在于，所述光纤光栅的直径为80或125μm。
3.如权利要求1所述的一种工业废气在线监测系统，其特征在于，所述光纤光栅的直径为80μm。
4.如权利要求1所述的一种工业废气在线监测系统，其特征在于，
所述温度光纤光栅、温度补偿气敏光纤光栅、气敏光纤光栅都包括多个刻制有不同光栅栅距的光栅单元。
5.如权利要求4所述的一种工业废气在线监测系统，其特征在于，光栅单元为6-26个。
6.如权利要求1所述的一种工业废气在线监测系统，其特征在于，
所述温度补偿气敏光纤光栅与气敏光纤光栅的各个光栅单元涂覆膨胀响应程度不同的气敏膨胀型高分子薄膜，每个光栅单元均是一个独立的传感器单元，一条刻制了多个光栅的光纤可构成光纤光栅阵列。
7.如权利要求1所述的一种工业废气在线监测系统，其特征在于，所述的气敏膨胀型高分子薄膜的厚度为10-60μm。
8.如权利要求1所述的一种工业废气在线监测系统，其特征在于，所述计算机处理器包括光纤光栅信号解析模块、气敏膨胀型高分子膜膨胀数据库模块和显示输出模块；
其中，
所述光纤光栅信号解析模块，用于解析光纤光栅解调仪解调的电信号；
所述气敏膨胀型高分子膜膨胀数据库模块，用于存储气敏膨胀型高分子膜膨胀数据；
所述显示输出模块，用于气体种类、浓度及温度的显示。
9.一种基于光纤光栅气体传感器阵列的工业废气在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.选择光纤刻制光栅，每条光纤刻制多个光栅单元，并对每个光栅单元编号，引线从传感器引出，形成光纤光栅串，并对光栅的温度系数标定；
S2.选择三条光纤光栅串组建光纤光栅组，一组光纤光栅用于检测温度，标记为T，一组光纤光栅检测热膨胀量，标记为S，一组光纤光栅检测总膨胀量，标记为L，标记S与L的光纤在位置相同的光栅区涂覆相同厚度的相同种类气敏膨胀型高分子膜，标记T与S的光栅用套管封装，管口密封；
S3.在工业废气处理设备的气体待检处铺设三组光纤光栅，构成阵列式光纤光栅传感器；
S4.将阵列式光纤光栅传感器引线连接光纤耦合器的对应端口，光纤耦合器通过光纤接入光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪通过数据线连接计算机处理器，计算机处理器解析光纤光栅解调仪采集的信号，调用气敏膨胀型高分子膜膨胀数据库，求解环境温度、气体的种类与浓度。
10.如权利要求9所述的工业废气在线监测方法，其特征在于，所述步骤S1中，光纤光栅串采用细径光纤，光纤刻有多个具有不同光栅栅距的光栅单元，光栅单元的栅距从一侧到另一侧逐渐增加；光栅单元按照等长度、等间距刻制；
所述步骤S2中，所述光纤光栅组是由一组温度检测光栅T、一组热膨胀量检测光栅S以及一组总膨胀量检测光栅L组成的，三组光纤光栅平行，保证温度光纤的光栅单元Tki、温度补偿气敏光纤的光栅单元Ski、气敏光纤的光栅单元Lki位置对应。
11.如权利要求10所述的工业废气在线监测方法，其特征在于，所述步骤S1中，光纤光栅直径为80μm。
12.如权利要求9所述的工业废气在线监测方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述光纤光栅组的铺设方向与气体排放方向保持相同，组成三矩阵光纤光栅传感器，温度光栅构成温度矩阵T[1×n]，温度补偿气敏光栅构成温补矩阵S[1×n]，气敏光栅构成气敏矩阵L[1×n]。
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