CN111157493A - 一种基于单光子计数的可定位氢气测量方法 - Google Patents

一种基于单光子计数的可定位氢气测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于新能源氢气安全监测技术领域，尤其为一种基于单光子计数的可定位氢气测量方法，包括光纤激光雷达、控制激光束强度变化的声光调制器(AOM)和安装在声光调制器(AOM)输出端的传感光纤，所述声光调制器(AOM)通过环形器注入到所述传感光纤中，所述环形器的输出端安装有用于接收散射光的单光子光电探测器(SPD)；本发明所采用的氢气浓度监测结构可以同时实现多点、多区域的氢气泄漏扩散的检测，具备可定位的功能，采用单光子计数结合锁相放大的探测的方式，检测噪声可达热噪声水平，传感器本身为一根塑料光纤，结构简单，成本低，操作方便，本传感器不带电，本质安全，特别适用于氢气检测的易燃易爆环境中。

Description

一种基于单光子计数的可定位氢气测量方法
技术领域
本发明属于新能源氢气安全监测技术领域，具体涉及一种基于单光子计数的可定位氢气测量方法。
背景技术
我国一次能源产量中，煤炭占70％、石油占8％、天然气占5％、新能源占 17％，中国煤炭资源丰富但油气相对不足的先天禀赋条件，决定了能源生产和消费必须具有中国特色，构成“一大三小”(煤炭大，石油、天然气、新能源小)的中国能源结构行业特点。
氢能是最清洁的新能源，因此发展氢工业，是优化能源结构，全球氢工业发展已初具规模，煤炭地下气化制氢符合我国的国情，具有较大的发展潜力。
中国是全球氢能利用的大国，已形成京津冀、长江三角洲、珠江三角洲、华中、西北、西南、东北等7个氢能产业集群。
氢能成为我国能源消费结构的重要组成部分，依靠新能源等实现国家“能源自主”，实现能源生产基本自给和消费安全，氢气是一种公认的清洁能源，然而，与常规能源相比，氢气有很多不利于安全的属性，它遇火燃烧速度快，范围广，更容易泄漏；产生更高的火焰传播速度，据不完全统计，氢气泄漏是引起航天事故的重要原因之一。
传统的氢气泄漏检测主要采用以下一些技术手段，半导体型氢敏传感器，主要是通过测量电路中阻值的变化，来反应氢气浓度大小，电化学氢敏型传感器，是将待测组分在电极上的催化反应转换成电信号，从而根据电信号的强弱得出氢气含量的一种测量装置，采用电化学原理的氢气传感器检测范围宽，选择性好，灵敏度较高，无需加热，成本相对较低。同时可以实现对泄漏的快速、连续检测。光纤氢泄漏检测系统利用多点光纤传感器系统，与传统半导体、电化学技术相比，光电子传感器具有三优点：①由于光传感器在测试的敏感点无需使用电源，所以不存在因不完善配线引起火花的危险；②传感器都是抗电磁干扰，本质安全，可有效应用于各种媒介中；③光纤是柔性的，体积小重量轻，能耐受极限温度，而且能耐受许多腐蚀性化学品。
公开号为CN205664848U的中国专利提出一种单端反射式长周期光纤光栅传感器，该方案提出的传感器具有探头式结构，结构简单、体积小、灵敏度高，并对温度、折射率、液位等外界物理量敏感，但是其检测范围太小，不适用于对氢气泄漏情况下的浓度监测。
发明内容
为解决上述背景技术中提出的问题。本发明提供了一种基于单光子计数的可定位氢气测量方法，具有同时实现多点、多区域的氢气泄漏扩散浓度的检测，具备可定位的功能特点，可实现氢气浓度低噪声，分布式的测量。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于单光子计数的可定位氢气测量方法，包括光纤激光雷达、控制激光束强度变化的声光调制器 (AOM)和安装在声光调制器(AOM)输出端的传感光纤，所述声光调制器(AOM) 通过环形器注入到所述传感光纤中，所述环形器的输出端安装有用于接收散射光的单光子光电探测器(SPD)。
优选的，所述光纤激光雷达使用窄线宽单频激光器。
优选的，所述单频激光器输出的连续光波经所述声光调制器(AOM)调制转换成脉冲光。
优选的，激光波长在600nm到1600nm之间，根据所述传感光纤直径决定。
优选的，所述传感光纤上镀有用于检测有害气体的敏感膜。
优选的，所述传感光纤上镀有氢气敏感材料，所述氢气敏感材料为Pd/WO3、 Pd/Ag或Pd/Ni。
优选的，所述传感器通过敏感材料Pd/WO3和氢气相互作用，使得在传感区域的瑞利背向散射光强度产生变化。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明所采用的氢气浓度监测结构可以同时实现多点、多区域的氢气泄漏扩散的连续检测，具备可定位的功能,相比于长周期光纤光栅氢气传感器，该技术可复用的传感单元更多，每个传感器的间隔可灵活调整；
2、不同于其他敏感膜型氢气传感器通过敏感膜和材料结合的应变特性变化检测氢气浓度，该方法通过皮秒脉冲光在镀氢气敏感膜位置处，瑞利散射光强的变化情况反应外界氢气浓度的变化，因此可以通过采用光子计数的方式提高检测灵敏度；
3、采用单光子计数结合锁相放大的探测的方式，检测噪声可达热噪声水平，具有很高的检测灵敏度；
4、系统通过注入皮秒激光脉冲，实现厘米级的空间分辨率，从而实现氢气泄漏点准确的定位；
5、Pd/WO3氢气敏感膜，具有较高的选择性，不存在CH4，CO等其他气体的交叉干扰；
6、和传统光纤光栅类氢气传感器相比具有较快的响应速率；
7、传感器本身为一根塑料光纤，结构简单，成本低，操作方便。
8、本传感器不带电，本质安全，特别适用于氢气检测的易燃易爆环境中。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点，本发明不仅针对氢气监测，对一氧化碳，硫化氢等其他有毒有害，易燃易爆气体的浓度，通过镀不同的气体敏感膜，亦可以实现分布式测量。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明的测量原理图；
图2为本发明中传感距离23公里的瑞利散射原始信号图；
图3为本发明中光纤截面图；
图4为本发明中氢气泄漏监测结构图；
图5为本发明中不同浓度下氢气长时间测试的变化情况；
图6为本发明中同一氢气浓度下，传感器检测的重复性情况。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅图1-6，本发明提供以下技术方案：一种基于单光子计数的可定位氢气测量方法，包括光纤激光雷达、控制激光束强度变化的声光调制器(AOM) 和安装在声光调制器(AOM)输出端的传感光纤，声光调制器(AOM)通过环形器注入到传感光纤中，环形器的输出端安装有用于接收散射光的单光子光电探测器(SPD)。
具体的，光纤激光雷达使用窄线宽单频激光器，根据传感距离要求，激光器的线宽可调整。
具体的，单频激光器输出的连续光波经声光调制器(AOM)调制转换成脉冲光。
具体的，激光波长为600nm。
具体的，传感光纤上镀有用于检测一氧化碳的敏感膜，敏感膜材料为氧化铁，氧化铁与一氧化碳发生氧化还原反应。
具体的，传感光纤上镀有氢气敏感的Pt/WO3材料，传感器通过敏感材料 Pd/WO3和氢气相互作用，使得在传感区域的瑞利背向散射光强度产生变化。
实施例2
请参阅图1-6，本发明提供以下技术方案：一种基于单光子计数的可定位氢气测量方法，包括光纤激光雷达、控制激光束强度变化的声光调制器(AOM) 和安装在声光调制器(AOM)输出端的传感光纤，声光调制器(AOM)通过环形器注入到传感光纤中，环形器的输出端安装有用于接收散射光的单光子光电探测器(SPD)。
具体的，光纤激光雷达使用窄线宽单频激光器。
具体的，单频激光器输出的连续光波经声光调制器(AOM)调制转换成脉冲光。
具体的，激光波长为1600nm。
具体的，传感光纤上镀有用于检测硫化氢的敏感膜，敏感膜为金属氧化物。
具体的，传感光纤上镀有氢气敏感的Pd/Ag材料。
实施例3
请参阅图1-6，本发明提供以下技术方案：一种基于单光子计数的可定位氢气测量方法，包括光纤激光雷达、控制激光束强度变化的声光调制器(AOM) 和安装在声光调制器(AOM)输出端的传感光纤，声光调制器(AOM)通过环形器注入到传感光纤中，环形器的输出端安装有用于接收散射光的单光子光电探测器(SPD)。
具体的，光纤激光雷达使用窄线宽单频激光器。
具体的，单频激光器输出的连续光波经声光调制器(AOM)调制转换成脉冲光。
具体的，激光波长为1100nm。
具体的，传感光纤上镀有用于检测氯气的敏感膜，敏感膜为碘化钾。
具体的，传感光纤上镀有氢气敏感的Pd/Ni材料。
本发明的工作原理及使用流程：单光子光纤分布式传感器结构如图1所示，连续单频激光器输出的连续光波经声光调制器(AOM)调制转换成脉冲光，激光波长在600nm到1600nm之间，根据所选用的光纤决定，激光通过环形器注入到传感光纤中，脉冲光在沿光纤正向传播过程中，由于光纤中不均匀的介质分布，会产生后向瑞利散射光，散射光沿传感光纤逆向传播经环形器由光电探测器(SPD)接收，由采集卡采集光强信号，再交由上位机进一步处理；
和传统的OTDR检测方式相比，单光子计数方式可以达到很高的探测信噪比，因此用脉冲能量较弱的ps光脉冲，仍然可以得到较好的探测灵敏度。探测系统的等效噪声宽度可表示为：
Figure BDA0002227099090000061
Pdc是和采样时间内噪声水平的概率函数，h是普朗克常数，v是输入光频率。
光纤激光雷达使用单频激光器以实现脉宽范围内后向瑞利散射光，当沿光纤线路上某处和镀有氢气敏感材料的部分进行反应时，对应位置处的光纤散射光强度就会发生变化，经单光子探测器光电转化，放大处理，将前后时刻瑞利信号曲线进行差值运算，差分曲线上干涉光强信号发生变化的位置，则对应扰动发生的位置。
如图1所示，SR400光子计数器，将单光子探测器探测的信号进行时间累加计数，得到一定信噪比的待测信号，波形发生器产生的参考信号和SPAD探测的待测信号进入锁相放大器，进行相位锁定，将低频信号噪声滤除，可以实现微弱信号的探测。
DG645产生一定周期的频率信号波，对激光器，频率发生器和单光子探测器进行时序控制，保证整个系统在相同时间周期下工作。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (6)

1.一种基于单光子计数的可定位氢气测量方法，其特征在于：包括光纤激光雷达、控制激光束强度变化的声光调制器(AOM)和安装在声光调制器(AOM)输出端的传感光纤，所述声光调制器(AOM)通过环形器注入到所述传感光纤中，所述环形器的输出端安装有用于接收散射光的单光子光电探测器(SPD)。
2.根据权利要求1所述的一种基于单光子计数的可定位氢气测量方法，其特征在于：所述光纤激光雷达使用窄线宽单频激光器。
3.根据权利要求2所述的一种基于单光子计数的可定位氢气测量方法，其特征在于：所述单频激光器输出的连续光波经所述声光调制器(AOM)调制转换成脉冲光。
4.根据权利要求1所述的一种基于单光子计数的可定位氢气测量方法，其特征在于：激光波长在600nm到1600nm之间，根据所述传感光纤直径决定。
5.根据权利要求1所述的一种基于单光子计数的可定位氢气测量方法，其特征在于：所述传感光纤上镀有用于检测有害气体的敏感膜。
6.根据权利要求1所述的一种基于单光子计数的可定位氢气测量方法，其特征在于：所述传感光纤上镀有氢气敏感材料，所述氢气敏感材料为Pd/WO3、Pd/Ag或Pd/Ni。
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