CN112161950A - 甲烷浓度分布式光纤检测系统 - Google Patents

甲烷浓度分布式光纤检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种甲烷浓度分布式光纤检测系统，用于对n个气室进行甲烷检测，包括：激光器；隔离器；n‑1个耦合器，该n‑1个耦合器中的第一个与隔离器连接，n‑1个耦合器中的第一个至第n‑2个一一对应与n个气室中的第一个至第n‑2个连接，第n‑1个同时与n个气室中的第n‑1个和第n个连接；n‑1条光纤延迟线，n‑1条光纤延迟线中的第一条到第n‑2条用于n‑1个耦合器之间连接，第n‑1条用于第n‑1耦合器与第n气室之间连接；光点探测器，与第一耦合器连接，用于接收气室反射后的脉冲光，对应得到n条检测脉冲；采集处理模块，与光电探测器连接，用于根据检测脉冲的时间位置得到对应的气室的空间位置，并根据检测脉冲的吸收特征反演出对应气室内的甲烷气体浓度信息。

Description

甲烷浓度分布式光纤检测系统
技术领域
本发明涉及一种甲烷检测系统，具体涉及一种甲烷浓度分布式光纤检测系统。
背景技术
甲烷气体属于易燃易爆气体，常压下，爆炸极限为5％-15％，因此必须对其浓度进行可靠检测。相关技术种类繁多，其中利用气体的对光谱的选择性吸收特性，通过检测吸收量，进行浓度检测，具有气体选择性强、灵敏度高、抗干扰、可用于易燃易爆等特殊环境的特点，成为近些年来研究的热点。特别随着半导体激光技术的发展，使用TDLAS技术，各种微型化、低成本、实用性强的甲烷检测系统已经商用化，相关产品已经为煤矿瓦斯泄漏、天然气巡检等场合提供了更好的检测仪器。随之，研究者开展了基于TDLAS的多点检测技术研究，然而大多技术方案都是通过光开关、分路器等将单点传感器组成星型拓扑结构实现多路检测，在需要长距离、大范围管线型检测时，星型的拓扑结构实施受限，影响了检测效果。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种甲烷浓度分布式光纤检测系统。
本发明提供了一种甲烷浓度分布式光纤检测系统，用于对n个气室进行甲烷检测，具有这样的特征，包括：激光器，用于发出脉冲光；隔离器，与激光器连接；n-1个耦合器，该n-1个耦合器中的第一个与隔离器连接，n-1个耦合器中的第一个至第n-2个一一对应与n个气室中的第一个至第n-2个连接，n-1个耦合器中的第n-1个同时与n个气室中的第n-1个和第n个连接；n-1条光纤延迟线，用于进行脉冲光的传输，n-1条光纤延迟线中的第一条到第n-2条用于n-1个耦合器之间两两进行连接，n-1条光纤延迟线中的第n-1条用于第n-1耦合器与第n气室之间进行连接；光点探测器，与第一耦合器连接，用于接收经过n个气室反射后的脉冲光，对应得到n条检测脉冲；采集处理模块，与光电探测器连接，用于根据检测脉冲的时间位置得到检测脉冲对应的气室的空间位置，并根据检测脉冲的吸收特征反演出对应气室内的甲烷气体浓度信息，其中，n≥3，n-1个耦合器之间通过n-2条光纤延迟线连接，n-2个耦合器与n-2个气室一一连接，且第n-1个耦合器与第n-1气室连接的同时通过第n-1条光纤延迟线与第n气室连接，使得相邻气室之间均设有一条光纤延迟线进行脉冲光的延时传输，n-1个耦合器、n-1条光纤延迟线以及n个气室组成共线分段光纤延迟线结构，该共线分段光纤延迟线结构使n条检测脉冲依次不重叠的被光电探测器检测，检测脉冲的接收时间间隔为相邻气室间的光纤延迟线引起的延时的2倍。
在本发明提供的甲烷浓度分布式光纤检测系统中，还可以具有这样的特征：其中，光纤延迟线为单模光纤或多模光纤。
在本发明提供的甲烷浓度分布式光纤检测系统中，还可以具有这样的特征：其中，甲烷浓度分布式光纤检测系统整体的拓扑结构为线型。
在本发明提供的甲烷浓度分布式光纤检测系统中，还可以具有这样的特征：其中，第一气室的甲烷检测光路为激光器发出的脉冲光经过隔离器后经过第一耦合器进行分光，分光后一路到达第一气室，经过反射后回到第一耦合器，并到达光电探测器，形成第一条检测脉冲。
在本发明提供的甲烷浓度分布式光纤检测系统中，还可以具有这样的特征：其中，第二个气室的甲烷检测光路为激光器发出的脉冲光经过隔离器后经过第一耦合器进行分光，分光后一路到达第一气室，另一路经过第一光纤延迟线到达n-1个耦合器中的第二个后进入n个气室中的第二个，经过反射后回到第二耦合器，并经过第一光纤延迟线和第一耦合器，到达光电探测器，形成第二条检测脉冲。
在本发明提供的甲烷浓度分布式光纤检测系统中，还可以具有这样的特征：其中，第n-2个气室的甲烷检测光路为激光器发出的脉冲光经过隔离器后经过第一耦合器进行分光，分光后一路到达第一气室，另一路依次经过n-3条光纤延迟线与n-3个耦合器后到达第n-2气室，在第n-2气室内经过反射后再按照进入时的光路反向传输，依次经过n-3条光纤延迟线与n-3个耦合器到达第一耦合器并进入光电探测器，形成第n-2条检测脉冲。
在本发明提供的甲烷浓度分布式光纤检测系统中，还可以具有这样的特征：其中，第n-1气室的甲烷检测光路为激光器发出的脉冲光经过隔离器后经过第一耦合器进行分光，分光后一路到达第一气室，另一路依次经过n-2条光纤延迟线与n-2个耦合器后到达第n-1气室，在第n-1气室内经过反射后再按照进入时的光路反向传输，依次经过n-2条光纤延迟线与n-2个耦合器到达第一耦合器并进入光电探测器，形成第n-1条检测脉冲。
在本发明提供的甲烷浓度分布式光纤检测系统中，还可以具有这样的特征：其中，第n气室的甲烷检测光路为激光器发出的脉冲光经过隔离器后经过第一耦合器进行分光，分光后一路到达第一气室，另一路依次经过n-1条光纤延迟线与n-2个耦合器后到达第n气室，在第n气室内经过反射后再按照进入时的光路反向传输，依次经过n-1条光纤延迟线与n-2个耦合器到达第一耦合器并进入光电探测器，形成第n条检测脉冲。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的甲烷浓度分布式光纤检测系统，因为只使用了一个激光器和光电探测器，所以能够保持系统探测的一致性；因为通过n-1个耦合器、n-1条光纤延迟线以及n个气室组成了共线分段光纤延迟线结构，通过共线分段光纤延迟线结构将多个气室的检测脉冲按照延迟设定间隔，得到不同时间位置的检测脉冲，通过检测脉冲能够实现空间浓度的反演和位置信息的提取，并且共线分段光纤延迟线结构使得系统整体具备线型拓扑结构，能够方便进行管线型应用布置，可以使系统广泛应用在由污水、燃气、油气等组成复杂的管线中。
附图说明
图1是本发明的实施例中甲烷浓度分布式光纤检测系统的结构示意图；
图2是本发明的实施例中进行三点检测的甲烷浓度分布式光纤检测系统的结构示意图；
图3是本发明的实施例中气室中未通甲烷时，采集处理模块采集到的检测脉冲波形图；
图4是本发明的实施例中气室中未通甲烷时，采集处理模块采集到的检测脉冲波形图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。
<实施例>
图1是本发明的实施例中甲烷浓度分布式光纤检测系统的结构示意图。
如图1所示，本实施例的甲烷浓度分布式光纤检测系统100，用于对n个气室进行甲烷检测，n≥3，包括激光器1、隔离器2、n-1个耦合器、n-1条光纤延迟线、光点探测器6、采集处理模块7。
甲烷浓度分布式光纤检测系统100整体的拓扑结构为线型。
激光器1用于发出脉冲光。
隔离器2与激光器1连接。
n-1个耦合器，该n-1个耦合器中的第一个与隔离器2连接，n-1个耦合器中的第一个至第n-2个一一对应与n个气室中的第一个至第n-2个连接，n-1个耦合器中的第n-1个同时与n个气室中的第n-1个和第n个连接。
n-1条光纤延迟线，用于进行脉冲光的传输，n-1条光纤延迟线中的第一条到第n-2条用于n-1个耦合器之间两两进行连接，n-1条光纤延迟线中的第n-1条用于第n-1耦合器与第n气室之间进行连接。
光纤延迟线为单模光纤或多模光纤。
光点探测器6与第一耦合器连接，用于接收经过n个气室反射后的脉冲光，对应得到n条检测脉冲。
检测脉冲的接收时间间隔为相邻气室间的光纤延迟线引起的延时的2倍。
采集处理模块7与光电探测器6连接，用于根据检测脉冲的时间位置得到检测脉冲对应的气室的空间位置，并根据检测脉冲的吸收特征反演出对应气室内的甲烷气体浓度信息。
本实施例中，根据检测脉冲的吸收特征反演出对应气室内的甲烷气体浓度信息的原理如下：
当可调谐的激光器的出射光经过气室内的甲烷气体时，甲烷气体会根据吸收光谱选择吸收对应的波长的光，从而改变对应波长出射光的能量。假设激光器发出的光强为I0，通过含有待测气体的气室后，光纤会衰减，输出光强I(v)与输入光强的关系用比尔-兰伯特定律描述，具体为：
I(ν)＝I0(ν)exp[-α(ν)CL] (1)
其中C为待测气体的体积浓度，L为气体经过气室的有效吸收长度，α(ν)为不同波长光的气体吸收。
上式表明，若有效吸收长度L和待测气体在此波长下的吸收α(ν)已知，那么通过检测经过气室和吸收后的光强和激光器初始入射光强，就可以计算出待测气体的浓度信息。
n-1个耦合器之间通过n-2条光纤延迟线连接，n-2个耦合器与n-2个气室一一连接，且第n-1个耦合器与第n-1气室连接的同时通过第n-1条光纤延迟线与第n气室连接，使得相邻气室之间均设有一条光纤延迟线进行脉冲光的延时传输。
本实施例中，如图1所示，图中示有第一耦合器31、第二耦合器32、第n-2耦合器33、第n-1耦合器34，
第一气室41、第二气室42、第n-2气室43、第n-1气室44、第n气室45，
第一光纤延迟线51、第二光纤延迟线52、第n-2光纤延迟线53、第n-1光纤延迟线54，
n-1个耦合器、n-1条光纤延迟线以及n个气室组成共线分段光纤延迟线结构，该共线分段光纤延迟线结构使n条检测脉冲依次不重叠的被光电探测器检测。
第一气室41的甲烷检测光路为激光器1发出的脉冲光经过隔离器2后经过第一耦合器31进行分光，分光后一路到达第一气室41，经过反射后回到第一耦合器31，并到达光电探测器6，形成第一条检测脉冲。
第二气室42的甲烷检测光路为激光器1发出的脉冲光经过隔离器2后经过第一耦合器31进行分光，分光后一路到达第一气室41，另一路经过第一光纤延迟线51到达第二耦合器32后进入第二气室42，经过反射后回到第二耦合器32，并经过第一光纤延迟线51和第一耦合器31，到达光电探测器6，形成第二条检测脉冲。
第n-2气室43的甲烷检测光路为激光器1发出的脉冲光经过隔离器2后经过第一耦合器31进行分光，分光后一路到达第一气室41，另一路依次经过n-3条光纤延迟线与n-3个耦合器，到达第n-2气室43，在第n-2气室43内经过反射后再按照进入时的光路反向传输，依次经过n-3条光纤延迟线与n-3个耦合器到达第一耦合器31并进入光电探测器6，形成第n-2条检测脉冲。
第n-1气室44的甲烷检测光路为激光器1发出的脉冲光经过隔离器2后经过第一耦合器31进行分光，分光后一路到达第一气室41，另一路依次经过n-2条光纤延迟线与n-2个耦合器，最终经过第n-2光纤延迟线53与第n-1耦合器34到达第n-1气室44，在第n-1气室44内经过反射后再按照进入时的光路反向传输，依次经过n-2条光纤延迟线与n-2个耦合器到达第一耦合器31并进入光电探测器6，形成第n-1条检测脉冲。
第n气室45的甲烷检测光路为激光器1发出的脉冲光经过隔离器2后经过第一耦合器31进行分光，分光后一路到达第一气室41，另一路依次经过n-1条光纤延迟线与n-2个耦合器，最终经过第n-2光纤延迟线53、第n-1耦合器34以及第n-1光纤延迟线54到达第n气室45，在第n气室45内经过反射后再按照进入时的光路反向传输，依次经过n-1条光纤延迟线与n-2个耦合器到达第一耦合器31并进入光电探测器6，形成第n条检测脉冲。
图2是本发明的实施例中进行三点检测的甲烷浓度分布式光纤检测系统的结构示意图。
如图2所示，本实施例中，甲烷浓度分布式光纤检测系统100采用三个气室进行三点甲烷浓度检测，即n＝3时包括第一气室41、第二气室42以及第三气室45，所用的激光器1为武汉六九传感科技有限公司生产的DFB-BF14-1654型DFB激光器，耦合器为武汉邮电研究院生产的单模光纤耦合器，光电探测器为6所生产的型号为GT322C500的InGaAs光电探测器。所用的光纤延迟线为美国生产的“康宁”G.652型单模光纤，其中第一光纤延迟线51、第二光纤延迟线52为分别为5012m和5018m。
本实施例中，激光器1、光电探测器6、耦合器、光纤延迟线、气室等的连接方式是FC/APC跳线连接，采集处理模块使用的采集卡为研华PCI9816，第一气室41、第二气室42以及第三气室45为反射型气室，气室中通入待检测气体进行气体浓度检测，有效探测光程为10cm，中间的光纤连接采用熔接而成。
图3是本发明的实施例中气室中未通甲烷时，采集处理模块采集到的检测脉冲波形图，图4是本发明的实施例中气室中未通甲烷时，采集处理模块采集到的检测脉冲波形图。
如图3所示，图中为气室中未通甲烷时，根据采集处理模块采集到的波形，其中通道1为光强信号，通道2为触发信号，以三个波形为一个周期，每一个脉冲代表一个气室位置，如图4所示，气室通入5％的甲烷后波形出现了一定的吸收，图中A、B、C分别表明相应的吸收位置。
将图3未通气下的光强为参考值可以计算出相应的吸收功率，吸收浓度分别为4.98％，4.99％和5.02％，根据检测脉冲位置，计算出实际的空间距离为5002m和5024m，和使用的光纤延迟线长度基本保持一致，也验证了系统的准确性。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的甲烷浓度分布式光纤检测系统，因为只使用了一个激光器和光电探测器，所以能够保持系统探测的一致性；因为通过n-1个耦合器、n-1条光纤延迟线以及n个气室组成了共线分段光纤延迟线结构，通过共线分段光纤延迟线结构将多个气室的检测脉冲按照延迟设定间隔，得到不同时间位置的检测脉冲，通过检测脉冲实现空间浓度的反演和位置信息的提取，并且共线分段光纤延迟线结构使得系统整体具备线型拓扑结构，能够方便进行管线型应用布置，可以使系统广泛应用在由污水、燃气、油气等组成复杂的管线中。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种甲烷浓度分布式光纤检测系统，用于对n个气室进行甲烷检测，其特征在于，包括：
激光器，用于发出脉冲光；
隔离器，与所述激光器连接；
n-1个耦合器，该n-1个耦合器中的第一个与所述隔离器连接，所述n-1个耦合器中的第一个至第n-2个一一对应与所述n个气室中的第一个至第n-2个连接，所述n-1个耦合器中的第n-1个同时与所述n个气室中的第n-1个和第n个连接；
n-1条光纤延迟线，用于进行所述脉冲光的传输，所述n-1条光纤延迟线中的第一条到第n-2条用于所述n-1个耦合器之间两两进行连接，所述n-1条光纤延迟线中的第n-1条用于所述第n-1耦合器与所述第n气室之间进行连接；
光点探测器，与所述第一耦合器连接，用于接收经过所述n个气室反射后的所述脉冲光，对应得到n条检测脉冲；
采集处理模块，与所述光电探测器连接，用于根据所述检测脉冲的时间位置得到所述检测脉冲对应的所述气室的空间位置，并根据所述检测脉冲的吸收特征反演出对应所述气室内的甲烷气体浓度信息，
其中，n≥3，所述n-1个耦合器之间通过n-2条所述光纤延迟线连接，所述n-2个耦合器与所述n-2个气室一一连接，且所述第n-1个耦合器与所述第n-1气室连接的同时通过所述第n-1条光纤延迟线与所述第n气室连接，使得相邻所述气室之间均设有一条所述光纤延迟线进行所述脉冲光的延时传输，所述n-1个耦合器、所述n-1条光纤延迟线以及所述n个气室组成共线分段光纤延迟线结构，该共线分段光纤延迟线结构使所述n条检测脉冲依次不重叠的被所述光电探测器检测，
所述检测脉冲的接收时间间隔为相邻所述气室间的所述光纤延迟线引起的延时的2倍。
2.根据权利要求1所述的甲烷浓度分布式光纤检测系统，其特征在于：
其中，所述光纤延迟线为单模光纤或多模光纤。
3.根据权利要求1所述的甲烷浓度分布式光纤检测系统，其特征在于：
其中，所述甲烷浓度分布式光纤检测系统整体的拓扑结构为线型。
4.根据权利要求1所述的甲烷浓度分布式光纤检测系统，其特征在于：
其中，所述第一气室的甲烷检测光路为所述激光器发出的脉冲光经过所述隔离器后经过所述第一耦合器进行分光，分光后一路到达所述第一气室，经过反射后回到所述第一耦合器，并到达所述光电探测器，形成第一条检测脉冲。
5.根据权利要求1所述的甲烷浓度分布式光纤检测系统，其特征在于：
其中，第二个气室的甲烷检测光路为所述激光器发出的脉冲光经过所述隔离器后经过所述第一耦合器进行分光，分光后一路到达所述第一气室，另一路经过所述第一光纤延迟线到达所述n-1个耦合器中的第二个后进入所述n个气室中的第二个，经过反射后回到所述第二耦合器，并经过所述第一光纤延迟线和所述第一耦合器，到达所述光电探测器，形成第二条检测脉冲。
6.根据权利要求1所述的甲烷浓度分布式光纤检测系统，其特征在于：
其中，第n-2个气室的甲烷检测光路为所述激光器发出的脉冲光经过所述隔离器后经过所述第一耦合器进行分光，分光后一路到达所述第一气室，另一路依次经过n-3条所述光纤延迟线与n-3个所述耦合器后到达所述第n-2气室，在所述第n-2气室内经过反射后再按照进入时的光路反向传输，依次经过n-3条所述光纤延迟线与n-3个所述耦合器到达所述第一耦合器并进入所述光电探测器，形成第n-2条检测脉冲。
7.根据权利要求1所述的甲烷浓度分布式光纤检测系统，其特征在于：
其中，所述第n-1气室的甲烷检测光路为所述激光器发出的脉冲光经过所述隔离器后经过所述第一耦合器进行分光，分光后一路到达所述第一气室，另一路依次经过n-2条所述光纤延迟线与n-2个所述耦合器后到达所述第n-1气室，在所述第n-1气室内经过反射后再按照进入时的光路反向传输，依次经过n-2条所述光纤延迟线与n-2个所述耦合器到达所述第一耦合器并进入所述光电探测器，形成第n-1条检测脉冲。
8.根据权利要求1所述的甲烷浓度分布式光纤检测系统，其特征在于：
其中，所述第n气室的甲烷检测光路为所述激光器发出的脉冲光经过所述隔离器后经过所述第一耦合器进行分光，分光后一路到达所述第一气室，另一路依次经过n-1条所述光纤延迟线与n-2个所述耦合器后到达所述第n气室，在所述第n气室内经过反射后再按照进入时的光路反向传输，依次经过n-1条所述光纤延迟线与n-2个所述耦合器到达所述第一耦合器并进入所述光电探测器，形成第n条检测脉冲。
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