CN112393820A - 一种本质安全防爆的氢气浓度和温度检测系统及检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及氢气浓度和温度检测技术，旨在提供一种本质安全防爆的氢气浓度和温度检测系统及检测方法。该系统包括设于非防爆区的激光源和信号接收处理器，以及设于防爆区的氢气传感探头；激光源与氢气传感探头之间、信号接收处理器与氢气传感探头之间分别通过远程传输光纤实现连接；激光源提供在1550±100 nm波长范围内的某一特定波长的光信号，远程传输光纤中内置单模玻璃光纤。本发明的光源采用了特定波长的光信号，并确定与之相匹配的传感探头结构参数以及信号接收与处理器的可处理光强度范围；能够实现氢气浓度具体值测量，使其更适合于实际的用氢场合。整个检测系统体积大幅减小，结构紧凑，便于安装使用，同时也使检测所需成本大幅降低。

Description

一种本质安全防爆的氢气浓度和温度检测系统及检测方法
技术领域
本发明属于氢气浓度和温度检测技术，尤其涉及一种基于光纤传感探头、本质安全防爆的氢气浓度和温度检测系统及检测方法。
背景技术
近年来，氢能作为一种公认的清洁能源，越来越受到世界的关注。我国已在氢能领域取得了多方面的进展，在不久的将来有望成为氢能技术和应用领先的国家之一，也被国际公认为最有可能率先实现氢燃料电池和氢能汽车产业化的国家。
尽管氢气具有诸多优势，但其爆炸极限范围极宽（4%~75.6%），且无嗅、无色、无味，人类的感官无法察觉，因此从制取、储存、输运、加注等诸多环节对氢气浓度进行检测和泄漏监测是尤为必要的。氢气的最小引燃能量仅0.02 mJ，是石油、天然气、液化气等常见能源的1/10，一旦温度较高或遇到电火花极易被引燃发生爆炸，因此在检测过程如何避免高温及电火花的出现，对于氢气的安全检测十分必要。
目前，市场上已有多种类型的传感探头用于氢气浓度的检测，诸如电化学型、催化剂型、热传导型等，但这些类型的传感探头大多存在需要供电、工作温度高等问题，如电化学型等氢气传感探头在检测过程中需要提供电流，功耗大多在5瓦以上，需要专门的电路或电池供电；催化剂型等氢气传感探头需要在传感元件表面发生催化反应放热产生高温，通过测量电阻变化、温度变化、电势变化等信号建立与氢气浓度之间的关系，而这些测量信号都是微弱的模拟信号，需要通过放大电路进行信号放大，而且模拟信号无法远传，通常还需在现场进行模数转换后，再以数字信号的形式远传至控制室。
此外，传统类型的氢气传感探头由于在检测现场具有电路系统或工作温度高，为达到防爆要求，均对装置进行密封以达到隔绝氢气的效果，防爆类型均属于隔爆型。对于氢气这种爆炸极限宽、最低引燃能量低的待检气体而言，一旦遇到氢气泄漏，隔爆型氢气传感探头本质上还是有密封失效的可能，存在引燃引爆的风险。因此，相比隔爆型氢气传感探头，防爆等级为本质安全型的光纤氢气传感探头更具应用价值，也更符合氢气安全检测的目标。但光纤氢气传感探头发展至今，相关研究多处于实验室阶段。如中国专利申请“一种微纳光纤迈克尔逊干涉式氢气传感器及其制备方法”（CN107101960A）中迈克尔逊干涉结构体积相对较大，组件多且复杂，结构不够紧凑，实际应用困难；中国专利申请“一种能同时测量氢气浓度和温度的光纤传感器”（CN105841840B）中基于光纤光栅结构同时测量氢气浓度和温度，所测参数间会互相影响，检测效果尚不明确，实现难度较大；中国专利申请“一种多浓度区间光纤氢气传感探头”（CN110672557A）等，为拓宽可检测浓度区间，主要探究检测过程中产生的波形变化，需要在实验中用到光谱仪观测光谱波峰的移动，实时监测氢气浓度的变化，不仅无法直接输出所测氢气浓度值，且所需的实验设备体积较大、价格昂贵，不便于实际场合的应用。而直接输出确定的氢气浓度值，则需要对光信号进行光电转换将其转变为电信号，再对电信号进行解调才能得到氢气浓度，有文献（宋涵，华中科技大学，博士学位论文，2016，第74至84页，基于钯基低维纳米结构增敏的光纤氢气传感器研究）提出，通过硬件电路和软件电路的设计组成信号检测系统，实现对氢气的检测，但在这一处理过程中有大量电子元器件及电信号参与，直接将其应用于实际用氢场合，不可避免地会给氢气检测带来引燃引爆的风险。
由于氢气爆炸极限宽、最低引燃能量低的特点，周围环境温度一旦达到引燃点，氢气极易被引燃引爆，而且用于检测氢气浓度的光纤传感探头，其检测性能一般来说会受到周围环境温度波动的干扰，因此，在检测氢气浓度的同时，也有必要对于传感器所处环境的温度进行检测。温度传感器作为最早开发、应用最广的一类传感器，其市场份额大大超过了其他的传感器，应用的种类也十分繁多，主要有四种类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器和IC温度传感器等。但基于电学、热学等原理的传统类型温度传感器不适于氢气氛围下温度的检测，也难以搭配氢气浓度检测所采用的光纤传感结构，因此需要选择合适的温度传感器实现对实际用氢场合环境温度的检测。
基于以上背景技术，本发明旨在针对实际用氢场合提出一种本质安全防爆的氢气浓度和温度检测系统及检测方法，实现对氢气泄漏和传感器所处环境温度的检测，同时满足氢气氛围下本质安全的检测要求。
发明内容
本发明需要解决的问题是，针对实际用氢场合提供一种本质安全防爆的氢气浓度和温度检测系统及检测方法，实现对氢气泄漏和传感器所处环境温度的检测。
为解决上述技术问题，本发明提供的解决方案为：
提供一种本质安全防爆的氢气浓度和温度检测系统，包括设于非防爆区的激光源和信号接收与处理器，以及设于防爆区的氢气传感探头和温度传感探头；激光源与两传感探头之间、信号接收与处理器与两传感探头之间分别通过远程传输光纤实现连接，远程传输光纤中内置单模玻璃光纤；所述氢气传感探头为非本征法布里-珀罗（F-P）干涉型传感探头，以嵌套方式将两根单模光纤插入玻璃毛细管中，由两个光纤端面构成平行反射面并与玻璃毛细管共同组成干涉腔；在干涉腔外壁镀有一层厚度范围为10~100 nm的钯膜；所述温度传感探头为型传感探头；所述激光源向氢气传感探头提供在1550±100 nm波长范围内的某一特定波长的光信号，向温度传感探头提供宽带光信号；所述氢气传感探头和温度传感探头的远程传输光纤集成于一体，安放于同一布线管道内，两传感探头检测所需光信号由同一激光源提供。
本发明提供一种本质安全防爆的氢气检测系统，包括设于非防爆区的激光源和信号接收处理器，以及设于防爆区的氢气传感探头；激光源与氢气传感探头之间、信号接收处理器与氢气传感探头之间分别通过远程传输光纤实现连接；所述激光源提供在1550±100nm波长范围内的某一特定波长的光信号，远程传输光纤中内置单模玻璃光纤；所述光纤氢气传感探头为非本征法布里-珀罗（F-P）干涉型传感探头，以嵌套方式将两根单模光纤插入玻璃毛细管中，由两个光纤端面构成平行反射面并与玻璃毛细管共同组成干涉腔；在干涉腔外壁镀有一层厚度范围为10~100 nm的钯膜。
本发明中，所述氢气传感探头和温度传感探头安装在设于防爆区上部空间的氢气检测终端设备中；氢气检测终端设备的外形结构呈中空的倒漏斗形，由倒置的喇叭口和与其相连的中空柄部组成，柄部末端设有若干贯通缝隙；所述氢气传感探头和温度传感探头设于柄部的空腔内。
本发明中，所述氢气检测终端设备有若干个，且在防爆区内呈分布式布局。可减小因氢气分布不均导致的检测误差，提高检测准确度。
本发明中，所述远程传输光纤中内置的单模玻璃光纤由三层组成，由内到外分别为纤芯、包层、涂覆层；在涂覆层的外侧依次设有铠装不锈钢层、包覆芳纶层、金属编织层和PE护套。由于直接通过传输光纤进行光信号远程传输，为防止在实际应用中光纤长度较长时出现折断，在光纤涂覆层外使用多层防护结构提升强度以进行保护，并在施工时将其穿放于PVC或HDPE等塑料管道内，避免腐蚀、外力、湿度等因素影响。
本发明进一步提供了利用前述系统实现本质安全防爆的氢气浓度检测的方法，包括：
（1）以激光源产生1550±100 nm波长范围内的某一特定波长的光信号，通过远程传输光纤传送至设于防爆区上部空间的氢气传感探头，并在其两个光纤端面发生反射，形成两路反射光；
（2）当实际用氢场合发生泄露时，由于氢气密度小于空气，上逸的氢气进入氢气传感探头中并与干涉腔表面的金属钯发生反应，使钯膜的体积膨胀产生轴向力拉动干涉腔伸长；由于干涉腔长度改变，使两路反射光的光程差发生变化，形成特定强度的光干涉信号；
其中，干涉腔的腔长变化量与氢气浓度之间满足下式：
Figure 872703DEST_PATH_IMAGE001
式中：△L为腔长变化量；x为氢气浓度，可检测范围为1%~4%；D为毛细管镀膜长度，范围为5~15 mm；a为玻璃毛细管外径，范围为0.1~0.3 mm；b为钯膜厚度与毛细管外径之和；E 1为钯膜的弹性模量，为126 GPa；E 2为玻璃毛细管的弹性模量，为74 GPa；
氢气传感探头输出的干涉光强度I R与干涉腔的腔长L之间满足下式：
Figure 491903DEST_PATH_IMAGE002
式中：I R为传感探头输出光强；R为光纤反射率，取0.04；I o为传感探头输入光强； L为干涉腔长，为初始腔长与腔长变化量之和；λ为光信号的波长；
由公式（1），当干涉结构一定时，干涉腔长变化量是氢气浓度的正比例函数，而由公式（2），当光信号波长λ为某一确定波长值时，干涉光强度I R是干涉腔长L的单值函数。由以上二式即可建立起氢气浓度和输出光强度之间的一一对应关系。确定初始干涉腔长L 0为一定常值，当氢气浓度变化时，拉动腔长在一定范围内变化，则传感探头的输出光强度I R也在一个确定的范围内变化。
（3）光干涉信号经远程传输光纤直接输送至位于非防爆区内的信号接收处理器，由后者对光干涉信号进行光电转换，再对电信号进行放大、滤波处理，输出与氢气浓度相对应的电压值；
（4）通过标定方式建立输出电压与氢气浓度之间的对应关系曲线，根据实时检测的电压值判断防爆区内的氢气浓度，实现特定浓度范围内的氢气检测。
本发明中，所述信号接收与处理器中具有双光路补偿形式的光路系统，分别为检测光路与参考光路；其中参考光路不与氢气接触，两路光信号在完成光电转换后对电信号做差分处理；然后再进行放大和滤波处理，输出与氢气浓度相对应的电压值，实现消除外界环境及传输损耗的干扰。
本发明进一步提供了利用前述系统实现本质安全防爆的氢气环境温度检测的方法，包括：
（1）激光源产生宽带光信号，通过远程传输光纤传送至设于防爆区上部空间的温度传感探头；
（2）入射光进入光纤布拉格光栅后，光栅对入射的宽带光进行有选择的反射；反射光是中心波长与芯层折射率调制相位相配合的窄带光，带宽为0.1~0.5 nm；反射光的波长满足布拉格条件，公式表示如下：
Figure 290095DEST_PATH_IMAGE003
其中，λ B 为光栅的布拉格波长，n eff为光栅的有效折射率，∧为光栅条纹周期；
由（3）式对温度求导得到：
Figure 20154DEST_PATH_IMAGE004
其中，T为温度，K t为光纤布拉格光栅的温度灵敏度，对于石英光纤常温下取7.2×10-6 ℃；
当温度传感探头所处环境温度发生变化时，引起光栅周期∧与纤芯折射率n eff相应的改变，由（4）式可知，波长变化量与温度变化量之间满足线性关系。
（3）通过标定方式建立温度传感器的布拉格波长λ B 与温度T之间的对应关系曲线，根据实时检测到的的反射光中心波长判断防爆区内的温度，实现对传感器周围环境温度的检测。
本发明中，所述的防爆区指有氢气泄漏风险、需要确保安全的场所，设置有储氢设备、氢气传感探头等装置，例如加氢站的加氢机周围一定区域；所述非防爆区指氢气浓度低于安全设定值、无需进行安全防护的场所，设置有激光源、信号接受处理器等装置，例如距离加氢机较远的信号监控室等。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
（1）本发明对实验室用光纤氢气检测系统进行了优化，采用尺寸较小、结构简单、便于制造的非本征F-P干涉型结构；光源采用了特定波长的光信号，并确定与之相匹配的传感探头结构参数以及信号接收与处理器的可处理光强度范围；将实验所需的光谱仪简化为小型信号处理电路板，用于检测一定浓度范围内的氢气，实现氢气浓度具体值测量，使其更适合于实际的用氢场合。本发明不仅避免了实验所需的各种大型实验设备的出现，使整个检测系统体积大幅减小，结构紧凑，便于安装使用，同时也使检测所需成本大幅降低，更符合实际应用需求，有利于实际的推广应用。
（2）本发明利用特定波长的光信号在光纤中传输时损耗较小的特点，将传输光纤在进行防断处理的基础上大幅延长，这样通过远程传输光纤将含有氢气浓度信息的光信号从防爆区直接传输至非防爆区进行处理的同时，也使氢气传感部分与信号处理部分在物理空间上分隔，从而使氢气检测现场完全没有电信号。将这一发明应用于实际用氢场合时，可以从本质上避免检测现场出现电火花、温度高等隐患，为氢气安全检测与远程监测的同时实现创造了可能。
（3）在实现氢气浓度检测的同时，本发明搭配质量轻、体积小的光纤光栅传感器实现对传感器周围温度的检测，实时检测环境温度的变化，从而消除环境温度升高产生的隐患，为实际应用中氢气的安全使用提供了检测上的双保险。
附图说明
图1为本发明的氢气浓度和温度检测系统结构示意图。
附图标记：101氢气传感探头，102温度传感探头，103远程传输光纤，104氢气，105防爆区，106激光源， 107信号接收与处理器，108非防爆区。
图2为本发明的氢气浓度检测系统结构示意图。
附图标记：201氢气传感探头，202远程传输光纤，203氢气，204防爆区，205激光源，206信号接收与处理器，207非防爆区。
图3为本发明实施例中氢气传感探头的结构示意图。
附图标记：301入射光，302反射光，303钯膜，304玻璃毛细管，305入射光纤，306反射端面，307反射光纤。
图4为干涉结构镀钯膜所用的等离子溅射仪。
附图标记：401反应室，402真空泵，403控制台。
图5为氢原子在钯晶格中的位置示意图。
附图标记：501氢原子，502钯原子。
图6本发明实施例中氢气检测终端设备整体外形机构图。
附图标记：601传输光纤，602传感探头，603集气罩，604氢气，605排气口。
图7为本发明实施例中温度传感探头的结构示意图。
附图标记：701光栅，702纤芯，703包层，704入射光，705反射光。
图8为经防断处理的远程传输光纤结构示意图。
附图标记：801光纤，802不锈钢铠管，803芳纶，804金属编织层，805 PE护套。
图9为本发明实施例中信号接收与处理器的原理图。
图10为信号接收与处理器中放大电路原理图。
附图标记：1001光电转换及前置放大电路，1002带通滤波电路，1003差分放大电路。
图11为信号接收与处理器中光源驱动电路原理图。
附图标记：1101慢启动电路，1102恒流及保护电路。
图12为本发明实施例中加氢站的应用场景图。
附图标记：1201氢气传感探头，1202加氢机，1203埋地传输光纤，1204信号处理与监测室，1205报警器。
图13为本发明实施例中所镀钯膜厚度为50 nm时，腔长变化理论值与实测值对比图。
图14为本发明实施例中所镀钯膜厚度为100 nm时，腔长变化理论值与实测值对比图。
图15为本发明实施例中光纤氢气传感器输出光信号强度与干涉腔长之间的关系图。
图16为本发明实施例中光纤光栅温度传感器周围环境温度与反射光波长之间的关系图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，对其不起任何限定作用。
如图1所示，为本发明的氢气浓度和温度检测系统结构示意图。首先由位于非防爆区信号处理与监测室的激光源产生光信号，信号沿经防断处理过的远程传输光纤从非防爆区传输到位于防爆区的氢气传感探头和温度传感探头中。激光源由单片机控制驱动电路进行驱动产生两种光信号，向氢气传感探头提供在1550±100 nm波长范围内的某一特定波长的光信号，向温度传感探头提供宽带光信号。氢气传感探头和温度传感探头的远程传输光纤集成于一体，安放于同一布线管道内，两传感探头检测所需光信号由同一激光源提供。
由于实际用氢场合需要通过氢气传感器测出的是具体的氢气浓度值，而非一个随氢气浓度变化而变化的波形图，由说明书发明内容部分的公式（1）、（2）可知，当采用定值波长的光信号作为光源，可以输出一个与氢气浓度一一对应的电压值，实现氢气浓度的具体数值测量，因此需要采用波长为单一定值的光信号。
此外，氢气检测过程需要严格确保安全，而信号处理部分涉及到电信号，有产生电火花引燃引爆氢气的风险，因此需要将氢气传感部分与信号处理部分通过远程传输光纤进行分隔。而光信号在光纤中传输时有损耗，远距离传输会导致最终进入信号接收与处理器中的光信号强度较弱，增加信号处理的难度，降低信号处理的精度，因此需要尽可能地将光纤传输中的损耗降低。不同波长的激光，在光纤中传输时损耗也各不相同。研究表明，根据吸收损耗与波长的关系，在通信频带范围内存在三个光纤窗口，即吸收损耗非常低的中心波长，分别为850 nm、1310 nm、1550 nm。其中，波长为1550 nm的光信号在光纤中传输损耗最低，仅0.20 dBm/km，尤其适合于远距离信号的传输，可以满足氢气远距离检测的需求。因此，确定采用中心波长为1550 nm的激光作为检测氢气浓度所用光源。
如图2所示，为本发明的氢气浓度检测系统结构示意图，包括设于非防爆区的激光源和信号接收处理器，以及设于防爆区的氢气传感探头；激光源与氢气传感探头之间、信号接收处理器与氢气传感探头之间分别通过远程传输光纤实现连接；激光源提供在1550±100 nm波长范围内的某一特定波长的光信号，远程传输光纤中内置单模玻璃光纤；光纤氢气传感探头为非本征法布里-珀罗干涉型传感探头，以嵌套方式将两根单模光纤插入玻璃毛细管中，由两个光纤端面构成平行反射面并与玻璃毛细管共同组成干涉腔；在干涉腔外壁镀有一层厚度范围为10~100 nm的钯膜。
当加氢机出现泄漏时，氢气从加氢机中逸出，由于氢气密度小于空气，会向上飘散，这些扩散的氢气会进入传感探头中被检测到。氢气传感探头为非本征型法布里-珀罗（F-P）干涉传感探头，其结构如图3所示，由两根单模光纤和一段玻璃毛细管构成，两根单模光纤插入毛细管中，中间间隔0.01~1 mm的距离，形成一段空腔，即F-P腔。两根光纤其中一根通过CO2激光器与玻璃毛细管一起熔断，另一根与毛细管熔接在一起，并通过光纤引出。两光纤端面构成平行的反射面，使光信号发生反射。非本征F-P干涉型结构传感探头尺寸小、结构简单而紧凑、成本低廉、便于制造，适合于实际应用。将现有技术中的光纤氢气传感器的传感探头结构参数、信号接收与处理器的可处理光强度范围根据特定波长的光信号做出适应性的调整，使传感探头、信号接收与处理器与光信号相互匹配，实现一定浓度范围内氢气的检测，并配合光纤布拉格光栅（FBG）型温度传感探头实现环境温度的检测。
氢气传感探头采用的玻璃毛细管长度为5~15 mm，外径为0.1~0.3 mm，使用如图4所示的等离子溅射仪在毛细管表面上镀有一层钯膜。首先，将待镀膜试件置于等离子溅射仪反应室内中央，打开真空泵，将等离子溅射仪抽真空，待控制台上指示灯亮起调节镀膜时间，按开始按钮开始镀膜，待镀膜结束取出试件即可。钯膜厚度约为10~100 nm，之所以选择这一厚度范围，是因为实验表明，当钯膜厚度大于100 nm时，经过数次吸氢、释氢循环会出现起泡现象，导致钯膜脱落；而当钯膜厚度过薄小于10 nm时，尽管此时钯膜的机械稳定性较好，响应时间短，但在氢气浓度较低时就会达到饱和，失去其使用价值。钯属于过渡金属元素，结构如图5所示，晶体呈面心立方结构。氢原子在钯的面心立方晶格中表现出高溶解性和迁移率，使得钯表现出很强的吸氢能力，这是氢气传感器工作的基本原理。当处于氢气环境中时，钯会与氢结合形成氢化物，但当钯处在外界空气环境中时，则会完全释放吸收的氢气，回到原始状态。这种高可逆性使得利用钯对氢气进行大规模可重复测量成为可能。当钯膜吸收氢气时，其体积会发生膨胀，对玻璃毛细管产生轴向拉力，拉动F-P腔的腔长伸长，从而改变两光纤间隔，使反射光之间的光程差发生变化，形成光干涉信号。
氢气传感探头与温度传感探头安装在设于防爆区上部空间的检测终端设备中；检测终端设备的外形结构呈中空的倒漏斗形（如图6所示），由倒置的喇叭口和与其相连的中空柄部组成，柄部末端设有若干贯通缝隙；两探头设于柄部的空腔内，通过传输光纤将信号输出。检测终端设备有若干个，且在防爆区内呈分布式布局，从而实现多点检测，提高检测的精度。并且顶部有缝隙便于氢气聚集后及时逸出，防止长时间聚集产生隐患。氢气传感探头将氢气浓度信息转变为光学信息加载于光信号之上后，通过远距离传输光纤将光信号送入位于远处非防爆区监测室内的信号接收与处理器中进行处理。
温度传感探头采用常规光纤布拉格光栅（FBG）型结构（如图7所示）。工作时，首先由激光源产生宽带光信号，通过远程传输光纤传送至设于防爆区上部空间的温度传感探头。当入射光进入光纤布拉格光栅后，光栅对入射的宽带光进行有选择的反射。反射光的中心波长应是与芯层折射率调制相位相配合的窄带光，带宽通常约为0.1~0.5nm，波长满足布拉格条件。当传感探头所处环境温度发生变化时，引起光栅周期∧与纤芯折射率n eff相应的改变，由公式（4）可知，波长变化量与温度变化量之间满足线性关系。通过标定方式建立传感器布拉格波长λ B 与温度T之间的对应关系曲线，根据实时检测到的反射光中心波长判断防爆区内的温度，即可实现对传感器周围环境温度的检测。温度传感探头也可安装在设于防爆区上部空间的氢气检测终端设备中。
由于氢气传感探头最终输出的光信号强度较弱，因此在设计时要使光纤输出尽可能大的功率，这样才能便于后期探测器探测，以提高测量的准确度与精度。综合考虑经济性、使用寿命、操作便利程度等多方面因素，可以选择性能指标如表1所示的玻璃光纤。
表1 玻璃光纤性能参数表
=====================================
物理量 数值
---------------------------------------------------------------
芯径直径 47 μm
透过率 每米大于51%
皮层厚 1~1.5 μm
光谱传输范围 390~1300 nm
衰减 300~550 dB/km
光纤强度 150 kg/mm
数值孔径 NA=0.6
=====================================
远程传输光纤用于远距离连接非防爆区内的激光源、信号接收与处理器和防爆区内的光纤传感探头并进行光信号传输，结构如图8所示。例如，内置的单模玻璃光纤（G.652光纤）由三层组成，由内到外分别是纤芯、包层、涂覆层，纤芯直径为8.3 μm，包层直径为125 μm，涂覆层直径约为1.5 mm，适合于远距离传输信号。由于直接通过光信号进行远程传输，传输光纤长度较长，易出现折断的现象，为防止在实际应用中光纤出现折断，需要对传输光纤进行防断处理，使传输光纤的强度得到提升，更适合远距离传输。远程传输光纤中内置的单模玻璃光纤由三层组成，由内到外分别为纤芯、包层、涂覆层；在涂覆层的外侧依次设有铠装不锈钢层、包覆芳纶层、金属编织层和PE护套。并在施工时将其穿放于PVC或HDPE等塑料管道内，避免腐蚀、外力、湿度等因素影响。
实验用光纤氢气传感器为拓宽可检测浓度区间，主要探究检测过程中产生的波形变化，最终需要将光信号输送至光谱仪对波形移动进行分析。实际用氢场合下需要的是具体的氢气浓度值，而非随氢气浓度变化而变化的波形图，因此体积较大、价格昂贵的光谱仪并不能满足实际需求。本发明将光谱仪简化为一个小型的光信号接收与处理器，其核心为一块信号处理电路板，只实现特定光强范围内干涉光信号的接收，对光干涉信号进行光电转换，再对电信号进行放大、滤波等处理，将光信号转变为一个与之对应的电压值输出。
信号接收与处理器的硬件电路部分设计成双光路补偿形式，以减少外界环境干扰，提高信号检测准确度。首先，当激光源产生光信号后，经过一分二分光器分为两路光，分别进入检测气室与参考气室，参考气室内仅为F-P型干涉结构，不通入氢气，检测气室则通入标准浓度氢气。在气室内，光信号发生干涉，并分别输出至信号接受与处理器中进行处理。参考气室输出的光信号仅含有外界环境，如温度、湿度、光纤损耗等信息，而检测气室则还包含有氢气浓度信息，两路信号在信号接收与处理器中经过处理，最终转换成与氢气浓度一一对应的电压信号输出。
信号接收与处理器的工作原理如图9所示，首先光信号经光电探测器进行光电转换，将光信号转变为可处理的电信号。由于经过远程传输，转换后的电信号十分微弱，并且极易受到噪声干扰，因此需要经过多级放大、滤波、降噪处理，以提高信噪比，包括前置放大、带通滤波以及差分放大等环节。完成这些处理后，需要使用单片机的A/D转换器进行模数转换，将包含氢气浓度信息的模拟量转变为数字量，计算出此时加氢机周围氢气浓度值，并通讯至上位机显示于显示屏上，由工作人员实时监测。如图10、11所示，分别为信号接收与处理器中放大电路原理图和光源驱动电路原理图。其中，放大电路包含光电转换及前置放大电路、带通滤波电路和差分放大电路三部分，对微弱信号进行逐级放大处理，使其适合于进一步提取氢气浓度信息；光源驱动电路包含慢启动电路和恒流及保护电路，保证光源稳定工作、性能可靠。此外，信号处理器还与报警器连接，当氢气浓度到达设定值时，报警器发出报警信号进行预警。
本发明最终在加氢站的应用场景如图12所示。从这一具体实施过程可以看出，本发明利用了光信号在光纤中的传输，通过远程传输光纤将防爆区与非防爆区进行连接，并将含有氢气浓度信息的信号从防爆区输送至非防爆区进行处理，这一过程实现了氢气浓度的远距离检测，从本质上消除了防爆区内常见的高温及电火花等隐患，确保了检测过程的安全。
综上，本发明对实验室用光纤氢气检测系统进行了优化，采用尺寸较小、结构简单、便于制造的非本征F-P干涉型结构，光源采用了特定波长的光信号，并确定与之相匹配的传感探头结构参数以及信号接收与处理器的可处理光强度范围，将实验所需的光谱仪简化为小型信号处理电路板，可检测一定浓度范围内的氢气，实现了氢气浓度具体值测量，更适合于实际的用氢场合，不仅避免了实验所需的各种大型实验设备的出现，使整个检测系统体积大幅减小，结构紧凑，便于安装使用，同时也使检测所需成本大幅降低，更符合实际应用需求，有利于实际的推广应用；另一方面，本发明在实现氢气浓度检测的同时，搭配质量轻、体积小的光纤布拉格光栅传感器实现对传感器周围温度的检测，实时检测环境温度的变化，从而消除环境温度升高产生的隐患，为实际应用中氢气的安全使用提供了检测上的双保险；本发明利用特定波长的光信号在光纤中传输时损耗较小的特点，将传输光纤在进行防断处理的基础上大幅延长，这样通过远程传输光纤将含有氢气浓度信息的光信号从防爆区直接传输至非防爆区进行处理的同时，也使氢气传感部分与信号处理部分在物理空间上分隔，从而使氢气检测现场完全没有电信号。将这一发明应用于实际用氢场合时，可以从本质上避免检测现场出现电火花、温度高等隐患，为氢气安全检测与远程监测的同时实现创造了可能。
实施例1：
当氢气进入氢气传感探头中并与干涉腔表面的金属钯发生反应，使钯膜的体积膨胀产生轴向力拉动干涉腔伸长；由于干涉腔长度改变，使两路反射光的光程差发生变化，形成特定强度的光干涉信号；其中，干涉腔的腔长变化量与氢气浓度之间满足下式：
Figure 220191DEST_PATH_IMAGE001
式中：△L为腔长变化量；x为氢气浓度，可检测范围为1%~4%；D为毛细管镀膜长度，范围为5~15 mm；a为玻璃毛细管外径，范围为0.1~0.3 mm；b为钯膜厚度与毛细管外径之和；E 1为钯膜的弹性模量，为126 GPa；E 2为玻璃毛细管的弹性模量，为74 GPa；
氢气传感探头输出的干涉光强度I R与干涉腔的腔长L之间满足下式：
Figure 10292DEST_PATH_IMAGE002
式中：I R为传感探头输出光强；R为光纤反射率，取0.04；I o为传感探头输入光强； L为干涉腔长，为初始腔长与腔长变化量之和；λ为光信号的波长；
由于腔长变化与氢气浓度之间满足公式（1），取玻璃毛细管外径200 μm，光纤直径为125 μm，毛细管镀膜长度D为1 cm，弹性模量E 1=126 GPa、 E 2=74 GPa，钯膜厚度分别取50nm、100 nm，当氢气浓度为1%时，可由公式（1）计算出理论腔长变化量分别为△L 1=2.21nm、△L 2=4.42nm。
通过氢气发生器利用电解水原理产生氢气，氩气通过氩气瓶获得，两种气体均先连接流量控制器，控制各自流量再进行混合，从而获得一定浓度地标准氢气。对F-P结构分别镀50 nm、100 nm钯膜厚度并进行了腔长变化进行测试，得到了两种厚度下的氢气实际测试结果，将腔长变化实测值与理论值进行对比，分别如图13和图14所示。由对比图可以看出，使用F-P干涉结构对氢气进行检测时，当钯膜厚度一定时，氢气浓度越高，腔长伸长量越大，但实际伸长量始终小于理论值；对于同一浓度氢气，钯膜厚度越厚，伸长量也越大，且由图可以较明显地看出，在浓度为1%附近有一个转折点，当浓度小于这一点时，腔长变化较缓慢，大于这一点时，腔长伸长较快，且与理论伸长速率基本一致。为了修正1%以下氢气浓度的测试精度，可以预先对测试结果进行校准与曲线拟合。该过程属于传感探头领域比较常规的校准方法，故不在本发明中赘述。
由公式（2）可知，当光信号波长λ一定时，干涉光强度I R是干涉腔长L的单值函数。本实施例中，由于需要远距离传输信号，取光波长λ=1550 nm，取初始腔长L=100 μm，光纤反射率R=0.04，入射光强为10 dbm，当干涉结构镀100 nm厚的钯膜，氢气浓度在1%~4%之间变化时，输出光强随干涉腔长变化的关系图，如图15所示，进行线性拟合可得，二者之间近似满足关系式I R = -0.15805L+15.96443，由此关系式可以确定当氢气浓度变化引起干涉腔长伸长时所对应的输出光信号强度，而输出的光信号可由特定强度范围的光信号接受与处理器转变为与所测氢气浓度相对应的电压值输出，从而建立起“输出电压—氢气浓度”之间的对应关系，最终实现特定浓度范围内氢气的检测。
实施例2：
以激光源产生波长在1550±100 nm范围内的宽带光信号，通过远程传输光纤传送至设于防爆区上部空间的温度传感探头。当入射光进入光纤布拉格光栅后，由于光纤光栅结构的特性，光栅会对入射的宽带光进行有选择的反射，反射光的中心波长是与芯层折射率调制相位相配合的窄带光，带宽约为0.1~0.5 nm，并且满足布拉格条件。公式表示如下：
Figure 30201DEST_PATH_IMAGE003
其中，λ B 为光栅的布拉格波长，n eff为光栅的有效折射率，∧为光栅条纹周期；
由（3）式对温度求导得到（4）式，波长变化量与温度变化量之间满足线性关系式：
Figure 298371DEST_PATH_IMAGE004
其中，T为温度，K t为光纤布拉格光栅的温度灵敏度，对于石英光纤常温下取7.2×10-6 ℃。当传感探头所处环境温度发生变化时，引起光栅周期∧与纤芯折射率n eff相应的改变。从30℃至100℃，逐步提高传感器周围的环境温度，检测从光栅中发射回来的反射光的波长，通过标定的方式可建立起布拉格波长λ B 与温度T之间的对应关系曲线，如图16所示。由图可知，反射光波长与温度之间满足近似线性关系，拟合可得关系式λ B =0.00751T+1553.98 。利用此关系式，根据实时检测到的反射光中心波长判断出防爆区内的温度，即可实现对传感器周围环境温度的检测。
以上所述的实施方式对本发明进行了说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种本质安全防爆的氢气浓度和温度检测系统，包括设于非防爆区的激光源和信号接收与处理器，以及设于防爆区的氢气传感探头和温度传感探头；其特征在于，激光源与两传感探头之间、信号接收与处理器与两传感探头之间分别通过远程传输光纤实现连接，远程传输光纤中内置单模玻璃光纤；所述氢气传感探头为非本征法布里-珀罗干涉型传感探头，以嵌套方式将两根单模光纤插入玻璃毛细管中，由两个光纤端面构成平行反射面并与玻璃毛细管共同组成干涉腔；在干涉腔外壁镀有一层厚度范围为10~100 nm的钯膜；所述温度传感探头为光纤布拉格光栅型传感探头；所述激光源向氢气传感探头提供在1550±100nm波长范围内的某一特定波长的光信号，向温度传感探头提供宽带光信号；所述氢气传感探头和温度传感探头的远程传输光纤集成于一体，安放于同一布线管道内，两传感探头检测所需光信号由同一激光源提供。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述氢气传感探头和温度传感探头安装在设于防爆区上部空间的氢气检测终端设备中；氢气检测终端设备的外形结构呈中空的倒漏斗形，由倒置的喇叭口和与其相连的中空柄部组成，柄部末端设有若干贯通缝隙；所述氢气传感探头和温度传感探头设于柄部的空腔内。
3.一种本质安全防爆的氢气检测系统，包括设于非防爆区的激光源和信号接收处理器，以及设于防爆区的氢气传感探头；其特征在于，激光源与氢气传感探头之间、信号接收处理器与氢气传感探头之间分别通过远程传输光纤实现连接；所述激光源提供在1550±100 nm波长范围内的某一特定波长的光信号，远程传输光纤中内置单模玻璃光纤；所述光纤氢气传感探头为非本征法布里-珀罗干涉型传感探头，以嵌套方式将两根单模光纤插入玻璃毛细管中，由两个光纤端面构成平行反射面并与玻璃毛细管共同组成干涉腔；在干涉腔外壁镀有一层厚度范围为10~100 nm的钯膜。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述氢气传感探头安装在设于防爆区上部空间的氢气检测终端设备中；氢气检测终端设备的外形结构呈中空的倒漏斗形，由倒置的喇叭口和与其相连的中空柄部组成，柄部末端设有若干贯通缝隙；所述氢气传感探头设于柄部的空腔内。
5.根据权利要求2或4所述的系统，其特征在于，所述氢气检测终端设备有若干个，且在防爆区内呈分布式布局。
6.根据权利要求1至4任意一项中所述的系统，其特征在于，所述远程传输光纤中内置的单模玻璃光纤由三层组成，由内到外分别为纤芯、包层、涂覆层；在涂覆层的外侧依次设有铠装不锈钢层、包覆芳纶层、金属编织层和PE护套。
7.一种实现本质安全防爆的氢气浓度检测的方法，其特征在于，包括：
步骤1：以激光源产生1550±100 nm波长范围内的某一特定波长的光信号，通过远程传输光纤传送至设于防爆区上部空间的氢气传感探头，并在其两个光纤端面发生反射，形成两路反射光；
步骤2：当实际用氢场合发生泄露时，由于氢气密度小于空气，上逸的氢气进入氢气传感探头中并与干涉腔表面的金属钯发生反应，使钯膜的体积膨胀产生轴向力拉动干涉腔伸长；由于干涉腔长度改变，使两路反射光的光程差发生变化，形成特定强度的光干涉信号；
其中，干涉腔的腔长变化量与氢气浓度之间满足下式：
Figure 92327DEST_PATH_IMAGE001
式中：△L为腔长变化量；x为氢气浓度，可检测范围为1%~4%；D为毛细管镀膜长度，范围为5~15 mm；a为玻璃毛细管外径，范围为0.1~0.3 mm；b为钯膜厚度与毛细管外径之和；E 1为钯膜的弹性模量，为126 GPa；E 2为玻璃毛细管的弹性模量，为74 GPa；
氢气传感探头输出的干涉光强度I R与干涉腔的腔长L之间满足下式：
Figure 743888DEST_PATH_IMAGE002
式中：I R为传感探头输出光强；R为光纤反射率，取0.04；I o为传感探头输入光强； L为干涉腔长，为初始腔长与腔长变化量之和；λ为光信号的波长；
步骤3：光干涉信号经远程传输光纤直接输送至位于非防爆区内的信号接收处理器，由后者对光干涉信号进行光电转换，再对电信号进行放大、滤波处理，输出与氢气浓度相对应的电压值；
步骤4：通过标定方式建立输出电压与氢气浓度之间的对应关系曲线，根据实时检测的电压值判断防爆区内的氢气浓度，实现特定浓度范围内的氢气检测。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述信号接收与处理器中具有双光路补偿形式的光路系统，分别为检测光路与参考光路；其中参考光路不与氢气接触，两路光信号在完成光电转换后对电信号做差分处理；然后再进行放大和滤波处理，输出与氢气浓度相对应的电压值，实现消除外界环境及传输损耗的干扰。
9.一种实现本质安全防爆的氢气环境温度检测的方法，其特征在于，包括：
步骤1：激光源产生宽带光信号，通过远程传输光纤传送至设于防爆区上部空间的温度传感探头；
步骤2：入射光进入光纤布拉格光栅后，光栅对入射的宽带光进行有选择的反射；反射光是中心波长与芯层折射率调制相位相配合的窄带光，带宽为0.1~0.5 nm；反射光的波长满足布拉格条件，公式表示如下：
Figure 992467DEST_PATH_IMAGE003
其中，λ B 为光栅的布拉格波长，n eff为光栅的有效折射率，∧为光栅条纹周期；
由（3）式对温度求导得到：
Figure 590939DEST_PATH_IMAGE004
其中，T为温度，K t为光纤布拉格光栅的温度灵敏度，对于石英光纤常温下取7.2×10-6 ℃；
步骤3：通过标定方式建立温度传感器的布拉格波长λ B 与温度T之间的对应关系曲线，根据实时检测到的反射光中心波长判断防爆区内的温度，实现对传感器周围环境温度的检测。
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