CN112485221A - 基于可调谐半导体激光器的在线式原油挥发气体传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于可调谐半导体激光器的在线式原油挥发气体传感器，包括：集成所述检测单元的探头、激光光源以及计算单元；所述的探头包括：封装在探头内部的无源的光纤气室、干涉光路以及光纤光栅温度传感器；所述的激光光源经过光纤将检测光传输到所述的无源光纤气室、干涉光路以及光纤光栅温度传感器；所述的无源光纤气室、干涉光路以及光纤光栅温度传感器分别连接有信号检测模块；计算单元接受信号检测模块输出的信号，经过计算得到折射率、温度、湿度参数；根据所述的折射率、温度和湿度，计算得出当前油气浓度。

Description

基于可调谐半导体激光器的在线式原油挥发气体传感器
技术领域
本发明涉及一种能够在线监测原油挥发气体的传感器，尤其涉及一种基于可调谐半导体激光器的在线式原有挥发气体传感器。涉及专利分类号：G物理G01测量；测试G01N借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料G01N21/00利用光学手段，即利用红外光、可见光或紫外光来测试或分析材料G01N21/17入射光根据所测试的材料性质而改变的系统G01N21/25颜色；光谱性质，即比较材料对两个或多个不同波长或波段的光的影响G01N21/31测试材料在特定元素或分子的特征波长下的相对效应，例如原子吸收光谱术G01N21/39利用可调谐的激光器。
背景技术
现有技术中，由光源发出的散射光经聚光镜聚焦的光束到达平面镜，其中一部分光束通过平面镜反射，经气室的空气到达折光棱镜，折光棱镜将其折射回另一侧的空气室后回到平面镜并折射到后表面的反射膜上，通过反射膜反射到棱镜后经偏折进入望远镜系统。另一部分光束折射入平面镜后，在其后表面反射膜反射，穿过气室的甲烷经折光棱镜反射又回经甲烷室到平面镜，经平面镜的反射后与上述部分光束一同进入反射棱镜，经偏折进入望远镜系统。由于光程差的结果，在物镜的焦平面上产生干涉条纹，通过目镜既能观察到干涉条纹。当甲烷室与空气室都充满相同的气体时，干涉条纹位置不移动，但当甲烷抽进甲烷室，由于光束通过的介质发生改变，干涉条纹相对原位置移动一段距离。测量这个位移量，便可知甲烷在空气中的含量。
传统的可见光源和开放式的光路结构使得光干涉式甲烷检定器的检测精度和应用范围严重受限。
发明内容
本发明针对以上技术问题，提出的一种基于可调谐半导体激光器的在线式原油挥发气体传感器，包括：
集成所述检测单元的探头、激光光源以及计算单元；
所述的探头包括：
封装在探头内部的无源的光纤气室、干涉光路以及光纤光栅温度传感器；
所述的激光光源经过光纤将检测光传输到所述的无源光纤气室、干涉光路以及光纤光栅温度传感器；
所述的无源光纤气室、干涉光路以及光纤光栅温度传感器分别连接有信号检测模块；
计算单元接受信号检测模块输出的信号，经过计算得到折射率、温度、湿度参数；
根据所述的折射率、温度和湿度，计算得出当前油气浓度。
作为优选的实施方式，
所述的激光光源包括：通过光纤照射无源光纤气室的第一激光器以及通过耦合器分别照射干涉光路和光纤光栅温度传感器的第二激光器。
进一步的，
所述的第一激光器为1392nm激光器；第二激光器为1550nm激光器。
更进一步的，
光纤光栅温度传感器包括光纤环形器、光电接收器，数据处理模块；
所述的第二激光器发射的激光通过所述的光纤环形器进入光纤光栅，光栅返回光进入环形器进入光电接收器转化为电流，通过对电流值的分析计算得出光栅中心波长的变化量，进而测量出光栅所处位置的温度。
作为优选的实施方式，所述的浓度计算方法如下：
定义：修正后浓度P1、当前温度T、当前湿度Q、未修正浓度P、基准温度T0、基准湿度Q0；
系统使用前进行初始化，初始化期间记录基准温度和基准湿度。
浓度修正算法如下：
P1＝(Q-Q0)*A+(T-T0)*B+P
A为湿度修正因数，B为温度修正因数，AB参数在初始化过程中进行设置。
作为优选的实施方式，所述的探头还包括：
光纤分路器，外部入射光源经由该光纤分路器1，分为至少2束，进入气体检测回路和参考回路；
所述的检测回路，至少包括发射准直器、接收准直器、以及位于两准直器之间的开放型气体检测区域；
所述的参考回路，至少包括发射准直器、接收准直器、以及位于所述发射准直器和接收准直器之间的开放型参考区域。
更进一步的，所述的检测回路中还具有回路光纤分路器，将输入的光纤分为检测光纤和对照光纤；
所述的检测光纤与一发射准直器连接，发射准直器照射所述的开放型气体检测区域，由一接收准直器接收后，由一接收光纤传到至检测回路的末端光纤分路器；
所述的回路光纤分路器通过对照光纤与所述的末端光纤分路器连接。
更进一步的，所述的参考回路中还具有回路光纤分路器，将输入的光纤分为参考光纤和对照光纤；
所述的参考光纤与一发射准直器连接，发射准直器照射所述的开放型参考区域，由一接收准直器接收后经光纤传递至参考回路的末端光纤分路器；
所述的参考回路中的回路光纤分路器
作为优选的实施方式，所述的开放型气体检测区域和开放型参考区域为气室。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明干涉光路示意图
图2为本发明光强变化数据示意图
图3为本发明系统光学结构示意图
图4为本发明探头的结构原理图
图5为本发明探头的结构示意图
具体实施方式
为了使本发明的发明目的、技术方案及其技术效果更加清晰，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1-3所示：
一种基于可调谐半导体激光器的在线式原油挥发气体传感器，包括：
集成所述检测单元的探头、激光光源以及计算单元；
所述的探头包括：
封装在探头内部的无源的光纤气室、干涉光路以及光纤光栅温度传感器；
所述的激光光源经过光纤将检测光传输到所述的无源光纤气室、干涉光路以及光纤光栅温度传感器；
所述的无源光纤气室、干涉光路以及光纤光栅温度传感器分别连接有信号检测模块；
计算单元接受信号检测模块输出的信号，经过计算得到折射率、温度、湿度参数；
根据所述的折射率、温度和湿度，计算得出当前油气浓度。
作为优选的实施方式，
所述的激光光源包括：通过光纤照射无源光纤气室的第一激光器以及通过耦合器分别照射干涉光路和光纤光栅温度传感器的第二激光器。
所述的第一激光器为1392nm激光器；第二激光器为1550nm激光器。
光纤光栅温度传感器包括光纤环形器、光电接收器，数据处理模块；
所述的第二激光器发射的激光通过所述的光纤环形器进入光纤光栅，光栅返回光进入环形器进入光电接收器转化为电流，通过对电流值的分析计算得出光栅中心波长的变化量，进而测量出光栅所处位置的温度。2.温度检测系统
采用布拉格光纤光栅来进行温度在线测量。光纤光栅(以下简称光栅)是一种可以后向反射特定波长的光的一种光纤器件，该反射光的波长称为光栅的中心波长。在环境条件一定时，光栅反射光的中心波长是一定的，当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其它物理量发生变化时，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化，从而使反射光的波长发生变化，通过测量物理量变化前后反射光波长的变化，就可以获得待测物理量的变化情况。
采用1550nm的可调谐窄带激光器作为检测光源，通过电流调制来控制激光器的出光波长，激光通过环形器进入中心波长为1550nm的光纤光栅，光栅返回来的光进入环形器到达光电探测端(以下称PD)。PD将反射光转化为电流，通过对PD电流值的分析计算得出光栅中心波长的变化量。进而测量出光栅所处位置的温度。
湿度检测单元
本方案采用TDLAS技术来进行湿度测量。TDLAS技术是一种高分辨率的光谱吸收技术，根据朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律，特定波长的半导体激光穿过被测气体后，光强会产生衰减，气体浓度越高，对光的衰减也越大。因此可通过测量气体对激光的衰减来测量气体的浓度。
光纤探头，主要包括：
主机激光器、
与该激光器连接的光纤分路器1，由主激光器发出的激光经由光纤分路器1，被分为两束，分别进入气体检测回路和参考回路。
在所述的气体检测回路和参考回路的末端分别设有主机光电二极管1和主机光电二极管2，分别接受检测回路和参考回路的波形，通过计算干涉波形。光电二极管接收到的光电流的波形，也就是回路波形，处理单元对波形进行分析，得出光程变化量。
作为优选的实施方式，探头外部铠装光纤形状、长度、应力等变化对干涉光路没有影响，让工程应用成为可能。
如图4和5所示：
作为优选的实施方式，传感器中的探头具体包括，检测回路：光纤分路器2、外部光纤1、发射准直器1、接收准直器1、光纤2、光纤分路器4、光纤3。
所述的参考回路包括：光纤分路器3、光纤4、发射准直器2、接收准直器2、光纤5、光纤分路器5、光纤6；检测回路的光程差L1由光纤1、光纤2和光纤3的长度以及检测区域长度La决定。参考回路的光程差L2由光纤4、光纤5和光纤6的长度以及参考区域长度Lb决定。
详细结构如图2所示：
图中，光纤1A对应前述图中的外部光纤1，光纤1A、分路器封装钢管2A(对应光纤分路器2)、光纤3A和光纤11A形成所述的光纤分路器1，将外部光源射入的激光分成2路。
光纤7A，分路器封装钢管8A，光纤9A，光纤17A形成所述的分路器4和5。
准直镜头4A和6A的两个准直镜头分别固定在参考气室5A两端；准直镜头12A和准直镜头16A分别固定在检测气室14A的两端；通过4个卡箍将分路器的封装钢管和2个气室固定到探头外壳19A上，使得所有光纤和钢管都悬空到探头平台上的凹槽里，然后在凹槽中灌胶固定。
为提高检测精度，La、Lb的差值应尽可能大，现设计La＝10cm，Lb＝0.1cm。
光电二极管分别接收到检测回路和参考回路波形，理想干涉波形为正弦波，频率w与光程差L和激光器扫描电流范围I成正比；
相位差θ与L1-L2的变化量成正比。为了计算相位差θ，两列正弦波应频率一致，所以应调节光纤3、6的长度使初始状态L1≈L2。干涉波形分别为：U1＝Asinwt，U2＝Bsin(wt+θ)
相位差计算：
ΔU＝Asinwt-Bsin(wt+θ)
＝Asinwt-B(sinwt*cos θ+coswt*sin θ)
＝sinwt*(A-B*cos 0)-B*coswt*sin θ
U3＝ΔU*U1＝(sinwt*(A-B*cos θ)-B*coswt*sin θ)
*Asinwt＝A*(A-B*cos θ)*sinwt*sinwt-A*B*coswt*sinwt*sin θ
＝A*(A-B*cos θ)*1/2*(1-cos2wt)-A*B*1/2*sin2wt*sin θ
滤除得到直流
U4＝A*(A-B*cos θ)*1/2
通过对U4进行标定计算出气体浓度。
作为优选的实施方式，探头实测标准气体浓度为1000ppm，测量得出U4a＝500mv；再已知空气中气体浓度为0时U4b＝0。根据这两点确定标定基准，气体的实时浓度P＝U4*1000/(U4a-U4b)单位ppm。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (9)

1.一种基于可调谐半导体激光器的在线式原油挥发气体传感器，其特征在于包括：
集成所述检测单元的探头、激光光源以及计算单元；
所述的探头包括：
封装在探头内部的无源的光纤气室、干涉光路以及光纤光栅温度传感器；
所述的激光光源经过光纤将检测光传输到所述的无源光纤气室、干涉光路以及光纤光栅温度传感器；
所述的无源光纤气室、干涉光路以及光纤光栅温度传感器分别连接有信号检测模块；
计算单元接受信号检测模块输出的信号，经过计算得到折射率、温度、湿度参数；
根据所述的折射率、温度和湿度，计算得出当前油气浓度。
2.根据权利要求1所述的基于可调谐半导体激光器的在线式原油挥发气体传感器，其特征还在于：
所述的激光光源包括：通过光纤照射无源光纤气室的第一激光器以及通过耦合器分别照射干涉光路和光纤光栅温度传感器的第二激光器。
3.根据权利要去2所述的基于可调谐半导体激光器的在线式原油挥发气体传感器，其特征还在于：
所述的第一激光器为1392nm激光器；第二激光器为1550nm激光器。
4.根据权利要求2所述的基于可调谐半导体激光器的在线式原油挥发气体传感器，其特征还在于光纤光栅温度传感器包括光纤环形器、光电接收器，数据处理模块；
所述的第二激光器发射的激光通过所述的光纤环形器进入光纤光栅，光栅返回光进入环形器进入光电接收器转化为电流，通过对电流值的分析计算得出光栅中心波长的变化量，进而测量出光栅所处位置的温度。
5.根据权利要求1所述的基于可调谐半导体激光器的在线式原油挥发气体传感器，其特征还在于浓度计算方法如下：
定义：修正后浓度P1、当前温度T、当前湿度Q、未修正浓度P、基准温度T0、基准湿度Q0；
系统使用前进行初始化，初始化期间记录基准温度和基准湿度。
浓度修正算法如下：
P1＝(Q-Q0)*A+(T-T0)*B+P
A为湿度修正因数，B为温度修正因数，AB参数在初始化过程中进行设置。
6.根据权利要求1所述的基于可调谐半导体激光器的在线式原油挥发气体传感器，其特征还在于所述的探头还包括：
光纤分路器，外部入射光源经由该光纤分路器1，分为至少2束，进入气体检测回路和参考回路；
所述的检测回路，至少包括发射准直器、接收准直器、以及位于两准直器之间的开放型气体检测区域；
所述的参考回路，至少包括发射准直器、接收准直器、以及位于所述发射准直器和接收准直器之间的开放型参考区域。
7.根据权利要求6所述的基于可调谐半导体激光器的在线式原油挥发气体传感器，其特征还在于：
所述的检测回路中还具有回路光纤分路器，将输入的光纤分为检测光纤和对照光纤；
所述的检测光纤与一发射准直器连接，发射准直器照射所述的开放型气体检测区域，由一接收准直器接收后，由一接收光纤传到至检测回路的末端光纤分路器；
所述的回路光纤分路器通过对照光纤与所述的末端光纤分路器连接。
8.根据权利要求7所述的基于可调谐半导体激光器的在线式原油挥发气体传感器，其特征还在于：所述的参考回路中还具有回路光纤分路器，将输入的光纤分为参考光纤和对照光纤；
所述的参考光纤与一发射准直器连接，发射准直器照射所述的开放型参考区域，由一接收准直器接收后经光纤传递至参考回路的末端光纤分路器。
9.根据权利要求7或8所述的基于可调谐半导体激光器的在线式原油挥发气体传感器，其特征还在于：
所述的开放型气体检测区域和开放型参考区域为气室。
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