CN1793864A - 基于光纤布拉格光栅的甲烷分布式传感方法及设备 - Google Patents

基于光纤布拉格光栅的甲烷分布式传感方法及设备 Download PDF

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管祖光
陈达如
何赛灵
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Abstract

本发明涉及一种基于光纤布拉格光栅的甲烷分布式传感方法及设备。现有的甲烷浓度测量方法难以实现分布式测量。本发明在光纤布拉格光栅上镀上一层厚1～5微米的铂膜，金属铂作为催化剂催化外界气体中的甲烷与氧气发生氧化反应，将化学能转化为热能，光纤布拉格光栅的反射峰位置随温度的变化而变化，通过确定反射峰波长获得待测气体中甲烷的浓度信息。利用宽带光源、波分复用的一组串联的光纤布拉格光栅和光纤布拉格光栅解调系统，可实现多个甲烷传感器的分布式测量。

Description

基于光纤布拉格光栅的甲烷分布式传感方法及设备
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及了一种基于光纤布拉格光栅的甲烷分布式传感方法及设备。
背景技术
甲烷在日常生活和工业生产中应用广泛，如沼气、天然气和家庭用燃气都含有甲烷，同时它也是一种易燃易爆气体，在空气中浓度超过5.9％就极易引起爆炸。《煤矿安全规程》明文规定要对煤矿中的甲烷含量进行多点、实时的高精度监测。
现有应用比较广泛的甲烷测量方法主要包括催化氧化法和光谱吸收法。其中催化氧化法利用催化剂催化甲烷和氧气的氧化反应，将化学能转化为热能，由热敏电阻测出温度的变化，从而得到甲烷浓度值。该方法一般只能达到0.1％的测量精度，而且电路部分容易受外界电磁干扰，影响测量准确度；由于需要电源供电，有发出电火花的安全隐患；该方法还不利于实现分布式传感。另一种光谱吸收法，利用Lambert-Beer定律，通过测甲烷对特定波长的光能量的损耗来确定气体浓度，该方法测量精度较高，但由于需要通过几何光学的方法来增大光程以提高测量灵敏度，所以集成性相对较差，而且实现分布式测量难度很大。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种安全、测量精度高的基于光纤布拉格光栅的甲烷分布式传感方法，同时提供了实现该方法的设备。
本发明的方法包括以下步骤：
1、选择n个反射峰波长位置间隔大于2纳米的光纤布拉格光栅通过光纤进行串联，n≥3；
2、运用真空镀膜技术在每个光纤布拉格光栅表面镀上一层铂膜，作为催化剂。在催化剂的作用下，待测气体中的甲烷与空气中的氧气发生氧化反应放出热量，使铂膜附近温度升高，导致光纤布拉格光栅反射峰位置漂移；
3、将一个镀有铂膜的光栅置于不同标准浓度的甲烷气体样本中，检测该光栅反射峰波长漂移量；
4、利用步骤3测得的数据对该光栅反射峰位置漂移与甲烷浓度的关系进行定标，用线性拟合的方法获得光栅反射峰位置漂移与甲烷浓度之间的线性关系：
Δλ＝αn，(1)
其中，Δλ为光栅反射峰波长漂移量，n为甲烷气体浓度，α为比例系数；
5、重复步骤3和4，获得所有光纤布拉格光栅的反射峰位置漂移量与甲烷浓度之间的线性关系；
6、将覆盖所有光纤布拉格光栅反射峰波长的宽带光源由①端口进入环型器，由②端口将光输入波分复用的一组串联的光纤布拉格光栅；包含对应各个光栅位置甲烷浓度信息的反射光信号，经环型器②端口和③端口进入光纤布拉格光栅波分复用解调系统解调，获得各个光栅的反射峰波长漂移量，根据公式(1)获得对应检测点的甲烷气体浓度。
实现该方法的设备包括：宽带光源与环型器①端口通过光纤连接，环型器②端口与n(n≥3)个串联的光纤布拉格光栅通过光纤连接，所述的各个光纤布拉格光栅表面镀有铂膜，铂膜层的厚度为1～5微米。环型器③端口与光纤布拉格光栅波分复用解调系统通过光纤连接。解调系统可以通过市场购买取得，例如英国SMARTFIBRES公司的W3系列光纤布拉格光栅波分复用解调系统。
本发明通过一组串联的镀有铂膜的光纤布拉格光栅进行甲烷气体浓度检测，可以实现分布式、远距离的测量。在室温环境下，一般甲烷在空气中的体积比每增加1％，铂膜附近温度会升高0.5摄氏度，光栅反射峰位置移动5皮米(铂膜层厚度3微米时)，即系统灵敏度为0.2％每皮米，现有的光纤布拉格光栅波分复用解调系统分辨率可达0.2皮米，故本发明对甲烷气体的测量精度高达0.04％。又由于本发明的传感部分完全无电源，用于甲烷气体浓度监测非常安全。同时本发明还兼具抗电磁干扰能力强、结构简洁安装方便等优点。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为甲烷气体浓度与光栅反射峰波长漂移量的关系图。
具体实施方式
如图1，选择一组各个反射峰波长位置间隔3个纳米的光纤布拉格光栅4进行串联；运用真空镀膜技术在每个光纤布拉格光栅4表面镀上一层3微米的铂膜3，作为催化剂。在催化剂的作用下，待测气体中的甲烷与空气中的氧气发生氧化反应放出热量，使铂膜3附近温度升高，导致光纤布拉格光栅4反射峰位置漂移。覆盖所有光纤布拉格光栅反射峰波长的宽带光源1与环型器2的①端口通过光纤连接，环型器2的②端口与一组镀有铂膜3的光纤布拉格光栅4通过光纤连接，环型器2的③端口与光纤布拉格光栅波分复用解调系统5通过光纤连接。
如图2，对一个光栅反射峰位置漂移与甲烷气体浓度的关系进行定标：将镀有铂膜的光栅置于不同标准浓度的甲烷气体样本中，测得光栅对应的反射峰波长漂移，定标数据见表1。
                             表1
  Δλ(pm)  0   -1.16   -2.44   -3.87   -4.66   -5.86   -6.24   -7.26
  n(％)  0   0.2   0.4   0.6   0.8   1   1.2   1.4
  Δλ(pm)   -8.33   -9.51   -10.34   -11.35   -12.15   -13.51   -14.87   -15.34
  n(％)   1.6   1.8   2   2.2   2.4   2.6   2.8   3.0
对上述数据进行线性拟合，可获得波长漂移量Δλ(pm)与甲烷浓度n(％)的关系
Δλ＝-0.504n
用相同方法测得其他光栅的波长漂移量Δλ(pm)与甲烷气体浓度n(％)的关系。
宽带光源和光栅波分复用解调系统安装在井上监测中心，将各个镀有铂膜的光纤布拉格光栅安装在煤矿巷道内的各个检测位置，宽带光由一根光纤传输至串联的光栅，各个光栅的反射光经环型器进入光栅波分复用解调系统，由该系统读出各个光栅的反射光波长位置，根据每个光栅的波长漂移量Δλ(pm)与甲烷浓度n(％)的关系，获得光栅对应位置测量点的甲烷浓度信息。
本方案具有测量精度高、安全性能好、分布式传感、抗电磁干扰和结构简洁安装方便等优点。

Claims (2)

1、基于光纤布拉格光栅的甲烷分布式传感方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)、选择n个反射峰波长位置间隔大于2纳米的光纤布拉格光栅通过光纤进行串联，n≥3；
(2)、运用真空镀膜技术在每个光纤布拉格光栅表面镀上一层铂膜；
(3)、将一个镀有铂膜的光栅置于不同标准浓度的甲烷气体样本中，检测该光栅反射峰波长漂移量；
(4)、利用步骤(3)测得的数据对该光栅反射峰位置漂移与甲烷浓度的关系进行定标，用线性拟合的方法获得光栅反射峰位置漂移与甲烷浓度之间的线性关系：
Δλ＝αn
其中Δλ为光栅反射峰波长漂移量，n为甲烷气体浓度，α为比例系数；
(5)、重复步骤(3)和(4)，获得所有镀有铂膜光纤布拉格光栅的反射峰位置漂移量与甲烷浓度之间的线性关系；
(6)、将覆盖所有光纤布拉格光栅反射峰波长的宽带光源由①端口进入环型器，由②端口将光输入波分复用的一组串联的光纤布拉格光栅；包含对应各个光栅位置甲烷浓度信息的反射光信号，经环型器②端口和③端口进入光纤布拉格光栅波分复用解调系统解调，获得各个光栅的反射峰波长漂移量，根据各个光栅的反射峰位置漂移量与甲烷浓度之间的线性关系获得对应检测点的甲烷气体浓度。
2、采用权利要求1方法所使用的设备，其特征在于该设备包括n个串联的光纤布拉格光栅，n≥3；宽带光源与环型器①端口通过光纤连接，环型器②端口与光纤布拉格光栅组通过光纤连接；环型器③端口与光纤布拉格光栅波分复用解调系统通过光纤连接；所述的各个光纤布拉格光栅表面镀有铂膜。
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