CN1904594A - 基于光纤布拉格光栅对和催化氧化原理的甲烷传感装置 - Google Patents
基于光纤布拉格光栅对和催化氧化原理的甲烷传感装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN1904594A CN1904594A CN 200610052879 CN200610052879A CN1904594A CN 1904594 A CN1904594 A CN 1904594A CN 200610052879 CN200610052879 CN 200610052879 CN 200610052879 A CN200610052879 A CN 200610052879A CN 1904594 A CN1904594 A CN 1904594A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- bragg grating
- fiber
- fiber bragg
- circulator
- methane sensing
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 72
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 title claims abstract description 14
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 title claims abstract description 12
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 title claims abstract description 10
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 14
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 claims abstract description 10
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims description 12
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 description 11
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 238000010892 electric spark Methods 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 238000000985 reflectance spectrum Methods 0.000 description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 239000000567 combustion gas Substances 0.000 description 1
- 239000012792 core layer Substances 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 1
- 239000011551 heat transfer agent Substances 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000011435 rock Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明涉及一种基于光纤布拉格光栅对和催化氧化原理的新型甲烷传感装置。本发明包括甲烷传感头和相干解调机构。甲烷传感头包括由光信号连接的两个相同的光纤布拉格光栅构成的传感器，甲烷催化氧化的黑元件和白元件分别与两个光纤布拉格光栅位置对应。相干解调机构包括环行器、光电二极管、2×2光纤耦合器、光纤准直器，对应两个光纤准直器位置设有两个反射镜，其中一个反射镜通过步进电机控制其位置移动。环行器的②端口与光纤布拉格光栅光信号连接。本发明实现多个传感器的复用、准分布式传感，同时解决了原来电学处理系统的易受电磁干扰、存在电火花安全隐患的问题。
Description
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对(FBGP)和催化氧化原理的新型甲烷传感装置。
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。该方法测量精度较高，但处理电路容易受外界电磁干扰，影响测量准确度，而且处理电路需要电源供电，有发出电火花的安全隐患。另外，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
本发明就是针对现有技术的不足，在催化氧化甲烷传感法的基础上，结合一种光纤布拉格光栅对构成的法泊腔干涉仪，提出了一种既能提高测量精度，又能降低电火花危险，还能实现分布式传感的一种新型甲烷传感装置。
本发明装置包括甲烷传感头和相干解调机构。
两个相同的光纤布拉格光栅(FBG)通过光信号连接构成传感器。甲烷催化氧化的黑元件和白元件的两端分别与直流电源的正负极连接，并且黑元件和白元件分别与两个光纤布拉格光栅位置对应。以上部分构成一个甲烷传感头。
光源的输出端与环行器的①端口光信号连接，环行器的③端口和光电二极管的输入端分别与2×2光纤耦合器的一边光信号连接，光电二极管的输出端与数据采集卡电连接。2×2光纤耦合器的另一边分别与两个光纤准直器光信号连接，对应两个光纤准直器位置设有两个反射镜，其中一个反射镜通过步进电机控制其位置移动。以上部分构成相干解调机构。
相干解调机构中环行器的②端口与甲烷传感头中的光纤布拉格光栅光信号连接。多个甲烷传感头的传感器可以通过串联或并联后再与相干解调机构中环行器的②端口光信号连接。
将本发明装置置于甲烷浓度监控位置，用直流电源(1.5V干电池)分别对黑白元件供电，当外界甲烷浓度上升，黑元件附近温度升高，而白元件附近温度不变，两个光纤布拉格光栅由于所处环境温度不同引起它们的反射峰波长之间发生偏差，导致光谱重叠面积变小，从而由这两个光纤布拉格光栅构成的法泊腔干涉仪(FPI)的干涉强度减弱。通过监视干涉强度可实现对甲烷浓度的传感。
本发明适用于多点的甲烷浓度高精度测量。由于光纤布拉格光栅反射峰带宽很窄，利用这种反射峰波长失配引起干涉强度减弱的测量方法可达到很高的精度和分辨率。通过设置每个传感器中不同的光栅中心距离，可以实现多个传感器的复用，实现准分布式传感。另外，由于光信号由光纤传输到远程解调机构，因此解决了原来电学处理系统的易受电磁干扰、存在电火火安全隐患的问题。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为干涉强度与光纤布拉格光栅反射谱波长失配之间的关系图。
具体实施方式
如图1所示，光纤布拉格光栅3和4通过光纤连接构成传感器。催化氧化黑元件5和白元件7两端分别与直流电源6的正负极连接。光纤布拉格光栅3与白元件7位置对应，光纤布拉格光栅4与黑元件5位置对应，上述设备构成本发明的一个甲烷传感头。
普通光源(带宽约1nm，CW)1的输出端与环行器2的①端口光信号连接，环行器2的③端口和光电二极管8的输入端分别与2×2光纤耦合器9的一边光信号连接，光电二极管8的输出端与数据采集卡电连接。2×2光纤耦合器9的另一边分别与两个光纤准直器12光信号连接，对应两个光纤准直器12位置设有两个反射镜10和11，其中一个反射镜10通过步进电机控制其位置移动。以上部分构成相干解调机构。
光纤布拉格光栅3的输入端通过环行器2的②端口与①端口与光源1光信号连接。
将上述甲烷传感头置于甲烷浓度监控位置，用直流电源(1.5V干电池)分别对黑白元件供电，当外界甲烷浓度上升，黑元件附近温度升高，而白元件附近温度不变，两个光纤布拉格光栅由于所处环境温度不同引起它们的反射峰波长之间发生偏差，导致光谱重叠面积变小，从而由这两个光纤布拉格光栅构成的法泊腔干涉仪(FPI)的干涉强度减弱。通过监视干涉强度可实现对甲烷浓度的传感。
图2显示了理论计算和实验获得的干涉强度与光纤布拉格光栅反射谱波长失配之间的关系。(采用的光栅参数为：栅区长2mm，DC折射率调制1.15×10-4，AC折射率调制0.90×10-4，光栅中心距离28mm。)
上述的两个完全相同的光纤布拉格光栅构成的一个法泊干涉仪(FPI)，该干涉仪反射的光信号引入一个与光纤布拉格光栅中心距离成正比的光程差(OPD)：
OPD＝2nefflc-c， (1)
其中，neff是光纤芯层有效折射率，lc-c是两个光纤布拉格光栅的中心距离。
携带传感信息的反射信号光经环行器进入一个2×2光纤耦合器，2×2光纤耦合器将光信号分成等光强的两束；两束等光强的信号光分别通过光纤准直器入射到反射镜上并反射耦合回光纤；控制其中一个反射镜的位置移动，使两路信号光之间引入另一个入光程差，并产生扫描，从而补偿光纤布拉格光栅对甲烷传感器引入的光程差。补偿后的两路光信号在2×2耦合器中汇合干涉，干涉信号经2×2耦合器的一臂，由光电二极管转化为电信号。
从(1)式可以看到，不同光栅中心距离的传感头引入的相位差不同，通过串联或并联布置一系列不同光栅中心距离的传感头并移动可扫描反射镜，当反射镜扫描到某一位置，某个传感头引入相位差被补偿为零，则该传感头对应的光干涉信号出现。通过上述方法可实现多个甲烷传感头的复用和解调。
Claims (2)
1、基于光纤布拉格光栅对和催化氧化原理的甲烷传感装置，其特征在于该装置包括甲烷传感头和相干解调机构；所述的甲烷传感头包括由光信号连接的两个相同的光纤布拉格光栅构成的传感器，甲烷催化氧化的黑元件和白元件的两端分别与直流电源的正负极连接，并且黑元件和白元件分别与两个光纤布拉格光栅位置对应；所述的相干解调机构包括光源，光源的输出端与环行器的①端口光信号连接，环行器的③端口和光电二极管的输入端分别与2×2光纤耦合器的一边光信号连接，光电二极管的输出端与数据采集卡电连接，2×2光纤耦合器的另一边分别与两个光纤准直器光信号连接，对应两个光纤准直器位置设有两个反射镜，其中一个反射镜通过步进电机控制其位置移动；相干解调机构中环行器的②端口与甲烷传感头中的光纤布拉格光栅光信号连接。
2、如权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅对和催化氧化原理的甲烷传感装置，其特征在于多个甲烷传感头的传感器通过串联或并联后再与相干解调机构中环行器的②端口光信号连接。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN200610052879XA CN1904594B (zh) | 2006-08-10 | 2006-08-10 | 基于光纤布拉格光栅对和催化氧化原理的甲烷传感装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN200610052879XA CN1904594B (zh) | 2006-08-10 | 2006-08-10 | 基于光纤布拉格光栅对和催化氧化原理的甲烷传感装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN1904594A true CN1904594A (zh) | 2007-01-31 |
| CN1904594B CN1904594B (zh) | 2011-06-29 |
Family
ID=37673898
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN200610052879XA Expired - Fee Related CN1904594B (zh) | 2006-08-10 | 2006-08-10 | 基于光纤布拉格光栅对和催化氧化原理的甲烷传感装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN1904594B (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101046450B (zh) * | 2007-04-19 | 2010-05-19 | 山东科技大学 | 光纤光栅甲烷检测的方法和设备 |
| CN102162742A (zh) * | 2011-01-07 | 2011-08-24 | 哈尔滨工程大学 | 基于非平衡Michelson干涉式准分布光纤白光应变传感解调装置 |
| CN103033490A (zh) * | 2013-01-05 | 2013-04-10 | 华南师范大学 | 一种利用光热光纤进行甲烷浓度传感的装置和方法 |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| IT1293631B1 (it) * | 1997-07-18 | 1999-03-08 | Fiat Ricerche | Sistema per controllare lo stato di sollecitazione di bombole ad alta pressione, particolarmente bombole di gas metano per autoveicoli. |
| CN2559981Y (zh) * | 2002-02-08 | 2003-07-09 | 武汉理工大学 | 一种新型光纤气敏传感测量装置 |
| CN1176390C (zh) * | 2003-04-28 | 2004-11-17 | 浙江大学 | 一种基于光纤光栅温度不敏感的钯膜氢敏感装置 |
| CN100483107C (zh) * | 2005-11-22 | 2009-04-29 | 重庆工学院 | 分布式微结构光纤瓦斯传感系统及传感方法 |
| CN1793864A (zh) * | 2006-01-17 | 2006-06-28 | 浙江大学 | 基于光纤布拉格光栅的甲烷分布式传感方法及设备 |
| CN2938082Y (zh) * | 2006-08-10 | 2007-08-22 | 浙江大学 | 基于光纤布拉格光栅对和催化氧化原理的甲烷传感器 |
-
2006
- 2006-08-10 CN CN200610052879XA patent/CN1904594B/zh not_active Expired - Fee Related
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101046450B (zh) * | 2007-04-19 | 2010-05-19 | 山东科技大学 | 光纤光栅甲烷检测的方法和设备 |
| CN102162742A (zh) * | 2011-01-07 | 2011-08-24 | 哈尔滨工程大学 | 基于非平衡Michelson干涉式准分布光纤白光应变传感解调装置 |
| CN102162742B (zh) * | 2011-01-07 | 2012-08-22 | 哈尔滨工程大学 | 基于非平衡Michelson干涉式准分布光纤白光应变传感解调装置 |
| CN103033490A (zh) * | 2013-01-05 | 2013-04-10 | 华南师范大学 | 一种利用光热光纤进行甲烷浓度传感的装置和方法 |
| CN103033490B (zh) * | 2013-01-05 | 2015-09-16 | 华南师范大学 | 一种利用光热光纤进行甲烷浓度传感的装置和方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN1904594B (zh) | 2011-06-29 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101046451B (zh) | 全光纤干涉式甲烷检测的方法和设备 | |
| CN201845405U (zh) | 标准具与温控光栅联合的光纤光栅温度火灾报警系统 | |
| CN100468049C (zh) | 一种光纤传输的红外吸收式甲烷气体的检测方法 | |
| CN101839759B (zh) | 一种少模光纤倾斜光栅振动传感系统 | |
| CN100585383C (zh) | 一种基于纤芯失配的光纤甲烷传感系统 | |
| CN101281127A (zh) | 一种光纤分布式多点瓦斯实时监测仪及监测方法 | |
| CN101545856A (zh) | 煤矿采空区火灾光纤气体检测仪 | |
| CN201707750U (zh) | 气体光谱吸收盒与温控光栅联合光纤光栅火灾报警系统 | |
| CN103196520A (zh) | 异芯结构透射式光纤液位传感器 | |
| CN108445362A (zh) | 基于光纤传感技术的局部放电超声信号检测系统及方法 | |
| CN1793864A (zh) | 基于光纤布拉格光栅的甲烷分布式传感方法及设备 | |
| CN1904594B (zh) | 基于光纤布拉格光栅对和催化氧化原理的甲烷传感装置 | |
| CN207232005U (zh) | 基于弱光纤光栅和光时域反射仪的复用光纤气体传感系统 | |
| CN100424495C (zh) | 煤矿瓦斯差分吸收式光纤多点监测系统 | |
| CN103033490B (zh) | 一种利用光热光纤进行甲烷浓度传感的装置和方法 | |
| CN201903411U (zh) | 基于光纤光栅温度传感器的电力设备温度在线监测系统 | |
| CN101046450B (zh) | 光纤光栅甲烷检测的方法和设备 | |
| CN2938082Y (zh) | 基于光纤布拉格光栅对和催化氧化原理的甲烷传感器 | |
| CN201373781Y (zh) | 半导体吸收式光纤温度检测装置 | |
| CN2715111Y (zh) | 多通道光纤光栅传感装置 | |
| CN102841074A (zh) | 一种温控半导体激光波长扫描光纤测量煤矿瓦斯方法 | |
| CN2559981Y (zh) | 一种新型光纤气敏传感测量装置 | |
| CN102478510A (zh) | 一种用于甲烷探测的光谱式传感器 | |
| CN200955961Y (zh) | 光纤布拉格光栅传感器的相干复用装置 | |
| CN203672333U (zh) | 一种基于腰椎放大熔接光纤光栅的曲率传感器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20110629 Termination date: 20120810 |