CN203838058U - 一种可实现多点监测的波分复用光纤氢气传感系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可实现多点监测的波分复用光纤氢气传感系统，包括光源、光学强度调制器、光纤环形器、光纤传感头、光电探测器和信号处理单元；所述光纤环形器与光纤传感头和光电探测器之间分别设置有密集波分复用器，所述两个密集波分复用器之间的光路一一对应。本实用新型解决了目前国内外的光纤氢气传感系统仅能实现单点测量，而无法对待测对象或待测区域进行大数量点数的阵列式或区域覆盖式氢气监测的难题。

Description

一种可实现多点监测的波分复用光纤氢气传感系统

技术领域

本实用新型涉及传感技术及氢气监测领域，特别是涉及一种可实现多点监测的波分复用光纤氢气传感系统。

背景技术

随着现代工业的发展，氢气作为一种重要的工业原料在电力、航天、航空、航海、化工等各部门得到了广泛的应用，但氢气的不确定性泄漏可能危害生命或对工业设备及所处环境造成极大的破坏，因此，如何对氢气及其浓度进行快速精确的在线测量变得越来越重要。

在众多领域中都需要对氢气及其浓度进行监测，且大多处于较为复杂、危险和干扰大的环境中，在这种情况下，科学家们都认为不能采用电子式的氢气传感系统，因为其传感部分为电子器件，信号传输载体为导线，这会导致电磁干扰和电火花，前者影响所处环境中的电子系统，后者会在包含含能材料的环境中（尤其是核电站中）引起灾难性的后果。为了避免电子式氢气传感系统的潜在危险，国外开始重点研究光纤氢气传感系统，因为该类传感系统在氢气监测方面具有极为突出的优势：一是安全性高，可靠性好，因为传感部分和传输部分均使用光纤，其内部传输光信号，具有良好的电绝缘性和抗电磁干扰性，能避免产生电火花，对被测环境干扰小；二是体积小，重量轻，可以任意弯曲，柔韧性极好，可以安装在狭小空间内，且安装简单，成本低；三是灵敏度高，响应时间短；四是环境适应性好，光纤材料在高温、高压、低温和强腐蚀等恶劣环境下性能稳定。

进行氢气监测的各类应用场合，均提出了对待测对象或待测区域进行大数量点数的阵列式或区域覆盖式监测的要求，例如在上述核电站、航天/航空飞行器的发动机、潜艇燃料、电站汽轮发电机机组等领域中，均需对多个部件或在多个位置监测氢气，但在国内外的相关研究中，目前已有的光纤氢气传感系统仅能在待测对象上或区域中进行单点测量，即1套光纤氢气传感系统仅能实现1个点的氢气监测，更多点数的测量，需通过多套光纤传感系统的叠加实现，随着测量点数的增多，其整套系统的复杂度、成本和体积均大幅增加，因此难以采用常规光纤氢气传感系统的简单叠加方式实现大数量点（几点、十几点乃至数十点）测量，从而急需研制一种能够实现对待测对象或待测区域进行大数量点数的阵列式或区域覆盖式氢气监测的新型光纤氢气传感系统。

实用新型内容

本实用新型针对上述存在的问题，提出一种波分复用光纤氢气传感系统，能够满足对待测对象或待测区域进行大数量点数的阵列式或区域覆盖式氢气监测的要求。

本实用新型采用如下技术方案：一种可实现多点监测的波分复用光纤氢气传感系统，包括光源、光学强度调制器、光纤环形器、光纤传感头、光电探测器和信号处理单元；所述光源输出的激光经光学强度调制器进行幅度调制，调制后的激光通过光纤环形器进入光纤传感头，光纤传感头将反射的光信号经过光纤环形器到光电探测器解析后到信号处理单元，最后输出；所述光源为宽带光源，所述光纤环形器与光纤传感头和光电探测器之间分别设置有密集波分复用器，所述两个密集波分复用器之间的光路一一对应。

在上述技术方案中，所述密集波分复用器与光纤传感头之间设置有可调光纤延迟线。

在上述技术方案中，所述密集波分复用器的每一路光路分别与一个光纤传感头连接，且每一路光路中设置一根可调光纤延迟线。

在上述技术方案中，所述每一根可调光纤延迟线与光纤传感头与密集波分复用器之间分别设置有用于连接的光纤法兰。

在上述技术方案中，所述可调光纤延迟线的长度可调。

在上述技术方案中，所述与光电探测器连接的密集波分复用器的每一路光路连接一个独立的光电探测器。

在上述技术方案中，所述光纤环形器可用光纤耦合器替换。

本实用新型中，所述密集波分复用器为光纤通信领域的常用元器件，可有1??4（1路分为4路，后同）、1??8、1??16等多种规格，即是说一台密集波分复用器最大可以满足64个探测点的数据采集，且该技术为成熟技术。

本实用新型中，所述光纤传感头为单端反射式的全光纤结构，在其端面镀有氢敏材料构成的反射膜，所述氢敏材料对氢气较为敏感，主要包括纯钯膜、钯铜合金膜、钯银合金膜和钯金合金膜。

本实用新型中，所述光纤法兰为光纤及其接头的连接元件，为光纤通信领域的常用元器件，一般有FC、SC、LC等类型，其连接简单可靠。

本实用新型中，所述信号处理单元包含模拟部分和数字部分，采用微弱信号检测技术和特定的信号处理算法，获得氢气数据，并可通过输出接口将该数据发送到显示设备。

本实用新型的基本工作流程为：光源输出的激光被所述光学强度调制器进行幅度调制，被调制后的激光通过所述光纤环形器进入密集波分复用器，并被解复用成波长不同的多路激光，通过多根可调光纤延迟线传输至不同位置处的多个光纤传感头，并在所处位置监测氢气及其浓度；带有各个位置氢气信息的多路传感光信号，被光纤传感头的反射膜反射，经过密集波分复用器和光纤环形器，返回至光电探测器，被转换成电信号后，进入信号处理单元进行相关处理，即可得到各个位置的氢气数据。

本实用新型的优点在于：解决了目前国内外的光纤氢气传感系统仅能实现单点测量，而无法对待测对象或待测区域进行大数量点数的阵列式或区域覆盖式氢气监测的难点。

优点一：仅仅通过增加两个密集波分复用器，一台传感系统主机便可搭配多个（具体数量等于密集波分复用器的通道数）传感头使用，即采用一套系统便可实现多点（具体数量等于密集波分复用器的通道数）氢气监测，同时监测点的数量可随着密集波分复用器通道数量的增加而增加，易于调整。

优点二：多个光纤传感头共用一台传感系统主机，共享所需器材，大幅度节省了器材数量、系统体积和成本，监测点数量越多，节省幅度越大。

优点三：通过多个长度可调节的光纤延迟线，可将多个光纤传感头放置于不同距离的多个监测位置，减小了对传感系统主机安装地点的限制，以及主机安装地点与监测点之间的距离限制；

优点四：光纤传感头和可调光纤延迟线通过光纤法兰与传感系统主机进行连接，易于安装和更换。

附图说明

本实用新型将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是光纤氢气传感系统的基本结构；

图2是波分复用光纤氢气传感系统的基本结构；

图中：1-宽带光源；2-光学强度调制器；3-光纤环形器；4-光纤传感头；5-光电探测器；6-信号处理单元；7-数据输出及显示；8-传感系统主机；9-密集波分复用器；10-光纤法兰；11-可调光纤延迟线。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

光纤气体传感系统大多利用气体光谱吸收原理，即每一种气体都有其固有的吸收光谱，当光源（一般使用近红外和红外波段的光源，因为该波段的光纤技术和所涉及的器件较为成熟）的发射波长与气体的特征吸收峰波长相吻合时，就会发生共振吸收，其吸收强度与该气体的浓度有关，通过测量光的吸收强度就可测量气体及其浓度。基于气体光谱吸收原理，目前开发了多种光纤气体传感系统，且技术成熟，已有商业化的产品并得到了实际应用，可对二氧化碳CO₂、甲烷CH₄、水蒸气H₂O、二氧化氮NO₂、一氧化碳CO、乙炔C₂H₂、硫化氢H₂S、氨气NH₃等多种气体进行检测。

尽管光谱吸收原理可以对多种气体进行检测，但却不适用于氢气，因为氢气的吸收谱线为0.37mm～0.66mm，与光纤技术最成熟的红外波段之间没有交集，从而缺乏很多必需的光纤器件。经过多年的发展，国内外最终采用了一种新型的光纤传感技术来检测氢气，其原理是利用金属钯对氢气的溶解度和选择性很高，采用钯或钯合金薄膜作为敏感材料，通过光纤技术测量薄膜的透射率、折射率等物理性能的改变（影响传输光的相位、光强等参数），以之检测氢气及其浓度的变化。

国内外研究的光纤氢气传感系统一般采用图1所示的结构，包括光源1、光学强度调制器2、光纤环形器3、光纤传感头4、光电探测器5、信号处理单元6、数据输出及显示7等模块，其中除去光纤传感头4外，其余6个模块组成了光纤氢气传感系统主机8。

光源1发出的直流光经过光学强度调制器2后，被调制成交流光，再经过光纤环形器3输出至监测点处的光纤传感头4。光纤传感头4的端面镀有一层钯或钯合金薄膜，从而注入光纤传感头4的光会在该端面上产生反射，当光纤传感头4感应到氢气时，钯与氢作用并引起膜层反射率发生变化，并反映在反射光的强度（光功率）变化上。载有氢气信息的传感光信号返回光纤环形器3，并经由光纤环形器3输出至光电探测器5，转换为电压信号并送入信号处理单元6进行相关处理，即可得到该处监测点的氢气信息。最后，通过数据输出及显示7，将获得的数据发送到后继设备。

在核电站、航天/航空飞行器的发动机、潜艇燃料、电站汽轮发电机机组等领域中，均需对多个部件或在多个位置监测氢气，但图1所示的光纤氢气传感系统仅能在待测对象上或区域中进行单点测量，即1套光纤氢气传感系统（包括1台传感系统主机8和1个光纤传感头4）仅能实现1个点的氢气监测，更多点数的测量，需通过多套光纤传感系统的叠加实现，随着测量点数的增多，其整套系统（尤其是传感系统主机8）的复杂度、成本和体积均大幅增加，因此难以采用常规光纤氢气传感系统的简单叠加方式实现大数量点（几点、十几点乃至数十点）测量，从而急需研制一种能够对待测对象或待测区域进行大数量点数的阵列式或区域覆盖式氢气监测的新型光纤氢气传感系统。

本案如图2所示的新型波分复用光纤氢气传感系统包括传感系统主机8（一台）、可调光纤延迟线11（多根，不同长度）和光纤传感头4（多个，处于不同监测点），其中传感系统主机8包括宽带光源1、光学强度调制器2、光纤环形器3、光电探测器5、信号处理单元6、数据输出及显示7、密集波分复用器9、光纤法兰10等模块。

密集波分复用器9为光纤通信领域的常用器件，含多个通道，其功能是将不同波长的多束光信号复用至一根光纤上，或将复用在一根光纤中的多个波长的光信号按波长分隔开。密集波分复用器9的各个通道均有其通道的中心波长l_i（i=1～n，其中n为密集波分复用器9的通道数量，各个通道的中心波长均需按照ITU标准进行设定）和通道带宽，即存在滤波效应，只有波长与l_i匹配且处于通道带宽范围内的光信号才能通过该通道，简而言之，波长为l_i的光信号仅能通过密集波分复用器9中中心波长为l_i的通道。密集波分复用器9技术成熟，价格便宜，一般有1??4、1??8、1??16等多种规格，图2中以1??8规格的产品为例进行说明，如前所述，该产品可将不同波长（l₁～l₈）的八束光信号复用至1根光纤上，或将复用在1根光纤中的八个波长（l₁～l₈）的光信号按波长分割开，并输出至八根光纤。 

宽带光源1发出的直流宽谱光（光谱宽度覆盖l₁～l₈）经过光学强度调制器2后，被调制成交流宽谱光，再经过光纤环形器3输出至密集波分复用器9，被密集波分复用器9分割成八束窄带光，各束窄带光的波长与密集波分复用器9的各通道中心波长一一对应，为l₁～l₈，且各束窄带光的光谱宽度与所述密集波分复用器9的通道带宽一致。

传感系统主机8输出的八束波长为l₁～l₈的窄带光，通过八根不同长度的可调光纤延迟线11，传输至八个处于不同监测点的光纤传感头4，以感应该监测点处的氢气信息。传感系统主机8（一台）、可调光纤延迟线11（八根，不同长度）和光纤传感头4（八个，处于不同监测点）之间通过光纤法兰10进行连接，其连接简单可靠，易于在使用过程中更换不同的可调光纤延迟线11和光纤传感头4，直至满足测量需求

八个光纤传感头4感应到八个监测点的氢气信息，带有该信息的八束窄带光（波长l₁～l₈）被各自对应的光纤传感头4反射，通过各自对应的可调光纤延迟线11传输回传感系统主机8，并在密集波分复用器9处被复用成一束宽谱光，通过光纤环形器3传输至后端光路。

带有八个监测点氢气信息的1束宽谱光，被第二个密集波分复用器9再次分割成波长为l₁～l₈的八束窄带光，通过八个光电探测器5，将八束窄带光分别转换成各自一一对应的八路电压信号，送入信号处理单元6进行相关处理。因为密集波分复用器9各个通道的波长区分作用， 八路电压信号与八个监测点的光纤传感头4一一对应（对应关系如图2所示），从而可以利用这八路电压信号分别得到八个不同监测点的氢气信息，不会产生混淆。

最后，通过数据输出及显示7，将获得的数据发送到后继设备。

上述内容中，是以1??8规格的密集波分复用器9为例进行相关说明，可更换为1??4、1??16以及其他规格，在其他部分不做任何变动的情况下，即可实现4、16以及其他数量监测点数的氢气监测。

本实用新型并不局限于前述的具体实施方式。本实用新型扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (7)

1.一种可实现多点监测的波分复用光纤氢气传感系统，包括光源、光学强度调制器、光纤环形器、光纤传感头、光电探测器和信号处理单元；所述光源输出的激光经光学强度调制器进行幅度调制，调制后的激光通过光纤环形器进入光纤传感头，光纤传感头将反射的光信号经过光纤环形器到光电探测器解析后到信号处理单元，最后输出；其特征为所述光源为宽带光源，所述光纤环形器与光纤传感头和光电探测器之间分别设置有密集波分复用器，所述两个密集波分复用器之间的光路一一对应。

2.根据权利要求1所述的一种可实现多点监测的波分复用光纤氢气传感系统，其特征为所述密集波分复用器与光纤传感头之间设置有可调光纤延迟线。

3.根据权利要求2所述的一种可实现多点监测的波分复用光纤氢气传感系统，其特征为所述密集波分复用器的每一路光路分别与一个光纤传感头连接，且每一路光路中设置一根可调光纤延迟线。

4.根据权利要求3所述的一种可实现多点监测的波分复用光纤氢气传感系统，其特征为所述每一根可调光纤延迟线与光纤传感头与密集波分复用器之间分别设置有用于连接的光纤法兰。

5.根据权利要求3所述的一种可实现多点监测的波分复用光纤氢气传感系统，其特征为所述可调光纤延迟线的长度可调。

6.根据权利要求1所述的一种可实现多点监测的波分复用光纤氢气传感系统，其特征为所述与光电探测器连接的密集波分复用器的每一路光路连接一个独立的光电探测器。

7.根据权利要求1所述的一种可实现多点监测的波分复用光纤氢气传感系统，其特征为所述光纤环形器可用光纤耦合器替换。