CN203941103U - 一种基于分布反馈光纤激光器的微水检测系统 - Google Patents

Abstract

一种基于分布反馈光纤激光器的微水检测系统，属光纤激光传感检测技术领域。包括980nm泵浦光源、分布反馈光纤激光器阵列及解调系统等。其特征在于利用分布反馈光纤激光器作为传感基元并采用具有高强吸水特性的吸水膨胀橡胶和刚性金属材料对分布反馈光纤激光器进行封装。吸水膨胀橡胶吸水后会发生膨胀形变并对分布反馈光纤激光器产生挤压作用，从而引起分布反馈光纤激光器的波长产生漂移。采用高分辨率的干涉式波长位移解调和相位载波调制解调技术，可以准确得出挤压力大小并得出所检测气体中微水的含量。本实用新型对气体中的微水含量可实现远程在线检测，阵列中每个传感基元可远距离连接，可检测地域范围较大并可同时检测多种不同气体。

Description

一种基于分布反馈光纤激光器的微水检测系统

技术领域

本实用新型涉及一种基于分布反馈光纤激光器(DFB-FL)的微水检测系统，属于光纤激光传感与气体检测技术领域。

背景技术

微水含量的检测在电力工业、石油化工以及医疗行业等领域中有着至关重要的作用。随着电力工业的迅速发展，六氟化硫(SF6)电气设备得到了广泛的应用。在运行中，SF6气体受电弧放电或高温后，会分解成单体的氟、硫和氟硫化合物，电弧消失后会又化合成稳定的SF6气体。但是当气体中含有水分时，氟硫化合物会与水反应生成腐蚀性很强的氢氟酸、硫酸和其他毒性很强的化学物质等，从而腐蚀电气设备，降低设备绝缘能力，危及维护人员的生命安全。要完全清除仪器内SF6气体的水分是不可能的，但是时刻掌握SF6气体微水含量，采取相应的预防控制措施，减少SF6气体中的水分，可以保证和提高断路器的安全运行可靠性。天然气是当今世界上最重要的能源之一，且天然气在向外传输之前需要进行净化处理。水分是天然气中重要的污染物之一，在天然气的净化处理和传输的各阶段都需要实时监测水分含量。过多的水分会导致管道中水化物的形成以及运输管道的腐蚀，不仅降低天然气的热值和品质并会导致严重的安全事故。另外由于世界各地对天然气需求的快速增长，液化天然气的处理和传输得到了越来越多的关注。天然气中的水分在低温处理设备中结冰会损坏液化和压缩设备，因此在液化天然气的预处理、降温、加压等过程中需要精确地监测及控制水分含量。由此可见，随着人们对环境质量和生产安全的重视，微水检测、分析仪器或方法应运而生，新型的气体检测技术也在不断的研究和创新中。如浙江大学的宓云軿，王晓萍等，于2007年，在光学仪器期刊上发表了文章《光腔衰荡光谱技术及其应用综述》，阐述了一种用于气体检测的衰荡光谱技术，该技术利用计算光脉冲的e指数衰减时间常数来得到气体浓度，该技术虽然能达到较低的检测限，但是结构较复杂，难以实现多点同时检测。

分布反馈光纤激光器(DFB-FL)是一种新型有源的光纤传感元件，当有外部压力作用其上时，DFB-FL的光纤光栅长度和折射率都会产生变化，从而会引起DFB-FL输出激光波长的移动。采用高分辨率的干涉式波长位移解调和相位载波调制解调技术，可以精确的得到波长的变化量，并且此方法具有极高的探测灵敏度和极大的动态范围。由于DFB-FL具有波长编码特性，可利用波分复用技术，在同一根光纤中串联多个不同波长的DFB-FL组成光纤传感阵列，易于复用组阵。而DFB-FL作为传感基元的工作环境一般都比较恶劣，需要进行封装设计来对传感器件进行保护和维护传感器件的传感特性。一般的封装形式是外壳采用刚性材料，例如铝合金，内部填充弹性材料等。而吸水膨胀橡胶(Water swelling rubber，简称WSR)是20世纪70年代后期开发的一种新型的功能性吸水材料。WSR具有快速吸水及保持大量水分而又不溶于水的特点，吸水后可膨胀至自身质量或体积的数倍乃至数百倍，并产生较大膨胀压力。这里就可以将WSR作为DFB-FL封装结构中的内部填充材料。当把已封装的DFB-FL传感基元放入待检测气体中时，当气体中含有水蒸汽时，吸水膨胀橡胶材料会快速吸收并锁住水分子，随着水分子的不断增加，橡胶材料发生膨胀形变从而对DFB-FL产生挤压作用，引起DFB-FL输出激光的波长产生漂移。而通过采用高分辨率的干涉式波长位移解调和相位载波调制解调技术，可以准确的得出施加在DFB-FL上的应力大小，由此可以得出吸水膨胀橡胶材料的膨胀度并准确得出所检测气体中微水的含量。

发明内容

本实用新型提出了一种基于分布反馈光纤激光器(DFB-FL)的微水检测系统，旨在提供快速、稳定、可远距离在线检测、可同时多点检测、具有高探测灵敏度和极大动态范围的波长解调和微水检测系统。

本实用新型的技术方案是按以下方式实现的。

一种基于分布反馈光纤激光器的微水检测系统，包括980nm泵浦光源(LD)、波分复用器(WDM)、隔离器(ISO)、分布反馈光纤激光器(DFB-FL)阵列以及解调系统，其特征在于980nm泵浦光源通过其所带尾纤与波分复用器的980nm输入端相连；波分复用器的公共端由普通的单模光纤与分布反馈光纤激光器阵列连接；波分复用器的1550nm端通过普通光纤接到隔离器的正向输入端，隔离器的另一端连接入解调系统；解调系统包括非平衡迈克尔逊(Michelson)干涉仪、密集波分复用器、光电探测器及放大电路、数据采集卡以及相位载波(PGC)解调器，其中非平衡迈克尔逊干涉仪的输入端和隔离器相连接，非平衡迈克尔逊干涉仪的输出端和密集波分复用器的输入端相连接，密集波分复用器的输出端连接到光电探测器的输入端，光电探测器、放大电路、数据采集卡及相位载波解调器顺序依次连接；相位载波解调器的调制端与非平衡迈克尔逊干涉仪的参考臂连接，相位载波解调器的解调端与数据采集卡连接并由相位载波解调器对数据采集卡采集的数据进行分析和处理，从而解调出信号；

所述的光电探测器是PIN光电探测器；

所述的放大电路为集成双运放芯片OPA2604；

所述的数据采集器为凌华数据采集卡PCI-9812；

所述的相位载波(PGC)解调器为OPD-4000光相位解调器；

所述的分布反馈光纤激光器阵列是由各自具有不同波长的分布反馈光纤激光器(DFB-FL)串接而成的。

所述的的DFB-FL阵列也可由单个的DFB-FL来替代，用来实现单点定点检测。

一种分布反馈光纤激光器(DFB-FL)阵列的制作及封装方法，步骤如下：

1)选取一段掺杂稀土元素光纤，在掺杂稀土元素光纤中写入布拉格(Bragg)光栅并且在写光栅的过程中插入一个π相移，π相移处于光栅的中间位置；

2)在写入相移光栅后的掺杂稀土元素光纤两端分别接入一段980nm传输光纤作为尾纤，光纤连接方法利用熔接机直接进行熔接；

3)选取吸水膨胀橡胶作为DFB-FL封装结构的内部填充材料，将吸水膨胀橡胶制作为圆柱体状，将分布反馈光纤激光器穿过由吸水膨胀橡胶制作的圆柱体且分布反馈光纤激光器位于圆柱体的轴心位置，吸水膨胀橡胶圆柱体的长度比DFB-FL结构中的掺杂光纤要长，也就是保证掺杂光纤与980nm传输光纤连接的两熔接点在圆柱体内部；

4)吸水膨胀橡胶圆柱体由带有四根金属悬梁的圆桶状框架固定，圆桶状框架的两个端面板为中心带有圆形小孔的圆形金属板，四根金属悬梁相互平行并均匀位于圆桶状框架的侧面且将两个端面板相固定，位于两个端面板内侧是中心带有圆形小孔、边沿带有四个凹槽的两个圆形金属滑动板，滑动板的凹槽嵌在悬梁上并能使其沿悬梁滑动，两个端面板与各自端的滑动板之间通过弹簧相连接，两个滑动板的内侧面贴合在吸水膨胀橡胶圆柱体的两个底面上，封装外壳由刚性金属材料铝合金制成，封装外壳为中空圆桶形结构，将封装外壳套在带有圆桶状框架的吸水膨胀橡胶圆柱体上并将其两端固定在圆桶状框架的两个端面板上；当吸水膨胀橡胶圆柱体吸水后会快速膨胀并向各个方向产生较大膨胀压力，沿轴向的压力会推动滑动板并挤压弹簧使得滑动板沿悬梁方向向两端上下端面板方向移动；

5)DFB-FL被封装在吸水膨胀橡胶圆柱体内，其尾纤由滑动板和圆桶状框架上的端面板中心处的圆形小孔穿出，为了防止DFB-FL在封装结构内部出现松动，用手轻拉的方式对光纤施加预应力，在尾纤穿过封装外壳上下端面板的圆孔处，用胶水将尾纤粘紧；

6)将各DFB-FL按照前面的步骤封装完成后，用普通单模光纤将已封装好的各自具有不同波长的DFB-FL进行串连连接来组成阵列，连接方法为利用熔接机直接进行熔接，连接处的熔接点用热缩管进行保护。

所述的掺杂稀土元素光纤是在光纤芯层沉积中掺入一定浓度的铒离子、镱离子、或者铒镱离子共同掺杂的稀土元素的光纤。

本实用新型是用已封装的DFB-FL作为传感基元来进行微水检测，DFB-FL的封装设计在图2-3中已经详细说明。将传感基元放入待检测气体中，当气体中含有水蒸汽时，吸水膨胀橡胶会快速吸收并锁住水分，并且向各个方向产生较大膨胀压力。沿轴向的压力会推动滑动板并挤压弹簧使得滑动板向两端移动，横向的压力会对传感基元产生挤压作用。当传感基元受到外部挤压作用时，输出激光的波长会产生漂移，通过采用高分辨率的干涉式波长位移解调和相位载波调制解调技术，可以准确的测得输出激光波长的变化，从而可以得出吸水膨胀橡胶吸水后产生的挤压力大小，并推得测量气体中微水的含量。

利用波分复用技术，可以对多个具有不同波长的已封装DFB-FL进行组阵来构成传感阵列，图4中给出的是基于DFB-FL阵列的微水检测系统。各DFB-FL都按照图2中的封装设计进行了封装，并根据指标的要求选择合适的波长间隔，同时参考光纤通信的国际标准，以便提高阵列的兼容性，我们采用的波长间隔为2.4nm，且每个波长都满足国际电信联盟(ITU)的波长标准。阵列中各传感基元通过普通单模光纤连接，且连接距离的远近可以根据检测点进行调整。阵列中的每一个传感基元都可对应某一区域或某一种气体进行在线实时检测，可实现较大地域范围内气体中微水的测量，或多种不同气体中微水含量的同时测量。

本实用新型具有以下优点：封装结构设计简单，抗电磁干扰，灵敏度高，动态范围大，易于复用组阵，对有毒有害气体可实现远程在线检测，组阵后可检测地域范围较大，阵列中每个传感基元可远距离连接并可同时测量多种不同气体。

附图说明

图1是本实用新型中的DFB-FL结构示意图。

其中：1、980nm传输光纤，2、相移光栅，3、π相移，4、熔接点。

图2是本实用新型中的DFB-FL的封装设计结构截面图。

其中：5、DFB-FL，6、封装外壳，7、滑动板，8、吸水膨胀橡胶，9、胶水。

图3是本实用新型中的DFB-FL的封装的结构示意图。

其中：7、滑动板，10、圆桶状框架的四根悬梁，11、弹簧，12、圆桶状框架的上下端面板，13、滑动板上的凹槽。

图4是本实用新型中基于DFB-FL的微水检测系统的结构示意图。

其中：16、980nm泵浦光源，17、波分复用器(WDM)，18、单模光纤，19、DFB-FL阵列，20、隔离器(ISO)，21、非平衡迈克尔逊(Michelson)干涉仪，22、放大电路，23、密集波分复用器，24、光电探测器，25、数据采集器，26、相位载波解调器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明，但不限于此。

实施例：

本实用新型实施例如图4所示，一种基于分布反馈光纤激光器的微水检测系统，包括980nm泵浦光源(LD)16、波分复用器(WDM)17、隔离器(ISO)20、分布反馈光纤激光器(DFB-FL)阵列19以及解调系统，其特征在于980nm泵浦光源16通过其所带尾纤与波分复用器17的980nm输入端相连；波分复用器17的公共端由普通的单模光纤18与分布反馈光纤激光器阵列19连接；波分复用器17的1550nm端通过单模光纤接到隔离器20的正向输入端，隔离器20的另一端连接入解调系统；解调系统包括非平衡迈克尔逊(Michelson)干涉仪21、密集波分复用器23、光电探测器24及放大电路22、数据采集器25以及相位载波(PGC)解调器26，其中非平衡迈克尔逊干涉仪21的输入端和隔离器20相连接，非平衡迈克尔逊干涉仪21的输出端和密集波分复用器23的输入端相连接，密集波分复用器23的输出端连接到光电探测器24的输入端，光电探测器24、放大电路22、数据采集器25及相位载波解调器26顺序依次连接；相位载波解调器26的调制端与非平衡迈克尔逊干涉仪21的参考臂连接，相位载波解调器26的解调端与数据采集器25连接并由相位载波解调器26对数据采集器25采集的数据进行分析和处理，从而解调出信号；

所述的光电探测器24是PIN光电探测器；

所述的放大电路22为集成双运放芯片OPA2604；

所述的数据采集器25为凌华数据采集卡PCI-9812；

所述的相位载波解调器26为OPD-4000光相位解调器；

所述的分布反馈光纤激光器阵列19是由各自具有不同波长的分布反馈光纤激光器(DFB-FL)串接而成的。

所述的的DFB-FL阵列也可由单个的DFB-FL来替代，用来实现单点定点检测。

Claims (1)

1.一种基于分布反馈光纤激光器的微水检测系统，包括980nm泵浦光源、波分复用器、隔离器、DFB-FL阵列以及解调系统，其特征在于980nm泵浦光源通过其所带尾纤与波分复用器的980nm输入端相连；波分复用器的公共端由单模光纤与DFB-FL阵列连接；波分复用器的1550nm端通过单模光纤接到隔离器的正向输入端，隔离器的另一端连接入解调系统；解调系统包括非平衡迈克尔逊干涉仪、密集波分复用器、光电探测器及放大电路、数据采集器以及相位载波解调器，其中非平衡迈克尔逊干涉仪的输入端和隔离器相连接，非平衡迈克尔逊干涉仪的输出端和密集波分复用器的输入端相连接，密集波分复用器的输出端连接到光电探测器的输入端，光电探测器、放大电路、数据采集器及相位载波解调器顺序依次连接；相位载波解调器的调制端与非平衡迈克尔逊干涉仪的参考臂连接，相位载波解调器的解调端与数据采集器连接；

所述的光电探测器是PIN光电探测器；

所述的放大电路为集成双运放芯片OPA2604；

所述的数据采集器为凌华数据采集卡PCI-9812；

所述的相位载波解调器为OPD-4000光相位解调器；

所述的DFB-FL阵列是由各自具有不同波长的分布反馈光纤激光器即DFB-FL串接而成的。