CN207232005U - 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 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开的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，分布式反馈激光器、声光调制器、三端口环形器、延迟光纤依次相连，任意函数发送器与声光调制器相连，分布式反馈激光器输出探测光至声光调制器，任意函数发生器输出电信号驱动声光调制器对探测光进行调制，声光调制器调制产生的脉冲光经过三端口环形器进入延迟光纤，脉冲光再经过交叉分布的弱光纤光栅和气体吸收室，获得气体吸收室前后弱光纤光栅的反射信号，反射信号经过所述延迟光纤、三端口环形器输出至数据采集模块。本实用新型能够实现甲烷气体浓度远距离多点式的甲烷浓度解调、在线监测，通过一个串行光纤链路实现甲烷气体浓度的检测和位置信息的获取。

Description

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

技术领域

发明涉及光纤传感领域的技术，具体涉及一种基于弱光纤光栅和光时域反射仪的多点复用、实时测量的高可靠性光纤气体传感系统。

背景技术

在石油化工、矿井、冶金等行业，都要求对气体的浓度进行实时测量和定位，特别是对于甲烷气体的检测。甲烷气体用途广泛，是天然气、沼气和多种液体燃料的主要成分，同时也是重要的工业原料。甲烷无色无味且易燃易爆，在大气中的爆炸范围是4.9 vol. %~15 vol. %。传统的基于电化学的电气体传感器在实际使用中存在一些问题，诸如带电不安全、使用寿命短、稳定性差、易爆炸等安全性方面的问题。光纤气体传感器因其传感原理不同于电气体传感器，所以并不存在上述问题，因此而成为了气体传感领域的一个重要研究方向。

传统的光纤气体传感器通常是基于气体的强度吸收谱，采用直接吸收法、频率调制法或波长扫描法。这些技术在实现高精度测量前提下，难以实现实时探测、定位和多点复用。为了解决传统光纤气体传感器的限制，一种基于光相干域反射仪（OCDR）的复用式光纤甲烷传感系统 [S. Li, X.Y. Fan, Q.W. Liu, Z.Y. He, Multiplexed Fiber-opticMethane Sensors Based on Optical Coherence Domain Reflectometry, in: AsiaCommunications and Photonics Conference 2015, Optical Society of America,Hong Kong, 2015, pp. ASu2A.144.]被提出，气体浓度的变化对应光强度的改变，该技术通过测量光强度的衰减和对传感单元的定位实现复用式传感。但是OCDR系统复杂，稳定性差，不适用于对稳定性要求高的长距离传感。

光时域反射仪技术（OTDR）多用于测量光纤接头损耗、定位光纤定位点以及对光纤损耗分布等测试，是光缆线路维护必不可少的工具。本发明利用反射式光纤光栅作为参考点，通过在光纤链路中加入一个光时域反射仪，向待测光纤链路中注入特定宽度和波长的脉冲光，以实现对链路中存在光纤光栅的位置进行检测。当甲烷气体发生泄露时，由于气体对特定光频率的吸收，通过对气体吸收室前后相邻参考点的差分，可以得到相对光强的变化，从而实现对气体浓度信息的探测。

发明内容

发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种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，能够实现甲烷气体浓度远距离多点式的甲烷浓度解调、在线监测，通过一个串行光纤链路实现甲烷气体浓度的检测和位置信息的获取。

技术方案：本发明所述的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，包括分布式反馈激光器、任意函数发生器、声光调制器、三端口环形器、延迟光纤、数据采集模块以及呈交叉分布的弱光纤光栅和气体吸收室；分布式反馈激光器、声光调制器、三端口环形器、延迟光纤依次相连，任意函数发送器与声光调制器相连，分布式反馈激光器输出探测光至声光调制器，任意函数发生器输出电信号驱动声光调制器对探测光进行调制，声光调制器调制产生的脉冲光经过三端口环形器进入延迟光纤，脉冲光再经过交叉分布的弱光纤光栅和气体吸收室，获得气体吸收室前后弱光纤光栅的反射信号，反射信号经过所述延迟光纤、三端口环形器输出至数据采集模块。弱光纤光栅与气体吸收室交叉连接，作为测量的参考点，弱光纤光栅的反射率和3dB带宽可定制，以满足不同探测灵敏度和复用数量的要求，也使反射峰不易受温度和应变的影响；三端口环形器用于实现光脉冲入射到弱光纤光栅并经过同一链路返回到数据采集模块。

进一步完善上述技术方案，所述分布式反馈激光器连接有反馈控制模块，反馈控制模块包括温度控制单元和电流控制单元、用于稳定所述分布式反馈激光器的波长。

进一步地，所述分布式反馈激光器输出探测光的波长处于1650nm波段，对应甲烷气体的吸收峰波长。

进一步地，所述延迟光纤为任意长度的标准单模光纤。延迟光纤长度可灵活调整，以满足不同传感距离的要求。

进一步地，所述任意函数发生器产生宽度为10ns以上、重复频率为1kHz以上的电信号。声光调制器经过任意函数发生器驱动，用于把连续的光波切割成特定重复频率和宽度的脉冲。

进一步地，所述气体吸收室包括单模尾纤、入气口和出气口，单模尾纤用于探测光耦合，入气口和出气口用来注入和排出甲烷气体。气体吸收室长度16cm，单模尾纤为标准单模光纤。

进一步地，所述弱光纤光栅为N个、N≥2，所述气体吸收室为N-1个。弱光纤光栅与气体吸收室交叉分布，数量灵活可变，探测光在气体吸收室与甲烷作用后，弱光纤光栅作为参考点，通过对气体吸收室前后参考点信号的差分，可以得到甲烷浓度信息。

进一步地，所述数据采集模块包括光电探测器、模数转换器，所述光电探测器的输入端与所述三端口环形器的一个输出端连接；所述模数转换器的输入端与光电探测器的输出端连接；模数转换器的输出端与上位机相连，上位机用于处理采集到的数字信号和实时显示。光电探测器用于光电转换，模数转换器将模拟信号进行数字转换用于后期数据处理。

有益效果：本发明通过分布式反馈激光器产生连续光，通过声光调制器调制成脉冲光，任意函数发生器产生对应重复频率和宽度的电信号驱动声光调制器；脉冲光经过三端口环形器进入延迟光纤，最后入射到待测链路中；探测光在气体吸收室与甲烷作用，由于部分光能量被气体吸收导致光强度发生衰减，从而引起气体吸收室前后相邻弱光纤光栅反射峰的强度变化，以气体吸收室前后相邻的弱光纤光栅作为参考点，该强度变化和位置信息可以通过光时域反射仪技术解调，其输出与气体浓度成正比，其测量的空间分辨率是由声光调制器产生的脉冲宽度决定；待测信号通过光电探测器经模数转换器保存到上位机，在上位机中实现对信号差分解调以及测量参量的实时显示。本发明能够实现甲烷气体浓度远距离多点式的甲烷浓度解调、在线监测，通过一个串行光纤链路实现甲烷气体浓度的检测和位置信息的获取，且不局限于测量甲烷气体浓度，通过改变激光器和弱光纤光栅的波长，可扩展到不同种类气体浓度的测量。

附图说明

图1为本发明装置图；

图2为本发明基于弱光纤光栅进行甲烷气体检测的示意图；

图3为本发明在宽度为100ns的光脉冲注入条件下，在5km延迟光纤中使用光时域反射仪技术得到的分布式反射光强的测量结果图；

图4本发明得到的检测结果图，当甲烷气体浓度变化时，探测光强度也随着浓度而变化，（a）为第一个气体吸收室；（b）为第二个气体吸收室；

图5为本发明测量的甲烷气体浓度对应的强度衰减关系，（a）第一个气体吸收室，线性拟合度0.99939；（b）为第二个气体吸收室，线性拟合度0.99748；

图中：1-反馈控制模块、2-分布式反馈激光器、3-任意函数发生器、4-声光调制器、5-三端口环形器、6-5km延迟光纤、7-第一光纤光栅、8-第一气体吸收室、9-第二光纤光栅、10-第二气体吸收室、11-第三光纤光栅、12-光电探测器、13-模数转换器、14-上位机、15-入气口、16-出气口、17-第一准直透镜、18-第二准直透镜 。

具体实施方式

下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例1：如图1所示的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，包括反馈控制模块1、分布式反馈激光器2、任意函数发生器3、声光调制器4、三端口环形器5、5km延迟光纤6、第一光纤光栅7、第一气体吸收室8、第二光纤光栅9、第二气体吸收室10、第三光纤光栅11、光电探测器12、模数转换器13和上位机14。本实施例中，反馈控制模块1用来补偿温度和电流变化对激光器波长的影响，分布式反馈激光器2产生波长为1653.7nm的连续光，经过声光调制器4被切割成100ns的光脉冲。任意函数发生器3产生宽度为100ns和重复频率5kHz的电信号，对声光调制器4进行调制。探测光经过三端口环形器5进入到延迟光纤6中，当探测光到达第一光纤光栅7中，由于光纤光栅的反射作用，得到第一个参考峰。探测光经过第一光纤光栅7到达第一气体吸收室8，当吸收室填充不同浓度的甲烷气体时，由于气体对特定光波长的吸收导致光强度发生衰减，探测光经过第一气体吸收室8到达第二光纤光栅9，得到第二个参考峰。探测光继续传输到第二气体吸收室10，与其中的甲烷气体作用后，到达第三个光纤光栅11，对应得到第三个参考峰。反射光经过同一个三端口环形器5进入到光电探测器12，光电探测器12接入模数转换器13，模数转换器再接入上位机，用来对测量结果的实时记录和显示。

如图2所示，甲烷经过入气口15进入到气体吸收室8中、从出气口16排出，探测光通过第一准直透镜17耦合到气体吸收室8中，探测光穿过第一气体吸收室8通过第二准直透镜18后到达第二光纤光栅9，第一气体吸收室8前后相邻的第一弱光纤光栅7和第二弱光纤光栅9产生两个反射峰，两个反射峰之间的相对强度表征气体的浓度信息。

本发明中，待测链路不局限于两个气体吸收室，可以用相同的方式实现传感数量的扩展。当入射光功率为25mW，忽略光纤链路衰减和气体吸收室的插入损耗，以甲烷气体爆炸下限的十分之一灵敏度为界限，最大的复用数量可以到116个。如果引入每个吸收室所带来的20%的插入损耗，最大的复用数量下降到11个，但仍然展现了非常好的复用能力。

图3展示了分布式反射光强变化的实验结果，可以明确的观察到3个光纤光栅对应的3个反射峰。对于不同的浓度的甲烷，第一个峰的强度是不变化的，另外两个峰的强度由于气体的吸收而产生变化。

图4展示了不同浓度的甲烷气体对探测光强度的影响，在100s、300s和500s的时间点分别快速注入4 vol.%、1 vol.%和0.5 vol.%的甲烷，通过对相邻光纤光栅的反射峰的强度进行做差，可以得到相对强度变化，不同的变化对应甲烷浓度信息。

图5展示了测量的甲烷气体浓度结果与探测光强度衰减的线性关系。通过计算两个气体吸收室的测量结果，标准差分别低于0.022dB和0.026dB，对应的探测灵敏度为0.044vol.%。

本发明提供的基于弱光纤光栅和光时域反射仪的复用式光纤甲烷传感系统，通过实时测量光纤光栅的反射峰，实现对甲烷气体浓度的精确测量和定位。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (8)

1.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，其特征在于：包括分布式反馈激光器、任意函数发生器、声光调制器、三端口环形器、延迟光纤、数据采集模块以及呈交叉分布的弱光纤光栅和气体吸收室；分布式反馈激光器、声光调制器、三端口环形器、延迟光纤依次相连，任意函数发送器与声光调制器相连，分布式反馈激光器输出探测光至声光调制器，任意函数发生器输出电信号驱动声光调制器对探测光进行调制，声光调制器调制产生的脉冲光经过三端口环形器进入延迟光纤，脉冲光再经过交叉分布的弱光纤光栅和气体吸收室，获得气体吸收室前后弱光纤光栅的反射信号，反射信号经过所述延迟光纤、三端口环形器输出至数据采集模块。

2.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述分布式反馈激光器连接有反馈控制模块，反馈控制模块包括温度控制单元和电流控制单元、用于稳定所述分布式反馈激光器的波长。

3.根据权利要求1或2所述的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，其特征在于：所述分布式反馈激光器输出探测光的波长处于1650nm波段。

4.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述延迟光纤为任意长度的标准单模光纤。

5.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述任意函数发生器产生宽度为10ns以上、重复频率为1kHz以上的电信号。

6.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述气体吸收室包括单模尾纤、入气口和出气口，单模尾纤用于探测光的耦合，入气口和出气口用来注入和排出甲烷气体。

7.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述弱光纤光栅为N个、N≥2，所述气体吸收室为N-1个。

8.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述数据采集模块包括光电探测器、模数转换器，所述光电探测器的输入端与所述三端口环形器的一个输出端连接；所述模数转换器的输入端与光电探测器的输出端连接；模数转换器的输出端与上位机相连，上位机用于处理采集到的数字信号和实时显示。