高性能光纖瓦斯傳感器的製作方法

2023-08-08 08:16:46

專利名稱：高性能光纖瓦斯傳感器的製作方法
技術領域：
本發明屬於礦井瓦斯濃度監測技術，具體而言是應用於礦井 的高性能光纖瓦斯傳感器。
背景技術：
由於煤炭是我國最主要的一次能源，煤炭的安全生產直接影 響著國計民生的大事，造成煤炭安全事故的最主要因素之一是瓦斯事故，所 以近幾年來一直深受國家和社會關注。目前到2006年為止廣泛用於瓦斯監測的傳感器基本上全部是黑白催化元件和熱導元件。黑白元件的量程在4%以下，每個兩周必須調試一次；熱導元 件誤差比較大；催化元件和熱導元件組成的混合型傳感器儘管可以實現大量 程，但是對瓦斯的突出響應不夠迅速。對於監測易燃易爆的瓦斯氣體來說， 具有光纖瓦斯傳感器具有許多優點。首先，傳感器由玻璃纖維製成，通過光信號工作，不涉及電信號，具有本 徵安全性能；其次，測量範圍大，理論上可以達到任意大的濃度範圍；靈敏度高；響 應速度快等。光纖瓦斯氣體傳感器的研究與應用國內外都有出現，許多方法都得到了 實驗應用。一，1987年J. P. Dakin和C. A. Wade等人報導了一種利用梳狀濾波器和寬 帶光源(LED)測量甲烷氣體濃度的方法；採用寬帶光源的差分吸收光譜式氣 體傳感器[1'2]，這種方案精度可達400ppm，完全可以滿足煤礦瓦斯檢測的精度， 它的最大優點在於成本低、技術簡單、環境適應性好，但由於目前所用的發 光管功率低，因此只用於單點檢測。二， 1990年H. Tai和K. Yamamoto等利用1. 66um單模分布反饋式(DFB LD) 半導體雷射器，採用了波長(頻率)調製的諧波檢測方法，室溫下檢測甲烷 濃度達到了 20ppm最小探測靈敏度；基於分布反饋雷射器諧波檢測的光纖多 點甲烷檢測系統，這種方案精度高，但分布反饋雷射器價格昂貴，諧波檢測 技術複雜，單色性強容易產生幹涉，因此這種技術很難在我國推廣應用。
三，可攜式遙感瓦斯探測器[3'"，它採用正弦波調製技術對瓦斯進行遙感 測量，優點是攜帶方便，但成本高、技術複雜且只能單點測量，無法組成多 點監測網絡四，參考文獻[5]，這種方案我們在長期實驗過程中發現，驅動電流和光源 溫度的改變等因素會導致光源光譜發生改變,致使零點飄移，從而影響長期穩 定性.

發明內容
本發明的目的是提供一種簡單穩定的高性能光纖瓦斯傳感器 設計，這種設計帶有防溫度漂移性能，提高了系統受光路損耗的幹擾能力。 本發明的技術方案如下光纖瓦斯傳感器原理如圖1所示，從超輻射發光二極體(SLD)發出的光滿足Lambert定律I=I0exp (-alX ) (1) 式中I。、 I為吸收前和吸收後光強度 a為被測氣體吸收係數L為被測氣體吸收腔長度 C為被測氣體濃度K為損耗係數1(入》-K(、)化(X》+exp (-au)*C*L) (2)I(X2)=K(X2) *10(入2)* exp (-a ( x2)*C*L) (3) 利用差分方式[K(入》化(入》]/ ["入2)* U入》]=常數(4) 由於瓦斯在1.331um處有較強的吸收，如圖2所示，所以本發明選擇1.331 um為瓦斯吸收段，採用帶寬為1. lnm的光纖布拉格光柵(FBG)濾掉光源其 他部分光， 一個帶寬為0. 5rnn的光纖布拉格光柵(FBG)將光分成受瓦斯吸收 影響的信號光和不受瓦斯吸收影響的參考光，通過兩路信號對比相除消除光 路損耗對測量結果帶來的影響。被lKHz調製的光源超輻射發光二極體(SLD)發出的光，光源驅動電路 如圖8，經過第一個環行器(circulator)和一段光纜到達氣室，被氣體波長 選擇性吸收後又被末端反射鏡反射返回到氣室二次吸收，光再經過此光纜、 第二個環行器和第三環行器到達帶寬為1. lnm帶寬光纖布拉格光柵，反射回 一個帶寬為1. lnm的光，光經過第二個環行器和第三個環行器到達0. 5nm帶 寬布拉格光柵，在0.5nm帶寬光纖布拉格光柵作用下， 一路0.5nm帶寬攜帶 吸收信息的光返回至信號接收電路，光譜如圖2，另一路透射作為參考光到
達參考接收電路，光譜如圖3。兩路光信號通過探測器轉化成交流調製電信號， 通過鎖相放大電路將將其轉化為直流電壓信號，鎖相放大電路如圖9，再由 A/D採集卡採集到計算機，在計算機內對數據相除消除光路損耗影響。標定後 便可以計算出實際瓦斯濃度。本發明考慮到礦井應用現場環境的惡劣情況， 對探頭(氣室)進行了防塵防潮處理，防塵材料採用防塵網，防潮材料使用 了5A分子篩，透氣性性好而且可以阻擋水分子進入內部。使用不鏽鋼金屬外 殼防爆。光纖瓦斯傳感器結構圖如圖5,實圖如圖6。附圖8顯示了正弦波發生電路的電路圖，它採用文氏橋振蕩方式，經穩 壓管限幅輸出，振蕩頻率為lKHz，穩定度在0.1Hz。附圖9顯示了鎖相放大 電路圖，參考信號取自光源調製信號，頻率lkHz,用來與光源保持同步，降 低噪音信號幹擾，提高信噪比。


圖1、光纖瓦斯傳感器系統框2瓦斯吸收譜 圖3信號光光譜4參考光光譜 圖5光纖瓦斯傳感器探頭結構圖 圖6光纖瓦斯傳感器探頭實圖 圖7光纖瓦斯傳感器實驗測試結果8光纖瓦斯傳感器調製電路圖 圖9光纖瓦斯傳感器鐨相放大電路中1-超輻射發光二極體(SLD) 2-第一個環行器3-光纜 4-氣室5-反射鏡6- l.lmn帶寬光纖布拉格光柵7-第二個環行器8- 0.4nm帶寬光纖布拉格光柵 9-第三個環行器 10-信號接收電路11-參考接收電路 12-數據採集卡13-計算機14-光開 關15-光開關控制信號16-瓦斯探頭懸掛杆 17-出氣孔 18-不鏽鋼金屬外殼19-防塵材料層20-防潮材料層21-光纖瓦斯 傳感器探頭實圖22-入氣孔 23-出纖孔
具體實施例方式本發明為高性能光纖瓦斯傳感器，其中光源選擇使用了 中心波長為1327nm的超輻射發光二極體(SLD)、環行器為1330nm、光纜 1330nm礦用光纜、光纖布拉格光柵(FBG)為帶寬分別為0.5nm和l.lnm中 心波長為1331.4nm的光纖布拉格光柵、數據採集卡(A/D)為採樣頻率 10KHzUSB接口數據採集卡。實驗中，首先對探頭用幾種不同濃度標準瓦斯 氣體進行標定並把標定結果寫入程序中，然後對其通入不同濃度的瓦斯氣體
進行測試，測試結果如圖7，結果與理想值基本吻合。
由於使用了兩個光柵，但外界溫度發生變化時，兩個光柵同向同步漂移， 而由兩個光柵分開的信號光和參考光比值將不會發生變化，因此消除了溫度 對儀器的影響。從而使儀器更加穩定，可靠性良好。
探頭設計上，採用多組準直器組串聯的方式， 一方面減小了瓦斯傳感器 探頭的尺寸，另一方面增加了吸收長度，從而提高了檢測精確度，再一方面， 縮短準直器組的長度使其更加穩定牢固。
本發明的高性能光纖瓦斯傳感器具有以下優點1) 採用差分結構設計，參考光與信號光取自同一光源並經同一光路傳播， 能有效消除光源和背景變化帶來的幹擾，具有穩定性高的優點，全光器件使 其具有測量精度高、測量範圍大、方便實用、可重複性好、安全係數高等突 出優點。2) 雙光柵結構的引入，使光源光譜的變化以及光路彎曲損耗的波長選擇 性造成的零點漂移問題得到解決，提高了長期穩定性和系統可靠性。3) 釆用光開關和環行器實現了用一隻光源和兩隻探測器進行多點測量， 降低了成本。4) 採用正弦波調製光源、鎖相放大器，很好地抑制了電路直流零漂現象 帶來的影響和噪音信號的幹擾，具有信噪比高、抗幹擾性能好。本發明的高性能瓦斯傳感器，該光纖瓦斯傳感器在煤礦開採以及其他瓦 斯監測領域具有很強的應用前景。
參考文獻[1]趙浩等，"差分吸收式光纖甲烷氣體傳感器"，公開號，CN1544918A。[2]林楓等，"紅外吸收型瓦斯傳感器的研究"，雷射與光電子學進展,41 (2004)， 40。[3] Environmental Geology International Journal of Geosciences， Springer-Verlag 2004.[4]賈鎖堂等，"雷射遙感瓦斯探測器"，ZL 03268476.2[5]常軍等，"煤礦瓦斯査分吸收式光纖多點監測系統"，申請號，200610044428.1 。
權利要求
1、一種高性能光纖瓦斯傳感器，其特徵在於光源超輻射發光二極體(1)發出的光，經過第一個環行器(2)和一段光纜(3)到達氣室(4)，被氣體波長選擇性吸收後又被末端反射鏡(5)反射返回到氣室二次吸收，光再經過此光纜、第一個環行器(2)、第二個環行器(7)到達帶寬為1.1nm的光纖布拉格光柵(6)，反射回一個帶寬為1.1nm的光，光經過第二個環行器(7)和第三個環行器(9)到達0.5nm帶寬的光纖布拉格光柵(8)，在0.5nm帶寬光纖布拉格光柵(8)作用下，一路0.5nm帶寬攜帶吸收信息的光返回至信號接收電路(10)，另一路透射作為參考光到達參考接收電路(11)，兩路光信號通過探測器轉化成交流調製電信號，通過鎖相放大電路將將其轉化為直流電壓信號，再由A/D採集卡(12)採集到計算機(13)，在計算機內對數據相除消除光路損耗影響標定後便可以計算出實際瓦斯濃度。
2、 根據權利要求l所述的高性能光纖瓦斯傳感器，其特徵在於所述的氣室(4)進行了防塵防潮處理，並且使用不鏽鋼金屬外殼防爆。
全文摘要
本發明公開了一種高性能光纖瓦斯傳感器，其特徵在於SLD發出的光，經過第一個環行器和一段光纜到達氣室，被氣體波長選擇性吸收後又被末端反射鏡反射返回到氣室二次吸收，光再經過此光纜、第二個環行器和第三環行器到達帶寬為1.1nm帶寬FBG，反射回一個帶寬為1.1nm的光，光經過第二個環行器和第三個環行器到達0.5nm帶寬FBG，在0.5nm帶寬FBG作用下，一路0.5nm帶寬攜帶吸收信息的光返回至信號接收電路，另一路透射作為參考光到達參考接收電路，兩路光信號通過探測器轉化成交流調製電信號，再由A/D採集卡採集到計算機，在計算機內對數據相除消除光路損耗影響，計算出實際瓦斯濃度。由於使用了兩個光柵，消除了溫度對儀器的影響，從而使儀器更加穩定，可靠性良好。
文檔編號G01N21/31GK101126711SQ200610069608
公開日2008年2月20日 申請日期2006年7月27日 優先權日2006年7月27日
發明者倪家升, 劉統玉, 軍 常, 黔 王, 石智棟, 韓秀雨 申請人:山東省科學院雷射研究所