微系統光纖瓦斯傳感器、傳感系統及傳感方法

2023-07-31 01:45:46

專利名稱：微系統光纖瓦斯傳感器、傳感系統及傳感方法
技術領域：
本發明屬於光纖傳感、氣體化學、安全技術領域，具體涉及一種微系統光纖瓦斯傳感器、傳感系統及傳感方法。
背景技術：
在礦業安全方面，長期以來，世界各地的重大特大煤礦事故時常發生，死傷人數多的則達數百人。每次重大事故都帶來巨額財產損失，尤其給產業工人的生命帶來無法挽回的損失，給家庭和社會都造成了威脅。煤礦事故的主要原因之一是高濃度瓦斯引起的爆炸，煤礦瓦斯爆炸在全世界都經常發生。我國煤礦的40％都是高瓦斯和突出礦井，存在嚴重的安全問題。目前，對瓦斯的有效監測和控制還是一個世界性難題，人們投入了大量的人力和財力來研究這一問題，但收效甚微。對煤礦礦井的環境和工作過程進行監測控制是一個規避這些惡性事故的有效方法，其中最重要也最主要的是瓦斯(主成分是甲烷)氣體濃度的檢測與控制。瓦斯傳感器是礦井瓦斯綜合治理和災害預測的關鍵裝備，受到人們的廣泛重視。
瓦斯傳感器是一種氣體傳感器。國外從上世紀30年代開始研究開發氣體傳感器。可檢測瓦斯氣體的傳感器主要有1962年問世的半導體金屬氧化物傳感器、接觸燃燒式傳感器，以及光纖氣室吸收式傳感器。現在用得比較多的是接觸燃燒式瓦斯傳感器，已廣泛用於煤氣、液化石油氣、天然氣及礦井瓦斯氣體的檢測與報警。我國煤礦業基本上都是使用這類傳感器。接觸燃燒式氣體傳感器可分為直接接觸燃燒式和催化接觸燃燒式。其原理是氣敏材料在通電狀態下，瓦斯經氧化燃燒或在催化劑作用下氧化燃燒，產生的熱量使電熱絲升溫，從而使其電阻值發生變化，通過測量電阻變化來測量氣體濃度。這種傳感器的優點是對瓦斯氣體很有效，靈敏度高，價格便宜，適於礦井隧道、化工廠等惡劣環境。但該接觸燃燒式瓦斯傳感器還存在很多問題抗高濃衝擊性能差，穩定性差；傳感器需要經常頻繁的調校，每2周需調校一次；在礦井高溼度條件下，瓦斯傳感元件的使用壽命短，通常只有1年；傳感器通過在傳感表面催化燃燒來檢測瓦斯，而瓦斯是易燃易爆氣體，這本身就是一個嚴重的事故誘導源；傳感器對瓦斯的反應時間較長，約為30秒，難於及時檢測和控制。
與本發明相近的是光纖瓦斯傳感器，包括光纖氣室吸收式瓦斯傳感器和光纖倏逝波瓦斯傳感器。光纖氣室吸收式瓦斯傳感器的結構如圖1所示，其傳感原理是光纖A1將光源傳輸到一個由兩個凹面反射鏡D1和D2組成的氣室，瓦斯氣體B0充填在氣室中；光C0在氣室中多次來回反射，並被瓦斯氣體吸收而衰減；衰減後的光被耦合到另一根光纖A2，再傳輸到光電探測器並轉換成電信號。數據採集及處理系統根據電信號數據來計算瓦斯的濃度。該傳感器的優點是傳感頭和檢測系統是分離的，可以遙測，電氣絕緣，無安全隱患。其缺點是(1)傳感器體積大，結構複雜，分布式檢測困難；(2)對傳感環境要求較高，煤塵容易粘附到兩個凹面反射鏡而致使光學反射面失效；(3)凹面反射鏡面在氣室的內壁，鏡面上煤塵的清潔比較困難；(4)傳感器中多個部件的相對位置須精確對準，其防振性差，裝配比較困難。光纖倏逝波瓦斯傳感器是用化學腐蝕或機械磨蝕的方法去除多模光纖的包層而形成的。其傳感原理是光傳輸到去除了光纖包層的光纖芯時，光在光纖芯與瓦斯氣體的交界面處產生倏逝波；該倏逝波穿過光纖進入瓦斯氣體，並被瓦斯氣體吸收而衰減，其衰減量與瓦斯氣體的濃度有關；衰減後的倏逝波又返回光纖芯，繼續在光纖芯中傳輸和產生倏逝波，並被瓦斯氣體吸收而衰減；最後，被瓦斯氣體吸收而衰減後的光在有光纖包層的光纖中傳輸到探測器，數據採集與處理系統獲取光的衰減量信息並計算出與光纖芯表面接觸的瓦斯氣體的濃度。該傳感器的優點是(1)操作簡單，測量速度快；(2)相對其它傳感系統來說，基於倏逝波的瓦斯傳感系統可以小型化。但目前這種光纖倏逝波瓦斯傳感器還存在一些缺點(1)傳感器的製作繁瑣且很困難，需要通過化學腐蝕或磨蝕方法去除光纖包層，而光纖包層的去除位置難於精確控制。同時，化學腐蝕或磨蝕光纖包層後的光纖芯表面是粗糙的非光學界面，影響界面處的光學性能，信號光的噪聲很大，影響了測量精度。(2)傳感系統採用的是單光路強度測量方法，光源、光路和電路系統的波動和幹擾對傳感系統的可靠性和準確性的影響很大，難於實現更高精度的生物分子測量和分析。(3)系統結構相對複雜，其探測器一般用光電倍增管，需要高壓分壓系統和冷卻系統。這些不足和缺陷有待新的技術和方法加以克服與改進，以便更好地推廣應用該生物傳感技術。

發明內容
本發明的目的就在於針對現有技術存在的上述部分不足，提供一種微系統光纖瓦斯傳感器、傳感系統及傳感方法。本傳感器完全光纖化，體積小，結構簡單，分布式檢測容易；對傳感環境要求不高，礦井中的煤塵僅粘附到光纖包層的表面上，清潔比較容易；在外部結構上，傳感器僅是一段光纖，沒有位置對準和連接問題，其防振性好；其傳感系統的構建、裝配和調試簡單，使用方便，容易建造光纖分布式瓦斯和溫度傳感網絡，可同時檢測瓦斯濃度和溫度，測試結果穩定可靠。
本發明的技術方案如下本微系統光纖瓦斯傳感器，它是在光纖上相距一定距離寫有兩個長周期光纖光柵，作為兩個耦合器，這兩個長周期光纖光柵的諧振耦合中心波長、帶寬和耦合效率相近，它們的波長諧振耦合帶位於瓦斯氣體(主成分是甲烷)的吸收光譜帶內(即近紅外強吸收光譜帶1120～1150nm帶或1150～1170nm帶或1640～1680nm帶或2350～2390nm帶內)。兩個長周期光纖光柵之間的距離為5-800mm，其中心波長處的耦合效率大於99％，波長的3dB帶寬大於7nm，耦合效率大於99％的波長帶寬大於3nm。兩個長周期光纖光柵之間的部分或整段光纖包層是裸露的，沒有塑料保護塗敷層。在兩個長周期光纖光柵之外寫有兩個短周期光纖光柵，這兩個短周期光纖光柵的耦合效率均大於90％；其諧振中心波長在長周期光纖光柵的諧振中心波長附近，到長周期光纖光柵的諧振中心波長的間距小於長周期光纖光柵耦合效率99％的波長帶寬的一半；兩個短周期光纖光柵諧振中心波長的間隔大於這兩個短周期光纖光柵3dB帶寬之和的一半，而小於長周期光纖光柵99％耦合效率的波長帶寬的一半，每個短周期光纖光柵到相鄰長周期光纖光柵的距離大於0.5mm(最大距離可達幾十公裡)。
為了保護微系統光纖瓦斯傳感器，在上述製作了兩個長周期光纖光柵、光纖包層、兩個短周期光纖光柵的這段光纖之外套有一保護套，保護套上有小孔，在靠近保護套的兩端部用固化膠把光纖粘貼到保護套上，在保護套的兩端部分別有一個過渡緩衝套，在保護套外有一透氣的防塵薄層。在保護套兩端的表面標識有對應端短周期光纖光柵的諧振中心波長。
本傳感器的傳感原理是(1)在微系統光纖瓦斯傳感器中，兩個長周期光纖光柵和兩個短周期光纖光柵的諧振波長帶都在瓦斯氣體的吸收光譜帶內。光纖芯中的光首先到達一個短周期光纖光柵(此為參考光纖光柵)，參考光纖光柵的耦合諧振波長帶內的光被反射回去，作為參考光，其餘波長的光繼續傳輸到一個長周期光纖光柵。(2)光纖芯的光到達長周期光纖光柵時，長周期光纖光柵諧振波長帶內的光被耦合到光纖包層中傳輸。(3)光纖包層中的光在光纖包層與瓦斯氣體的接觸界面上發生全反射並產生倏逝波，倏逝波穿過光纖包層進入瓦斯氣體並被瓦斯氣體吸收。(4)倏逝波的穿透深度和被吸收的光能量與瓦斯氣體的濃度有關，受瓦斯濃度影響的倏逝波返回光纖包層，繼續在其它點產生全反射和倏逝波，並被瓦斯氣體吸收和影響。(5)當光纖包層的光到達第二個長周期光纖光柵時，又被耦合到光纖芯中傳輸。(6)光到達第二個短周期光纖光柵時，該短周期光纖光柵諧振中心波長處的光被反射回來；被反射回的光到達第二個長周期光纖光柵時再次被耦合到光纖包層，又在光纖包層與瓦斯氣體的接觸界面產生多次全反射、倏逝波、被瓦斯氣體吸收並返回光纖包層。返回光纖包層的光再次到達第一個長周期光纖光柵時又被耦合到光纖芯，並作為信號光傳輸到檢測系統或單元。(7)信號光的強度受瓦斯氣體濃度的影響，參考光的強度不受瓦斯氣體濃度的影響，用信號光和參考光計算出瓦斯氣體的濃度。(8)參考光的中心波長僅與溫度有關，由此確定出溫度，並以此溫度值來校正瓦斯氣體濃度的計算值。
利用本傳感器形成的傳感系統包含有寬帶光源、光纖、寬帶耦合器、微系統光纖瓦斯傳感器、光纖光譜解調器和計算機。其中，寬帶光源的光譜包含一個或多個瓦斯氣體的吸收光譜帶，寬帶光源通過光纖連接到寬帶耦合器的一個輸入端，寬帶耦合器的輸出端通過光纖連接到微系統光纖瓦斯傳感器，微系統光纖瓦斯傳感器置於被測瓦斯氣體中，寬帶耦合器的另一個輸入端通過光纖連接到光纖光譜解調器，光纖光譜解調器通過數據接口總線連接到計算機。這樣，光源的光通過光纖和寬帶耦合器傳輸到微系統光纖瓦斯傳感器；在傳感器中，第一個短周期光纖光柵波長的光首先被反射回寬帶耦合器，作為參考光；而第二個短周期光纖光柵耦合中心波長處的光將在第一個長周期光纖光柵處被耦合到光纖包層，並因倏逝波而被瓦斯氣體吸收，在第二個長周期光纖光柵處又從光纖包層被耦合到光纖芯，並在第二個短周期光纖光柵處被反射返回；第二個短周期光纖光柵反射返回的光到達第二個長周期光纖光柵時再次被耦合到光纖包層，再被瓦斯氣體吸收，再次到達第一個長周期光纖光柵時又被耦合到光纖芯，並作為信號光。該信號光被兩次耦合到光纖包層而被瓦斯氣體吸收。反射返回的信號光和參考光均被寬帶耦合器耦合到它的另一輸入端光纖，並通過光纖傳輸到光纖光譜解調器。光纖光譜解調器獲取信號光和參考光的光譜數據(包括其波長位置和幅值)，並通過數據接口(如USB、RS232、485、GPIB等標準數據接口)送到計算機。計算機根據獲取的光譜數據計算得到溫度和校正後的瓦斯氣體濃度。
本微系統光纖瓦斯傳感器及其傳感系統獲取瓦斯氣體濃度的傳感方法是微系統光纖瓦斯傳感器感知瓦斯氣體的濃度和溫度信息，光纖光譜解調器獲取該傳感器的反射光譜數據並傳輸到計算機，計算機根據光譜數據計算得到瓦斯氣體的溫度和濃度測量值；其具體步驟為步驟1是標定與測試相關的溫度係數、敏感係數、校正係數和初始常數(1)首先獲取標定係數時需要用到的數據微系統光纖瓦斯傳感器被置於溫度為參考溫度T0而瓦斯濃度為0的氣體盒中，計算機獲取第一個短周期光纖光柵反射光的中心波長和幅值分別為λ0(0)和I0(00)，獲取第二個短周期光纖光柵反射光的幅值為I1(00)；微系統光纖瓦斯傳感器被置於溫度為標定溫度Tr而瓦斯濃度為0的氣體盒中，計算機獲取第一個短周期光纖光柵反射光的中心波長和幅值分別為λ0(1)和I0(10)，獲取第二個短周期光纖光柵反射光的幅值為I1(10)；微系統光纖瓦斯傳感器被置於溫度為標定溫度Tr而瓦斯濃度為參考濃度C1的氣體盒中，計算機獲取第一個短周期光纖光柵反射光的中心波長和幅值分別為λ0(11)和I0(11)，獲取第二個短周期光纖光柵反射光的幅值為I1(11)；微系統光纖瓦斯傳感器被置於溫度為參考溫度T0而瓦斯濃度為參考濃度C1的氣體盒中，計算機獲取第一個短周期光纖光柵反射光的中心波長和幅值分別為λ0(01)和I0(01)，獲取第二個短周期光纖光柵反射光的幅值為I1(01)；(2)在得到這些數據後，計算本傳感器和傳感系統的溫度係數k1、敏感係數k2、校正係數k3和初始常數a0(a)計算得到的溫度係數k1為k1=Tr-T00(1)-0(0)]]>
(b)計算微系統光纖瓦斯傳感器的敏感係數k2為k2=C1ln[I1(11)I0(10)I0(11)I1(10)]]]>(c)計算微系統光纖瓦斯傳感器的校正係數k3為k3=-C1ln[I1(11)I0(01)I0(11)I1(01)(Tr-T0)ln[I1(11)I0(10)I0(11)I1(10)]]]>(d)計算微系統光纖瓦斯傳感器的初始常數a0為a0=-C1ln[I1(00)I0(00)]ln[I1(11)I0(10)I0(11)I1(10)]]]>步驟2是測試瓦斯氣體的濃度(1)首先，傳感器置於被測瓦斯氣體中，計算機從獲取的光譜數據中得到第一個短周期光纖光柵反射光的波長和幅值分別為λ0(T)和I0(C)，得到第二個短周期光纖光柵反射光的幅值為I1(C)；(2)然後，計算得到傳感器所在位置瓦斯氣體的溫度變化量ΔT為ΔT＝k1[λ0(T)-λ0(0)]式中，λ0(0)是標定過程中溫度為參考溫度T0時的第一個短周期光纖光柵反射光的中心波長，k1是標定時得到的溫度係數；(3)最後，計算得到被測瓦斯氣體的濃度C為C=k2ln[I1(C)I0(C)]+k3T+a0]]>式中，k2、k3和a0分別是微系統光纖瓦斯傳感器的敏感係數、校正係數和初始常數，由步驟1的標定過程得到。這樣，在得到光譜數據後就測量出了被測瓦斯氣體的濃度，其測量值受溫度、光源及光路上幹擾的影響較小。
本傳感器、傳感系統及傳感方法的優點本瓦斯傳感器、傳感系統及傳感方法的優點是(1)本瓦斯傳感器是在一段無切斷且完整的光纖上實現傳感的，其結構穩定，防振性好，測量範圍寬(可達0～17％)，解析度高，抗高濃衝擊性能好；(2)反應時間快，傳感器本身的反應時間在亞秒量級；(3)壽命長，只要不折斷傳感段光纖，傳感器就是完好無損可用的；(4)使用維護方便，不需經常調校傳感器；塵埃的清潔簡單容易，只需定期用清水洗刷防塵罩和用酒精清潔光纖表面；(5)本瓦斯傳感器是電氣絕緣的，且不燃燒，是絕對安全的，無安全隱患；(6)本傳感器可實現分布檢測，也可實現遙測，無中繼遙測距離可達20公裡以上；(7)該傳感器及其系統可同時獲取瓦斯氣體和溫度信息，其傳感方法消除了溫度對瓦斯濃度測量的影響。這些優點恰好是現有瓦斯傳感器存在的並急需克服和解決的問題。


圖1是光纖氣室吸收式瓦斯傳感器結構圖；圖2是本發明涉及的微系統光纖瓦斯傳感器結構圖；圖3是本發明涉及的微系統光纖瓦斯傳感系統結構圖；圖4是本發明涉及的微系統光纖瓦斯傳感系統的部分細化圖。
具體實施例方式
以下結合附圖進一步說明本發明參見圖2，本傳感器的結構有光纖塗覆層1、光纖包層2、光纖纖芯3、短周期光纖光柵4、長周期光纖光柵LPFG15、長周期光纖光柵LPFG26，短周期光纖光柵7、保護套8，塵埃過濾薄層9，固化膠10，過渡緩衝套11。其中，光纖材料是石英，在去除了塑料保護塗層的一段光纖上設有長度約20mm的兩個長周期光纖光柵；這兩個長周期光纖光柵相距10cm，它們的耦合中心波長都為1160nm，其3dB帶寬均為10nm，其中心波長處的耦合效率均為99.7％，其耦合效率大於99％的波長帶寬均為3.5nm；在這兩個長周期光纖光柵之外設有兩個短周期光纖光柵，這兩個短周期光纖光柵到相鄰的長周期光纖光柵的距離都是4mm，他們的長度均為5mm，其耦合效率均為95％，其3dB波長帶寬均為0.5nm，其中一個短周期光纖光柵的諧振中心波長為1159.3nm，另一個短周期光纖光柵的諧振中心波長為1160.7nm；兩個長周期光纖光柵之間的光纖包層是裸露的，其餘處的光纖包層有塑料保護塗層；在有兩個長周期光纖光柵和兩個短周期光纖光柵的這段光纖之外設有一保護套，保護套上有小孔，在靠近保護套的兩端部用固化膠把光纖粘貼到保護套上，在保護套的兩端部分別設有一個過渡緩衝套，在保護套外設有一透氣的防塵薄層，在保護套兩端的外表面標識有對應端短周期光纖光柵的諧振中心波長1159.3nm和1160.7nm。
參見圖3，本傳感系統的結構有寬帶光源A、光纖、寬帶耦合器Cw、微系統光纖瓦斯傳感器S、光纖光譜解調器D、計算機E。其構成方法是中心波長約1160nm、帶寬約40nm的寬帶光源A通過光纖B1連接到寬帶耦合器Cw的一個輸入端，寬帶耦合器Cw的輸出端通過光纖B3連接到微系統光纖瓦斯傳感器S的標有1159.3nm的一端，寬帶耦合器Cw的另一輸入端通過光纖B2連接到光纖光譜解調器D(其波長解析度為0.02nm，可測最小幅值為-70dBm，波長解調時間為1秒)的光纖輸入端，光纖光譜解調器D的數據輸出端通過GPIB接口總線連接到計算機。在該傳感器及其系統中，1159.3nm波長處的光作為參考光，1160.7nm波長處的光作為信號光；信號光經過兩個長周期光纖光柵的耦合、全反射及其倏逝波作用、瓦斯氣體的吸收、短周期光纖光柵的反射、再耦合和再吸收等過程，返回到寬帶耦合器並被傳輸到光纖光譜解調器；該光纖光譜解調器獲取光譜數據並傳送到計算機，計算機根據獲取的光譜數據計算出瓦斯氣體的濃度測量值。含有本發明微系統光纖瓦斯傳感器的傳感系統如圖4所示。
本實施例獲取瓦斯氣體濃度的傳感方法是微系統光纖瓦斯傳感器感知瓦斯氣體的濃度和溫度信息，光纖光譜解調器獲取該傳感器的反射光譜數據並傳輸到計算機，計算機根據光譜數據計算得到瓦斯氣體的溫度和濃度測量值。其具體步驟為步驟1是標定與測試相關的溫度係數k1、敏感係數k2、校正係數k3和初始常數a0(1)微系統光纖瓦斯傳感器被置於參考溫度T0＝10℃而沒有瓦斯氣體的氣體盒中，計算機從光譜數據中獲取1159.3nm附近波長處光的中心波長和幅值分別為λ0(0)和I0(00)，獲取1160.7nm附近波長處光的幅值為I1(00)；(2)本瓦斯傳感器被置於標定溫度Tr＝25℃而沒有瓦斯氣體的氣體盒中，計算機獲取1159.3nm附近波長處光的中心波長和幅值分別為λ0(1)和I0(10)，獲取1160.7nm附近波長處光的幅值為I1(10)；(3)本瓦斯傳感器被置於溫度為Tr＝25℃而瓦斯濃度為參考濃度C1＝4％的氣體盒中，計算機獲取1159.3nm附近波長處光的中心波長和幅值分別為λ0(11)和I0(11)，獲取1160.7nm附近波長處光的幅值為I1(11)；(4)本瓦斯傳感器被置於溫度為T0＝10℃而瓦斯濃度為C1＝4％的氣體盒中，計算機獲取1159.3nm附近波長處光的中心波長和幅值分別為λ0(01)和I0(01)，獲取1160.7nm附近波長處光的幅值為I1(01)；(5)將獲取的上述數據代入前述標定時的溫度係數k1、敏感係數k2、校正係數k3和初始常數a0的計算公式中，得到係數k1、k2、k3和初始常數a0。步驟2是測試被測瓦斯氣體的濃度(1)本傳感器置於被測瓦斯氣體中，計算機獲取1159.3nm附近波長處光的中心波長和幅值分別為λ0(T)和I0(C)，得到1160.7nm附近波長處光的幅值為I1(C)；(2)根據前述測試時的計算公式，以及步驟1得到的光譜數據、係數k1、k2、k3和初始常數a0，計算出該傳感器處相對於參考溫度T0＝10℃的溫度變化量ΔT，再計算出被測瓦斯氣體的濃度C，這樣就得到本傳感器處的瓦斯氣體濃度的測量值。該測量值受環境和系統的幹擾小，其瓦斯濃度解析度可達0.1％，其響應時間小於1.2秒。
權利要求
1.微系統光纖瓦斯傳感器，其特徵在於它在一根光纖上相隔一定距離寫有兩個長周期光纖光柵，在兩個長周期光纖光柵之外的兩邊各有一個短周期光纖光柵；該光纖有光纖芯和光纖包層，光纖包層在光纖芯之外；這兩個長周期光纖光柵具有相近的耦合中心波長、帶寬和耦合效率，作為兩個耦合器；兩個短周期光纖光柵的反射中心波長在長周期光纖光柵的諧振中心波長附近，兩反射中心波長的間隔大於兩個短周期光纖光柵反射波長3dB帶寬之和的一半；這兩個長周期光纖光柵的諧振波長帶都在瓦斯氣體的吸收光譜帶內，兩個長周期光纖光柵之間的光纖包層是裸露的。
2.根據權利要求1所述的微系統光纖瓦斯傳感器，其特徵在於兩個長周期光纖光柵之間的距離為5-800mm，長周期光纖光柵中心波長處的耦合效率大於99％，其耦合效率大於99％的波長帶寬大於3nm；每個短周期光纖光柵到相鄰長周期光纖光柵的距離大於0.5mm；兩個短周期光纖光柵的耦合效率大於90％，其中心波長的間距小於長周期光纖光柵99％耦合效率的波長帶寬的一半。
3.根據權利要求1或2所述的微系統光纖瓦斯傳感器，其特徵在於在上述製作了兩個長周期光纖光柵、光纖包層、兩個短周期光纖光柵的傳感段光纖之外套有一保護套，保護套上有小孔，在靠近保護套的兩端部用固化膠把傳感光纖粘貼到保護套上，在保護套的兩端部分別有一個過渡緩衝套，在保護套外有透氣的防塵薄層。
4.由權利要求1或2所述的傳感器形成的傳感系統，其特徵在於它包括寬帶光源、寬帶耦合器、微系統光纖瓦斯傳感器、光纖光譜解調器和計算機；寬帶光源通過光纖連接到寬帶耦合器的一個輸入端，寬帶耦合器的輸出端通過光纖連接到微系統光纖瓦斯傳感器，寬帶耦合器的另一個輸入端通過光纖連接到光纖光譜解調器的光纖輸入端，光纖光譜解調器的數據埠通過數據接口線連接到計算機。
5.由權利要求3所述的傳感器形成的傳感系統，其特徵在於它包括寬帶光源、寬帶耦合器、微系統光纖瓦斯傳感器、光纖光譜解調器和計算機；寬帶光源通過光纖連接到寬帶耦合器的一個輸入端，寬帶耦合器的輸出端通過光纖連接到微系統光纖瓦斯傳感器，寬帶耦合器的另一個輸入端通過光纖連接到光纖光譜解調器的光纖輸入端，光纖光譜解調器的數據埠通過數據接口線連接到計算機。
6.由權利要求4所述的傳感系統獲取瓦斯氣體濃度的傳感方法，其特徵在於微系統光纖瓦斯傳感器感知瓦斯氣體的濃度和溫度信息，光纖光譜解調器獲取該傳感器的反射光譜數據並傳輸到計算機，計算機根據光譜數據計算得到瓦斯氣體的溫度和濃度的測量值；其具體步驟為先標定所述傳感器的溫度係數、敏感係數、校正係數和初始常數，然後是測試計算出所述傳感器處相對於參考溫度的溫度變化量，最後再測試計算出被測瓦斯氣體的濃度；其標定和測試時的計算公式分別為(1)傳感器的溫度係數k1為k1=Tr-T00(1)-0(0)]]>其中，Tr是標定溫度，T0是參考溫度；λ0(0)是溫度為T0且瓦斯濃度為0時第一個短周期光纖光柵反射光的中心波長；λ0(1)是溫度為Tr且瓦斯濃度為0時第一個短周期光纖光柵反射光的中心波長；(2)傳感器的敏感係數k2為k2=C1ln[I1(11)I0(10)I0(11)I1(10)]]]>其中，C1是標定時瓦斯氣體的參考濃度；I1(11)是溫度為標定溫度Tr且瓦斯濃度為C1時第二個短周期光纖光柵反射光的幅值，I0(11)是此時第一個短周期光纖光柵反射光的幅值；I0(10)是溫度為標定溫度Tr且瓦斯濃度為0時第一個短周期光纖光柵反射光的幅值，I1(10)是此時第二個短周期光纖光柵反射光的幅值；(3)傳感器的校正係數k3為k3=-C1ln[I1(11)I0(01)I0(11)I1(01)](Tr-T0)ln[I1(11)I0(10)I0(11)I1(10)]]]>其中，C1是標定時瓦斯氣體的參考濃度；Tr是標定溫度，T0是參考溫度；I1(11)是溫度為Tr且瓦斯濃度為C1時第二個短周期光纖光柵反射光的幅值，I0(11)是此時第一個短周期光纖光柵反射光的幅值；I0(10)是溫度為Tr且瓦斯濃度為0時第一個短周期光纖光柵反射光的幅值，I1(10)是此時第二個短周期光纖光柵反射光的幅值；I0(01)是溫度為T0而瓦斯濃度為C1時第一個短周期光纖光柵反射光的幅值，I1(01)是此時第二個短周期光纖光柵反射光的幅值；(4)傳感器的初始常數a0為a0=-C1ln[I1(00)I0(00)]ln[I1(11)I0(10)I0(11)I1(10)]]]>其中，C1是標定時瓦斯氣體的參考濃度；I1(11)是溫度為標定溫度Tr且瓦斯濃度為C1時第二個短周期光纖光柵反射光的幅值，I0(11)是此時第一個短周期光纖光柵反射光的幅值；I0(10)是溫度為標定溫度Tr且瓦斯濃度為0時第一個短周期光纖光柵反射光的幅值，I1(10)是此時第二個短周期光纖光柵反射光的幅值；I0(00)是溫度為參考溫度T0而瓦斯濃度為0時第一個短周期光纖光柵反射光的幅值，I1(00)是此時第二個短周期光纖光柵反射光的幅值；(5)測試時傳感器處相對於參考溫度的溫度變化量ΔT為ΔT＝k1[λ0(T)-λ0(0)]其中，k1是標定時得到的溫度係數；λ0(0)是標定過程中溫度為參考溫度T0時的第一個短周期光纖光柵反射光的中心波長；λ0(T)是測試時獲取的第一個短周期光纖光柵反射光的中心波長；(6)測試時傳感系統計算得到的被測瓦斯氣體的濃度C為C=k2ln[I1(C)I0(C)]+k3T+a0]]>其中，k2是標定時得到的敏感係數；k3是標定時得到的校正係數；a0是標定時得到的初始常數；I1(C)是測試時第二個短周期光纖光柵反射光的幅值，I0(C)是測試時第一個短周期光纖光柵反射光的幅值；ΔT是測試時計算得到的傳感器處相對於參考溫度的溫度變化量。
7.由權利要求5所述的傳感系統獲取瓦斯氣體濃度的傳感方法，其特徵在於微系統光纖瓦斯傳感器感知瓦斯氣體的濃度和溫度信息，光纖光譜解調器獲取該傳感器的反射光譜數據並傳輸到計算機，計算機根據光譜數據計算得到瓦斯氣體的溫度和濃度的測量值；其具體步驟為先標定所述傳感器的溫度係數、敏感係數、校正係數和初始常數，然後是測試計算出所述傳感器處相對於參考溫度的溫度變化量，最後再測試計算出被測瓦斯氣體的濃度；其標定和測試時的計算公式分別為(1)傳感器的溫度係數k1為k1=Tr-T00(1)-0(0)]]>其中，Tr是標定溫度，T0是參考溫度；λ0(0)是溫度為T0且瓦斯濃度為0時第一個短周期光纖光柵反射光的中心波長；λ0(1)是溫度為Tr且瓦斯濃度為0時第一個短周期光纖光柵反射光的中心波長；(2)傳感器的敏感係數k2為k2=C1ln[I1(11)I0(10)I0(11)I1(10)]]]>其中，C1是標定時瓦斯氣體的參考濃度；I1(11)是溫度為標定溫度Tr且瓦斯濃度為C1時第二個短周期光纖光柵反射光的幅值，I0(11)是此時第一個短周期光纖光柵反射光的幅值；I0(10)是溫度為標定溫度Tr且瓦斯濃度為0時第一個短周期光纖光柵反射光的幅值，I1(10)是此時第二個短周期光纖光柵反射光的幅值；(3)傳感器的校正係數k3為k3=-C1ln[I1(11)I0(01)I0(11)I1(01)](Tr-T0)ln[I1(11)I0(10)I0(11)I1(10)]]]>其中，C1是標定時瓦斯氣體的參考濃度；Tr是標定溫度，T0是參考溫度；I1(11)是溫度為Tr且瓦斯濃度為C1時第二個短周期光纖光柵反射光的幅值，I0(11)是此時第一個短周期光纖光柵反射光的幅值；I0(10)是溫度為Tr且瓦斯濃度為0時第一個短周期光纖光柵反射光的幅值，I1(10)是此時第二個短周期光纖光柵反射光的幅值；I0(01)是溫度為T0而瓦斯濃度為C1時第一個短周期光纖光柵反射光的幅值，I1(01)是此時第二個短周期光纖光柵反射光的幅值；(4)傳感器的初始常數a0為a0=-C1ln[I1(00)I0(00)]ln[I1(11)I0(10)I0(11)I1(10)]]]>其中，C1是標定時瓦斯氣體的參考濃度；I1(11)是溫度為標定溫度Tr且瓦斯濃度為C1時第二個短周期光纖光柵反射光的幅值，I0(11)是此時第一個短周期光纖光柵反射光的幅值；I0(10)是溫度為標定溫度Tr且瓦斯濃度為0時第一個短周期光纖光柵反射光的幅值，I1(10)是此時第二個短周期光纖光柵反射光的幅值；I0(00)是溫度為參考溫度T0而瓦斯濃度為0時第一個短周期光纖光柵反射光的幅值，I1(00)是此時第二個短周期光纖光柵反射光的幅值；(5)測試時傳感器處相對於參考溫度的溫度變化量ΔT為ΔT＝k1[λ0(T)-λ0(0)]其中，k1是標定時得到的溫度係數；λ0(0)是標定過程中溫度為參考溫度T0時的第一個短周期光纖光柵反射光的中心波長；λ0(T)是測試時獲取的第一個短周期光纖光柵反射光的中心波長；(6)測試時傳感系統計算得到的被測瓦斯氣體的濃度C為C=k2ln[I1(C)I0(C)]+k3T+a0]]>其中，k2是標定時得到的敏感係數；k3是標定時得到的校正係數；a0是標定時得到的初始常數；I1(C)是測試時第二個短周期光纖光柵反射光的幅值，I0(C)是測試時第一個短周期光纖光柵反射光的幅值；ΔT是測試時計算得到的傳感器處相對於參考溫度的溫度變化量。
全文摘要
本發明公開一種微系統光纖瓦斯傳感器、傳感系統及其傳感方法。微系統光纖瓦斯傳感器由一段光纖上的兩個短周期光纖光柵和兩個長周期光纖光柵形成；由該微系統光纖瓦斯傳感器形成的傳感系統包括寬帶光源、寬帶耦合器、微系統光纖瓦斯傳感器、光纖光譜解調器、計算機；其傳感方法是先標定出傳感器的溫度係數和敏感係數，再測試出被測的瓦斯氣體濃度。該傳感器的製作簡單，體積小，功能強，可實現瓦斯和溫度的同時檢測；其傳感系統的構建、裝配和調試簡單，可基於光纖鏈路實現遙測，測試結果穩定可靠。
文檔編號G06F19/00GK1793853SQ20051005738
公開日2006年6月28日 申請日期2005年11月16日 優先權日2005年11月16日
發明者曾祥楷, 彭東林 申請人:重慶工學院